張 敏，趙宜楠，喬曉林

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）信息工程學(xué)院，山東 威海 264209）

0 引言

目前雷達(dá)顯示終端從具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)分為兩種，一種是基于硬件電路專用顯示平臺(tái)，主要包括各種顯示控制卡和機(jī)箱等。另一種是基于軟件編程的虛擬顯示平臺(tái)，主要是基于操作系統(tǒng)的虛擬儀器技術(shù)顯示平臺(tái)。硬件可移植性差，增減功能時(shí)必須同時(shí)更改軟硬件，周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，且存在所用器件更新問(wèn)題。軟件雖然靈活但是需要基于虛擬儀器平臺(tái)，不能滿足特殊場(chǎng)合的要求[1]。

VGA（Video Graphics Array）接口廣泛應(yīng)用在各類顯示器中，具有分辨力高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)，在雷達(dá)顯示系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用。目前VGA技術(shù)的應(yīng)用主要針對(duì)VGA顯示卡。

通用異步接收發(fā)送器（UART）就是一種常用的串行接口，因?yàn)槠渚哂袀鬏斁嚯x遠(yuǎn)、簡(jiǎn)單可靠、容錯(cuò)性好等優(yōu)點(diǎn)，在雷達(dá)信息傳輸中廣泛使用。由于通用異步接收發(fā)送器性能的不斷提高，處理器花在串行通信上的系統(tǒng)開(kāi)銷大大減少。

隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，F(xiàn)PGA的功能越來(lái)越強(qiáng)大。特別是軟核和SoPC等技術(shù)的出現(xiàn)，將傳統(tǒng)上的軟件和硬件的概念徹底打破，使電子產(chǎn)品的升級(jí)和維護(hù)變得非常容易。

由FPGA，UART和VGA接口構(gòu)成的雷達(dá)顯示平臺(tái)繼承了各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，還具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活的優(yōu)點(diǎn)。

1 雷達(dá)顯示的相關(guān)技術(shù)

1.1 P型顯示器

P型顯示器又稱平面位置顯示器（PPI）或環(huán)視顯示器，屬于徑向圓掃描顯示。它以極坐標(biāo)的方式表示目標(biāo)的斜距和方位，其原點(diǎn)表示雷達(dá)所在地。目標(biāo)在熒光屏上以一亮點(diǎn)或亮弧出現(xiàn)，顯示器畫(huà)面一般均有距離和方位電刻度，距離電刻度是一族等間距的同心圓，而方位刻度為一族等角度的輻射狀直線[2]。P型顯示器畫(huà)面如圖1所示。

1.2 VGA接口顯示器

隨著VGA顯示器廣泛應(yīng)用，VGA顯示器也開(kāi)始應(yīng)用在雷達(dá)顯示上，但VGA顯示器的掃描方式是從左到右的掃描和從上到下的幀掃，屬于直角坐標(biāo)的方式，而雷達(dá)獲取的信息是徑向圓掃描方式屬極坐標(biāo)方式，所以要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)的VGA顯示，首先要將雷達(dá)的極坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)信息存入存儲(chǔ)器，再以直角掃描的方式從存儲(chǔ)器中讀出并顯示出來(lái)。顯示器采用光柵掃描方式，即轟擊熒光屏的電子束在CRT（陰極射線管）屏幕上從左到右（受水平同步信號(hào)HSYNC控制）、從上到下（受垂直同步信號(hào)VSYNC控制）進(jìn)行有規(guī)律的移動(dòng)。光柵掃描又分逐行掃描和隔行掃描[3－4]。VGA顯示器要作為雷達(dá)顯示器顯示圖像，關(guān)鍵還是如何實(shí)現(xiàn)VGA時(shí)序。

1.3 雷達(dá)串行接口

雷達(dá)串行接口因其串口需要的數(shù)據(jù)線少、傳送距離長(zhǎng)、可靠性高，廣泛用于雷達(dá)與彈上綜控設(shè)備及測(cè)試設(shè)備之間的通信。雷達(dá)通信多采用數(shù)據(jù)幀打包的形式，對(duì)特定的信息有不同的幀格式和包長(zhǎng)度。

1.4 相關(guān)算法

在XGA模式下，顯示分辨力為1 024×768，極坐標(biāo)（r，θ）到直角坐標(biāo)（x，y）的變換數(shù)學(xué)表達(dá)為x=x0+r·sinθ，y=y0+r·cosθ[5]。

2 顯示平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用最簡(jiǎn)單的VGA接口，F(xiàn)PGA管腳直接與VGA接口相連，顯示器上只能顯示紅、綠、藍(lán)三原色。同時(shí)，這樣的方案設(shè)計(jì)對(duì)硬件要求相對(duì)更低，沒(méi)有使用任何專用的視頻處理芯片，極大降低了成本[6]。硬件平臺(tái)主要由FPGA和SRAM構(gòu)成，該系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1 串行接口

串口邏輯轉(zhuǎn)換采取FPGA編程實(shí)現(xiàn)，串口電平轉(zhuǎn)換芯片采用SP232，3.3 V供電。

2.2 圖形緩存

在1 024×768分辨力下，如果采用256色共需要768 kbyte的容量作為圖形緩沖。這里采用IS61LV51216，存取時(shí)間為10 ns，單片容量為1 Mbyte。

2.3 可編程FPGA

總控單元采用1片F(xiàn)PGA作為采集存儲(chǔ)的控制核心，型號(hào)為EPC2C8208?？偪刂茊卧?fù)責(zé)控制協(xié)調(diào)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、緩存單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元以及USB傳輸單元之間數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)功能[7]。

2.4 電源單元

在整個(gè)系統(tǒng)中利用+5 V為輸入電壓（+5 V可是電壓源輸入，也可利用USB總線供電），利用電源轉(zhuǎn)換芯片LT_1764－3.3得到+3.3 V電壓，用LM1117得到+1.2 V電壓。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)由串口模塊、數(shù)據(jù)識(shí)別、數(shù)據(jù)處理、VGA接口等幾個(gè)模塊構(gòu)成，如圖3所示。其過(guò)程為雷達(dá)回波數(shù)據(jù)通過(guò)串口接收后，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，將命令和數(shù)據(jù)分開(kāi)。然后通過(guò)數(shù)據(jù)處理將數(shù)據(jù)變換為直角坐標(biāo)格式。最后將直角坐標(biāo)變換為VGA能顯示的格式。

3.1 串口模塊

其基本功能有：實(shí)現(xiàn)了異步底層通信格式（起始位+數(shù)據(jù)位+2位停止位）；將由外部傳遞來(lái)的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，提供給系統(tǒng)內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用[7－8]。

3.2 數(shù)據(jù)識(shí)別

由于雷達(dá)串口在傳輸中有特定的幀頭、指令數(shù)據(jù)格式、校驗(yàn)，所以需要將串口收到的數(shù)據(jù)中不需要的內(nèi)容剔除。

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理模塊將目標(biāo)點(diǎn)的距離和方位信息進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)計(jì)算。

其基本功能有：將接收到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合顯示的范圍；計(jì)算出3個(gè)半徑分別為100，200，300個(gè)像素的圓環(huán)及十字坐標(biāo)，并且存入顯示緩存中，顯示固定的漢字以及距離坐標(biāo)值；定位相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)；給出固定的移動(dòng)軌跡；向顯示緩存中存入最新數(shù)據(jù)[9]。坐標(biāo)變換如圖4所示。

3.4 VGA接口

VGA顯示控制模塊是在場(chǎng)、行時(shí)序下將數(shù)據(jù)載入顯示在LCD顯示器上。其基本功能有：處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為行場(chǎng)控制信號(hào)，以目標(biāo)點(diǎn)的形式顯示在LCD顯示器上；使目標(biāo)點(diǎn)閃爍顯示。

4 實(shí)際效果

P型顯示界面實(shí)物如圖5所示。由LABVIEW[9]做的上位機(jī)界面模擬雷達(dá)串口通信如圖6所示。

5 小結(jié)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以顯示串口波特率為9 600 baud/s的目標(biāo)數(shù)據(jù)，VGA采取逐行掃描方式。在場(chǎng)刷新率為75 Hz的情況下顯示3色的圖像，分辨力為1 024×768。

如果改變VGA接口控制方式，可以實(shí)現(xiàn)更多的色彩分辨力，采用更大的顯示緩存和功能更強(qiáng)大的FPGA就可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)控制交互。所以這種結(jié)構(gòu)的雷達(dá)顯示控制具有強(qiáng)大的可擴(kuò)充性。

[1] 朱兵.有關(guān)雷達(dá)顯示終端軟件化的設(shè)想[J].艦船電子對(duì)抗，2004（5）：54－55.

[2] 丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理[M].3版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[3] 黃平，吳景東.基于DRAM、FPGA的專用VGA顯示接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，5（2）：33－36.

[4] 趙婧.雷達(dá)光柵顯示掃描技術(shù)[J].現(xiàn)代電子，2002（4）：17－20.

[5] 譚歆，景占榮.機(jī)載雷達(dá)綜合顯示器的仿真實(shí)現(xiàn)[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2002（5）：33－35.

[6] 童文滔，徐火生.一種新型雷達(dá)顯示系統(tǒng)技術(shù)的研究[J].艦船電子工程，2004，24（5）：4－5.

[7] 羅朝霞，高書(shū)莉.CPLD/FPGA設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[8] 陳曉輝，劉峰.基于TMS320DM355的VGA信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)[J].電視技術(shù)，2010，34（3）：25－27.

[9] 劉焱.基于COM技術(shù)和WinSock技術(shù)的雷達(dá)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2010（1）：18－20.