中國電波傳播研究所電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點實驗室 李善斌 李慧明 朱秀芹 張玉石

中國電波傳播研究所電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點實驗室 西安電子科技大學(xué)雷達信號處理國家重點實驗室 黎 鑫

基于ARM微處理器的雷達有源校準器設(shè)計

中國電波傳播研究所電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點實驗室 李善斌 李慧明 朱秀芹 張玉石

中國電波傳播研究所電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點實驗室 西安電子科技大學(xué)雷達信號處理國家重點實驗室 黎 鑫

針對傳統(tǒng)雷達有源校準器存在功能單一、便攜性差和集成度低等問題，研究并實現(xiàn)了一種基于ARM微處理器的雷達有源校準器。通過對ARM微處理器系統(tǒng)和嵌入式WinCE（Windows CE）操作系統(tǒng)等的綜合運用開發(fā)，實現(xiàn)了雷達有源校準器系統(tǒng)控制、系統(tǒng)校時、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示等功能的本機集成。工程應(yīng)用表明，該設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集全面、便攜性佳和集成度高等優(yōu)點。

ARM微處理器；雷達有源校準器；WinCE

0 引言

在雷達雜波測量過程中，對雷達系統(tǒng)進行外部校準是保障后續(xù)雜波數(shù)據(jù)處理有效性的必要環(huán)節(jié)。雷達系統(tǒng)的外部校準通常是通過測量一個已知雷達散射截面積（RCS）的校準目標(biāo)來實現(xiàn)的[1]。校準目標(biāo)可以采用已知RCS的無源角反射器、有源校準器或均勻擴展地物（如熱帶雨林）等，但實際上校準場地背景雜波干擾嚴重，或者很難找到大面積的理想均勻地物，因此，采用安裝方便、體積小且RCS可以設(shè)計較大的雷達有源校準器來實施雷達外校準是目前較好的選擇[2]。

傳統(tǒng)的雷達有源校準器以單片機為核心，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)采集，而系統(tǒng)校時、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示則由手持式GPS接收機和筆記本電腦完成，因此，傳統(tǒng)的雷達有源校準器的缺點是功能比較單一、設(shè)備多、便攜性差、集成度低[1]。

近年來，嵌入式系統(tǒng)以其小型、專用和高可靠等特點，已經(jīng)在醫(yī)療、工業(yè)控制和消費電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，ARM技術(shù)作為嵌入式系統(tǒng)方面的主流技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛[3]，因此，研究一種基于ARM微處理器的雷達有源校準器，可以實現(xiàn)本機實時控制，實時數(shù)據(jù)采集、存儲和顯示等功能，具有良好的人機交互功能，并且具有便攜性佳、數(shù)據(jù)采集全面和集成度高等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)由ARM微處理器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集電路、GPS接收模塊、接收天線、發(fā)射天線和微波組件及其控制電路等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體框架

ARM微處理器系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的控制中心，其主要任務(wù)是根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度調(diào)度并控制微波組件使其按照預(yù)先設(shè)定的方式工作，并完成人機交互、實時數(shù)據(jù)顯示和存儲等功能；數(shù)據(jù)采集電路用于獲取微波組件輸出端的視頻信號數(shù)據(jù)和溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，然后通過串口傳送給ARM微處理器系統(tǒng)。GPS接收模塊用于接收GPS信息，并將GPS信息通過串口傳送給ARM微處理器系統(tǒng)。接收天線用于接收雷達的射頻信號，發(fā)射天線用于將雷達有源校準器放大后的射頻信號發(fā)射給雷達。微波組件及其控制電路通過串口接收ARM微處理器系統(tǒng)的指令，然后對微波組件進行調(diào)整，并在調(diào)整完成后通過串口反饋給ARM微處理器系統(tǒng)。

1.1 ARM微處理器系統(tǒng)

ARM微處理器系統(tǒng)采用基于ARM11系列處理器的嵌入式開發(fā)板。ARM11系列處理器是ARM公司近年推出的新一代RISC處理器，它是ARM新指令架構(gòu)——ARMv6的第一代設(shè)計實現(xiàn)[4]。板上采用的處理器芯片為SAMSUNG 16/32位RISC微處理器S3C6410，它基于ARM1176JZF-S處理器核，最高運行頻率為667MHz，采用SD卡的存儲方式，最高可支持32GB SD卡存儲。開發(fā)板具備4個串口、1個網(wǎng)口和1個USB等接口，可以滿足系統(tǒng)對接口的需求。

雷達有源校準器采用該開發(fā)板不僅可以減少硬件設(shè)計和軟件開發(fā)的難度，而且還可以用畫圖的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示。

1.2 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路的主要作用，一是將微波組件輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，二是獲取溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，然后把二者的數(shù)據(jù)通過串口傳送給ARM微處理器系統(tǒng)，是雷達有源校準器不可或缺的組成部分。

數(shù)據(jù)采集電路由微處理器、信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換器、門限控制電路和通訊等部分組成，如圖2所示。微處理器采用華邦W77E58單片機，其指令與MCS-51系列單片機兼容，但內(nèi)核經(jīng)過重新設(shè)計，提高了時鐘速度和存儲器訪問周期速度。信號調(diào)理電路選用運算放大器MCP6002和電阻電容等實現(xiàn)視頻信號的匹配、濾波和放大等功能。為滿足數(shù)據(jù)采集需要，AD轉(zhuǎn)換芯片采用MAX1290芯片，該芯片為12位采樣ADC，采樣速率為400ksps。門限控制電路選用LM211比較器芯片，為減小數(shù)據(jù)量，只對高于噪聲電平（或已知信號電平）的信號予以采樣。串口電平轉(zhuǎn)換器采用MAX232芯片，便于數(shù)據(jù)采集電路與ARM微處理器系統(tǒng)進行通訊。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路組成框圖

1.3 GPS接收模塊

GPS信息（包括位置信息和時間信息等）是雷達系統(tǒng)外部校準和數(shù)據(jù)處理的重要參數(shù)，對數(shù)據(jù)處理和校準結(jié)果起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)雷達有源校準器采用GPS手持式接收機獲取GPS信息，本系統(tǒng)采用本機集成GPS OEM接收板的方式自動獲取并存儲GPS信息，相比而言，提高了系統(tǒng)的集成度。

為滿足雷達有源校準器對GSP信息的需求，本系統(tǒng)GPS接收模塊選用摩托羅拉（Motorola）M12授時型GPS OEM接收板，其具有定位精度高（小于25m）、授時準確（高達ns級的同步授時）和功耗低等優(yōu)點[5]。

1978年12月，黨的十一屆三中全會拉開了我國改革開放的序幕，同年十一月份，當(dāng)時的國家物資總局組織有關(guān)部門和地方領(lǐng)導(dǎo)赴日本考察，首次將物流的概念引入國內(nèi)。

1.4 微波組件及其控制電路

微波組件及其控制電路是雷達有源校準器最重要的組成部分，其能夠在ARM微處理器系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)射頻信號的接收、放大、自校準和轉(zhuǎn)發(fā)等功能，這也是雷達有源校準器要實現(xiàn)的功能。

微波組件由微波開關(guān)、濾波器、衰減器、功率放大器、信號源和檢波器等組成，如圖3所示。微波開關(guān)采用單刀雙擲工作方式，實現(xiàn)輸入/輸出微波信號的切換；衰減器分為粗調(diào)和微調(diào)兩種，粗調(diào)衰減器采用程控工作方式，用于實現(xiàn)衰減量的大步進調(diào)整，微調(diào)衰減器采用電調(diào)工作方式，用于實現(xiàn)衰減量的小步進調(diào)整，通過粗調(diào)和微調(diào)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)衰減量的精確調(diào)整，從而實現(xiàn)增益的精確調(diào)整；信號源是系統(tǒng)自校準的基準信號，其產(chǎn)生兩路信號，一路通過微波環(huán)路進入檢波器，另一路直接進入檢波器，然后交由數(shù)據(jù)采集電路和ARM微處理器系統(tǒng)進行后續(xù)處理。

圖3 微波組件組成框圖

微波組件控制電路（如圖4所示）以單片機W77E58為核心，通過串口與ARM微處理器系統(tǒng)進行通訊，根據(jù)ARM微處理器系統(tǒng)的下達指令對微波開關(guān)和衰減器進行直接控制，其中，取單片機的2位I/O來控制2個微波開關(guān)，取單片機的5位I/O來控制粗調(diào)衰減器，取單片機的另5位I/O來控制耦合端衰減器，采用D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬量以實現(xiàn)微調(diào)衰減器（電調(diào)衰減器）的控制。

圖4 微波組件控制電路組成框圖

1.5 溫度傳感器

由于微波器件受溫度的影響較大，為增強雷達有源校準器的環(huán)境適應(yīng)性，需要配置溫度傳感器以便在不同溫度下對系統(tǒng)進行自校準。

溫度傳感器采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的一線式智能數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它具有精度高、全數(shù)字化和連線少等優(yōu)點[6]。為提高電路抗干擾能力，本系統(tǒng)中的DS18B20采用外部供電方式工作，其硬件連線如圖5所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)系統(tǒng)校時、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲等功能。系統(tǒng)控制包括參數(shù)設(shè)置（RCS設(shè)置和衰減設(shè)置）、自校和轉(zhuǎn)發(fā)功能。

圖5 溫度傳感器與單片機的連線圖

2.1 開發(fā)平臺構(gòu)建

系統(tǒng)開發(fā)平臺的構(gòu)建流程[8]如圖6所示，首先利用集成開發(fā)工具Microsoft Visual Studio 2005和Platform Builder對WinCE系統(tǒng)進行定制，包括系統(tǒng)組件的裁剪和系統(tǒng)源代碼的修改等；然后根據(jù)開發(fā)板的特點編譯WinCE工程并生成STEPLDR.bin、EBOOT.bin和NK.bin等WinCE鏡像文件；最后導(dǎo)出對應(yīng)鏡像的SDK（Software Development Kit）即可進行應(yīng)用程序開發(fā)。

圖6 WinCE開發(fā)平臺構(gòu)建流程圖

2.2 系統(tǒng)軟件主程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖7所示，系統(tǒng)首先進行自檢，確認各模塊工作正常后即進入校時操作，校時的目的是根據(jù)當(dāng)前GPS信息對系統(tǒng)時間進行修正，以便與所要校準的雷達進行時間同步。在正常使用的情況下，自校是必須進行的，只有進行了自校，系統(tǒng)才能達到所要求的精度，但是系統(tǒng)軟件允許在不自校的情況下進行轉(zhuǎn)發(fā)操作，這是考慮到有些不需要自?；蛘咦孕？赡芡ú贿^的情況下也能讓用戶使用雷達有源校準器。

2.3 系統(tǒng)自校子程序設(shè)計

系統(tǒng)調(diào)試階段，在-20℃～+50℃范圍內(nèi)，以5℃為一個步進，對需要的增益進行調(diào)整（通過調(diào)整粗調(diào)衰減器和微調(diào)衰減器來實現(xiàn)），并對溫度、增益、參考電壓、環(huán)路電壓、參考電壓與環(huán)路電壓的差值等數(shù)據(jù)進行記錄，存放在一個數(shù)據(jù)表中。在用戶使用階段，按照當(dāng)前溫度獲取參考電壓和環(huán)路電壓并計算參考電壓與環(huán)路電壓的差值，然后將得到的差值與數(shù)據(jù)表中的相應(yīng)溫度下的差值進行比對并按照比對結(jié)果對環(huán)路增益進行調(diào)整，最終得到最佳的環(huán)路增益。系統(tǒng)自校的流程如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

圖8 系統(tǒng)自校子程序流程圖

2.4 軟件界面設(shè)計

雷達有源校準器一般都在野外使用，所以軟件界面設(shè)計超大的觸控按鍵以方便用戶在野外環(huán)境下進行觸控操作，軟件菜單采用分級顯示的方式實現(xiàn)軟件的各個功能，第一級界面只有“開始”菜單和狀態(tài)顯示，第二級菜單具備參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)功能按鍵以便用戶實現(xiàn)雷達有源校準器的各項功能，數(shù)據(jù)存儲子程序自動在后臺運行，將獲取的數(shù)據(jù)以約定的格式存儲于SD卡中，數(shù)據(jù)顯示子程序?qū)@取的數(shù)據(jù)以畫圖方式顯示于軟件的主界面，如圖9所示。

圖9 軟件界面實況圖

圖10 外校準實況和數(shù)據(jù)處理結(jié)果偽彩圖

3 應(yīng)用

基于ARM微處理器的雷達有源校準器已多次應(yīng)用于各類平臺雷達的外校準試驗，取得了良好效果。圖10給出2016年3月某次岸基雷達海上外校準試驗實況圖和外校準數(shù)據(jù)處理結(jié)果偽彩圖，由于試驗是在海上進行，所以需要配合使用穩(wěn)定平臺以確保試驗的有效性，實況圖中三個白色機箱中偏低一點的便是雷達有源校準器。由數(shù)據(jù)處理維彩圖可以看出，在第145個距離門處有一條明顯的亮線，這便是雷達有源校準器的所處位置，所得數(shù)據(jù)再經(jīng)過后期處理，便可得到岸基雷達的系統(tǒng)常數(shù)，即完成雷達系統(tǒng)的外部校準。

4 結(jié)語

本文提出一種基于ARM微處理器的雷達有源校準器，通過對ARM微處理器系統(tǒng)和嵌入式WinCE操作系統(tǒng)等的綜合運用開發(fā)，實現(xiàn)了集控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示等于一體的功能完備的雷達有源校準器。目前，已經(jīng)研制生產(chǎn)了3個波段共計7套基于ARM微處理器的雷達有源校準器，并多次應(yīng)用于各類型號、產(chǎn)品的雷達外校準試驗，其具有性能穩(wěn)定、操作方便和精度高等優(yōu)點，為獲取高精度的雷達系統(tǒng)常數(shù)，進而分析雜波數(shù)據(jù)做出了應(yīng)有的貢獻。

[1]孫芳,康士峰,羅賢云.機載雜波測量雷達有源校準器的設(shè)計與分析[J].電波科學(xué)學(xué)報,2001,16(4):534-537.

[2]康士峰,葛德彪,張忠治等.機載雜波測量雷達的有源絕對校準技術(shù)研究[J].電子學(xué)報,2000,28(12):25-28.

[3]李振宇,遲巖,蔡惠茵.基于ARM微處理器的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].集美大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,12(3):237-240.

[4]韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[5]Motorola GPS Products-Oncore User’s Guide.Motorola Inc,2002.

[6]顧振宇,劉魯源,杜振輝.DS18B20接口的C語言程序設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2002(7):22-24.

[7]張書峰,張嵐,毛樂山.一種基于Windows CE的數(shù)據(jù)采集分析儀[J].儀器儀表用戶,2009,16(2):34-36.

[8]Installation Manual for SMDK6410(Windows Embedded CE 6.0).Samsung Electronics Co.,Ltd,2008.

李善斌【通信作者】（1982—），男，工程師，主要研究方向：地海雜波測試方法、地海雜波測試硬件設(shè)計。

李慧明（1981—），男，工程師，主要研究方向：地海雜波測試與軟件、地海雜波數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用技術(shù)。

朱秀芹（1971—），女，博士，研究員，中國電子學(xué)會高級會員，主要研究方向：電磁場數(shù)值計算、雷達雜波特性分析。

Design of active radar calibrator based on ARM microprocessor

Li Shanbin1，Li Huiming1，Zhu Xiuqin1，Zhang Yushi1，Li Xin1,2
（1.Key Laboratory of Electromagnetic Environment and Modeling Technology，Research Institute of Radio Wave Propagation，Qingdao 266107，China；2.National Key Laboratory of Radar Signal Processing，Xidian University，Xi’an 710071，China）

To solve the problem that the traditional active radar calibrator has sole function，poor portability and low integration，a kind of active radar calibrator based on ARM microprocessor has been studied and implemented.The combination of ARM microprocessor system and embedded Windows CE operating system is developed for active radar calibrator to achieve the functions such as system control，system automatic time calibration，data collection，storage and display and so on.Engineering application indicates that this device has the advantages of comprehensive data collection，good portability and high integration.

ARM microprocessor；Active radar calibrator；WinCE