尹 鵬,崔更申,凌 鳴,黃廷輝,賀 文

(桂林電子科技大學 計算機科學與工程學院，廣西 桂林 541004)

基于STM32的雷達信號跟蹤控制系統(tǒng)設計

尹 鵬,崔更申,凌 鳴,黃廷輝,賀 文

(桂林電子科技大學 計算機科學與工程學院，廣西 桂林 541004)

雷達信號跟蹤控制系統(tǒng)是航空測控系統(tǒng)的重要組成部分，主要作用是對航空器進行探測定位跟蹤；為了保證航空器運行過程中，天線能夠實時地對準行航空器，保證通訊的穩(wěn)定性和實時性，設計了一種基于STM32的雷達信號跟蹤控制系統(tǒng)；雷達信號跟蹤控制系統(tǒng)采用了STM32F407IG控制芯片作為信號跟蹤控制系統(tǒng)的處理器；通過處理來自四相調制接收機的方位差電壓ΔA信號和俯仰差電壓ΔE信號，決定需要的控制動作；為了保證方位差電壓ΔA信號和俯仰差電壓ΔE信號的可靠性，設計實現(xiàn)了信號的硬件校正以及軟件濾波；使用PWM脈沖功能控制步進電機轉動，利用驅動器實現(xiàn)電機運動精度和速度的可控；采用高精度高速率的模數(shù)轉換器提高差電壓信號數(shù)字化的可靠性和實時性；采用旋轉變壓器實時反饋運動位置，形成閉環(huán)控制，保證運動的可靠性；通過軟硬件的反復調試和測試，接收機輸出的方位差電壓ΔA和俯仰差電壓ΔE電平保持在比較低的范圍內，并且通訊長時間正常穩(wěn)定，證明了雷達信號跟蹤控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對航空器的跟蹤控制功能。

信號跟蹤控制；STM32；差電壓；PWM脈沖；閉環(huán)控制

0 引言

隨著科學技術水平的提高，各類航空測控系統(tǒng)不斷得到發(fā)展，作為其分支的航空測角分系統(tǒng)也是日趨完善。對于不同任務的航空測角分系統(tǒng)，雖然有多種設計方式，但其共同點是都包含了信號跟蹤控制系統(tǒng)的設計。信號跟蹤控制系統(tǒng)是航空測角分系統(tǒng)的重要組成部分，它的主要功能是通過對接收機接收到的天線信號進行必要的處理，來控制天線的運動狀態(tài)，保證天線與航空器的正常通訊。由于航空器的運動軌跡、運動狀態(tài)等具有不確定性，需要相應的調整天線的運動狀態(tài)，保證通訊的實時可靠。所以本文設計了基于STM32的雷達信號跟蹤控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計總體方案

對于雷達信號跟蹤控制系統(tǒng)的設計，采用意法半導體公司的控制芯片STM32F407IG作為整個控制系統(tǒng)的MCU(Microcontroller Unit)控制整個系統(tǒng)的運行。使用模數(shù)轉換芯片AD7324采集需要跟蹤的信號。利用MCU內部的高級定時器產生PWM脈沖信號來給驅動器發(fā)送脈沖命令，達到控制步進電機轉動的目的。利用旋轉變壓器模塊實時反饋實際的旋轉角度，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。跟蹤信號是通過跟蹤接收機反饋到系統(tǒng)中，自身也能作為反饋依據(jù)，反映出跟蹤的效果。信號跟蹤控制系統(tǒng)的主體結構如圖1所示。

圖1 信號跟蹤控制系統(tǒng)主體結構圖

在實際運行中，航空測控系統(tǒng)涉及到兩個關鍵設備——天線和航空器。天線與航空器通訊信息中的和信號∑和差信號Δ是進行目標跟蹤的主要依據(jù)。

天線與航空器通訊信息中的差信號Δ通過饋源輸出，Δ首先經(jīng)過低噪放大，然后經(jīng)過數(shù)字移相器進行0，π，π/2， 3π/2的相位低頻掃描以及相位補償，經(jīng)過移相后的差信號以及和信號相加得到單通道信號E，此時的E已經(jīng)包含了方位差信號和俯仰差信號信息，信號E經(jīng)過放大變頻，成為中頻信號，經(jīng)過包絡檢波或者與自身限幅信號相干檢波即可得到方位差電壓ΔA和俯仰差電壓ΔE。方位差電壓ΔA和俯仰差電壓ΔE可分別作為方位電機和俯仰電機的運動依據(jù)，通過控制對應位置上的電機運動，帶動天線對準目標。天線與航空器的對準程度是以差電壓為參考的，差電壓的絕對值越小，表示天線的中軸與航空器的偏離角度越小，反之，差電壓的絕對值越大，表示天線的中軸與航空器的偏離角度越大；差電壓的正負表示了天線中軸相對于航空器的偏離方向。

2 跟蹤信號檢測設計實現(xiàn)

跟蹤信號檢測模塊是對需要跟蹤的信號進行采集。此部分設計方案包含兩部分內容：跟蹤信號檢測電路設計和跟蹤信號的校正。跟蹤信號檢測電路設計對電路實現(xiàn)中的關鍵不部分進行了說明；跟蹤信號的校正以電路設計的形式實現(xiàn)了信號的校正。

2.1 跟蹤信號的校正

經(jīng)過相干檢波得到的方位差電壓ΔA和俯仰差電壓ΔE，存在信號間的耦合，所以不是一個準確的值。在信號的調制階段，調制信號與跟蹤信號之間有一個固定的相位關系，而在信號的解調階段，解調信號與跟蹤信號之間也有一個固定的相位關系。由于實際開發(fā)的電路，受線路以及芯片自身的影響，雖然調制信號和解調信號來自同一個時鐘源，但也很難保證這兩個相位關系的一致性，所以需要利用調相電路在某一端對相位進行校正，此處的校正電路設計在信號解調端，如圖2所示。

圖2 跟蹤信號校正電路原理圖

相位調整的本質是方位差電壓ΔA和俯仰差電壓ΔE組成的矢量信號Δ進行坐標變換。左邊變換公式(1)、(2)為：

ΔA′=ΔAcosθ+ΔEsinθ

(1)

ΔE′=ΔEcosθ+ΔAsinθ

(2)

方位差電壓ΔA作為這部分電路的輸入信號，通過AD7837可得到信號ΔAsinx和ΔAcosx，利用相同的電路可得到俯仰差電壓的轉換信號ΔEsinx和ΔEcosx。通過加法器電路就能得到準確的方位差電壓ΔA′和俯仰差電壓ΔE′。

2.2 跟蹤信號檢測電路設計

天線饋源輸出的信號頻率是2.2～2.4 GHz，屬于S波段的高頻信號，需要通過下變頻組件對該信號進行降頻操作，此處選用的是70 MHz的下變頻組件，可以將S波段信號降頻到70 MHz，跟蹤信號檢測電路是基于70 MHz信號進行設計。此處對跟蹤信號檢測電路的幾個關鍵電路進行解釋。

對天線饋源反饋的信號進行調制和解調是得到方位差信號和俯仰差信號的關鍵。根據(jù)信號跟蹤原理，需要使用數(shù)字移相器對天線饋源信號進行0，π，π/2， 3π/2的相位調制，跟蹤信號的四相調制電路原理如圖3所示。

圖3 四相調制電路原理圖

圖2中的電路是數(shù)字移相器的關鍵電路，以MCU的控制信號(2K_N和2K_P)作為輸入，經(jīng)過降頻得到1 kHz的脈沖信號，輸出的信號直接控制數(shù)字移相器，高兩位的脈沖信號(2K_L和1K_L)可組合成需要的四相調制(二進制組合)：00表是0移相，01表示π移相，10表示π/2移相，11表示3π/2移相。經(jīng)過移相后的差信號與和信號相加得到單通道信號E，信號E經(jīng)過放大變頻，成為中頻信號，經(jīng)過包絡檢波以及與自身限幅信號相干檢波即可得到方位差電壓ΔA和俯仰差電壓ΔE。包絡檢波是信號解調的重點，包絡檢波電路原理如圖4所示。

圖4 包絡檢波電路原理圖

Log input為檢波前的中頻信號，Env為包絡檢波檢出的信號，Env本身屬于交流信號，需要與自身的限幅信號進行相干檢波才可以得到對應的直流電平信號，限幅信號的幅度可調整，但是要保證限幅信號的相位和包絡檢波得出的信號相位一致，對于全量程范圍內的相干檢波操作，本設計對應的電平范圍在-10～+10 V(這個范圍是可調的，此處是為了方便后面AD芯片檢測所選用的范圍)，也就是說在可追蹤的信號范圍內，允許出現(xiàn)的并且能夠檢測的跟蹤信號電壓范圍在-10～+10 V。

3 跟蹤信號的控制實現(xiàn)

跟蹤信號的控制實現(xiàn)是使用采集到的跟蹤信號實現(xiàn)需要的控制功能。跟蹤信號的控制實現(xiàn)主要包括四部分內容：跟蹤信號的控制流程、跟蹤信號的濾波以及數(shù)字化、跟蹤信號驅動電機運動、跟蹤信號控制中的反饋。跟蹤信號的控制流程介紹了使用跟蹤信號進行跟蹤控制的整體流程；跟蹤信號的濾波以及數(shù)字化介紹了對跟蹤信號的軟件濾波以及模數(shù)轉換的實現(xiàn)；跟蹤信號驅動電機運動介紹了利用數(shù)字化后的跟蹤信號進行電機控制的實現(xiàn)；跟蹤信號控制中的反饋介紹了測控系統(tǒng)中的反饋機制，主要是測角反饋和跟蹤信號自身到系統(tǒng)的反饋。

3.1 跟蹤信號的控制流程

跟蹤信號檢測電路采集到的方位差電壓ΔA′和俯仰差電壓ΔE′，經(jīng)過AD轉換得到數(shù)字化差電壓值Va和Ve。Va和Ve通過SPI總線傳遞給MCU，MCU首先對數(shù)字差信號進行軟件濾波，然后利用MCU內部的定時器產生PWM脈沖控制電機轉動，從而使天線向航空器方向轉動，并且利用PID的控制方式對系統(tǒng)控制進行調整。系統(tǒng)運行中，控制所需要的反饋參考信息來自實時變化的差電壓以及與電機同步的角度編碼器(基于旋轉變壓器)。

3.2 跟蹤信號的濾波以及數(shù)字化

方位差電壓ΔA′和俯仰差電壓ΔE′是模擬量，其電壓范圍：-10～+10 V。該范圍的模擬電壓不能直接作為控制電機運動的信號量使用，需要將差電壓進行數(shù)字化，得到的數(shù)字化的差電壓信號作為MCU的控制依據(jù)間接控制電機轉動。

使用ADI公司的模數(shù)轉換芯片AD7324實現(xiàn)了差電壓信號的數(shù)字化。AD7324是四通道、十二位的A/D轉換芯片，支持SPI數(shù)據(jù)傳輸方式，即MCU可通過SPI總線與AD7324進行數(shù)據(jù)交互。AD7324可設置四種不同的電平轉換范圍：-10～+10 V，-5～+5 V，-2.5～+2.5 V，0～+10 V。為了滿足差電壓的范圍，選擇的電平采集范圍為-10～+10 V。MCU通過SPI總線設置AD7324的電平轉換范圍。A/D轉換電路如圖5所示。

圖5 差電壓數(shù)字化電路原理圖

AD822在該電路中作為跟隨器使用，提高轉換的準確度；PA15、PC12、PC10和PC11是MCU與AD7324進行SPI通信的引腳。

在實際的信號跟蹤中，經(jīng)過跟蹤信號檢測電路采集到的方位差電壓ΔA′和俯仰差電壓ΔE′會出現(xiàn)波動比較嚴重的情況，相應的在經(jīng)過AD轉換后，得到的數(shù)字化數(shù)據(jù)也是會發(fā)生波動較大的情況。此處采用卡爾曼軟件濾波的方式來解決跟蹤信號波動較大的問題。根據(jù)卡爾曼濾波算法進行跟蹤信號的差電壓進行濾波，以方位差電壓ΔA′為例，具體代碼如下：

Vpre=Vopt;

Ppre=sqrt(Popt*Popt+ProceNoise*ProceNoise) ;

K=sqrt(Ppre*Ppre/(Popt*Popt+MeaNosie*MeaNoise));

Vopt=Vpre+K(Vmea-Vpre)；

Popt=sqrt(1-K)*Ppre*Ppre);

其中，Vopt表示最優(yōu)差電壓值，Vpre為預測的差電壓值，Ppre為預測的差電壓誤差，K為卡爾曼增益，Popt為計算后得到的最優(yōu)差電壓誤差。

3.3 跟蹤信號驅動電機運動的原理

跟蹤信號驅動電機運動主要介紹了利用采集到的跟蹤信號實際控制電機運動，包括了兩部分內容：跟蹤信號控制電機運動的原理和跟蹤信號控制電機運動的實現(xiàn)。

MCU通過向電機驅動器發(fā)送控制命令來驅動電機轉動，以此來帶動天線運動。

MCU根據(jù)數(shù)字化后的方位差電壓ΔA和俯仰差電壓ΔE，分別對方位電機和俯仰電機進行操作。由于方位運動和俯仰運動的控制方式是一樣的，所以此處以方位差電壓ΔA為例解釋方位運動過程。

假設方位差電壓ΔA的數(shù)值為Va，Va的大小代表了天線的中軸指向與跟蹤目標(航空器)的偏離程度。Va的絕對值越大，表示天線的中軸指向與跟蹤目標的角度偏離越大，此時需要提高步進電機的轉動速度，并重新設置轉動角度；反之，Va的絕對值越小，表示天線的中軸指向與跟蹤目標的角度偏離越小，此時需要降低步進電機的轉動速度，并重新設置轉動角度。Va的數(shù)值是可正可負的，其符號位用來判定步進電機需要進行轉動的方向，Va>0表示步進電機需要進行順時針轉動，Va<0表示步進電機需要進行逆時針轉動。

3.4 跟蹤信號控制電機運動的實現(xiàn)

步進電機的運動依靠的是脈沖信號，MCU雖然可以產生脈沖信號，但驅動力有限，無法滿足步進電機的動力要求，所以需要外加步進電機驅動器，通過控制電機驅動器間接實現(xiàn)對步進電機的控制。利用MCU的通用I/O端口控制驅動器來決定電機轉動的方向、使能和釋放。

MCU內部的定時器自帶PWM功能，可通過設置對應的寄存器產生所需要的脈沖信號。設置的寄存器中比較關鍵的寄存器是預分頻寄存器和周期計數(shù)寄存器，這兩個寄存器決定了PWM的頻率。頻率計算如公式(3)所示：

(3)

式(3)中，PWM_f表示PWM的頻率，f表示產生PWM的定時器時鐘頻率，M+1表示預分頻值，T+1表示周期計數(shù)值。設定MCU(STM32F407IG)的定時器時鐘頻率f為MCU允許的最高的時鐘頻率168 MHz(整個系統(tǒng)運行中，該值不改變)，改變PWM_f就需要調整預分頻值和周期計數(shù)值。預分頻值M設置了f的分頻系數(shù)，決定了周期計數(shù)值的單次計數(shù)的時間；周期計數(shù)值T設置了周期計數(shù)的次數(shù)，決定了一個周期需要計數(shù)的次數(shù)；而每個周期T+1等同于PWM的一個脈沖周期。

PWM_f的改變意味著步進電機轉速的改變，相應的天線的轉動速度也就會發(fā)生變化，PWM_f與天線轉動速度Vel的關系如公式(4)所示：

(4)

PWM_f為脈沖的頻率(Hz)；Vel為天線轉動速度(°/s)；K1為天線轉軸相對于電機轉軸的減速比；K2為電機驅動器的細分值，表示電機轉動一圈需要K2個脈沖。Vel需要用時間t和偏移角度S來確定，如公式(5)所示：

(5)

式(5)中，時間t取決于差電壓采集的頻率。偏移角度S是由差電壓的大小決定的，兩者的對應關系需要通過實際的測試得到，此處以方位差電壓ΔA為例，求偏移角度S。在不跟蹤的情況下，只測正向偏離，得到方位差電壓ΔA和偏移角度S的關系如圖6所示。

圖6 方位差電壓ΔA和偏移角度S關系圖

如圖6所示，方位差電壓ΔA和偏移角度S是近似線性關系的，如式(6)所示：

S=K*ΔA+C

(6)

式(6)中，對于固定的系統(tǒng)，比例因子K和零點漂移值是固定的。

MCU輸出的控制信號驅動力較小，需要經(jīng)過電流放大后傳輸給電機驅動器，如圖7所示。

圖7 控制信號電流放大電路原理圖

信號TIM3_CH1是MCU定時器的輸出脈沖，通過電流放大后電路后，產生MOT1_P脈沖信號送到電機驅動器進行方位電機的運動控制。信號MOT_DIR1是MCU的通用I/O，經(jīng)過電流放大電路后產生MOT1_DIR信號送到電機驅動器，用來控制方位電機的運動方向。信號MOT_EN1是MCU的通用I/O，經(jīng)過電流放大電路后產生MOT1_EN信號送到電機驅動器，用來控制方位電機的釋放與使能。另外的三路信號用來控制俯仰電機驅動器。

3.5 跟蹤信號控制中的反饋

對于實時的自動控制系統(tǒng)，為了保證控制的可靠性，一般需要將系統(tǒng)設計成閉環(huán)控制。對于轉臺的轉動，僅靠脈沖計數(shù)的方式計算角度是不可靠的，需要使用旋轉變壓器采集轉動的實際角度，確保位置的可靠性。

旋轉變壓器是通過激勵信號和激磁信號進行控制的，需要使用信號解析模塊HRDC2754-414對旋轉變壓器進行解析。旋轉變壓器解析電路設計如圖8。

圖8 旋轉變壓器信號解析電路原理圖

其中RHi和RLo是旋轉變壓器和HRDC2754-414共用的激勵信號，該組信號必須是來自同一個激勵源，SA_1、SA_2、SA_3、SA_4是由旋轉變壓器產生的激磁信號，HRDC2754-414可通過這四個信號解析出實際的角度數(shù)值，DataAIn_1 -- DataAIn_14表示了旋變角度的數(shù)值，直接和MCU的I/O相連，二進制表示方式，通過每一位的電平高低來確定該位的數(shù)值，這樣可得到14 Bit的二進制數(shù)，經(jīng)過換算可得到實際的角度值。

4 信號跟蹤控制實驗結果

對于信號跟蹤控制系統(tǒng)，關鍵的功能是在航空器運動過程中，實現(xiàn)天線中軸與航空器之間保持一個基本對準的狀態(tài)。所謂的對準用數(shù)字量表示為差電壓Δ隨著時間t保持一個穩(wěn)定的值K，并且K值是一個比較小的值。

通過實驗，得到差電壓與時間t的關系，如圖9所示。

圖9 差電壓實時檢測圖

如圖9所示，跟蹤過程中，方位差電壓和俯仰差電壓基本在1 V以內變化，表示天線的電軸與航空器之間的偏移角度是比較小的，基本滿足跟蹤過程中實時對準的要求。

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Design of Radar Signal Tracking Control System Based on STM32

Yin Peng, Cui Gengshen, Ling Ming, Huang Tinghui, He Wen

(School of Computer Science and Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

The radar signal tracking control system is an important part of the airborne measurement and control system.In order to ensure that the antenna can be aligned with the aircraft in real time, and ensure the stability and real-time of the communication, a radar signal tracking control system based on STM32 is designed.The STM32F407IG control chip is used as the processor of the signal tracking control system.The desired control action is determined by processing the azimuth difference voltage ΔA signal and the pitch difference voltage ΔE signal from the four phase modulation receiver.In order to ensure the reliability of the azimuth difference voltage ΔA signal and the pitch difference voltage ΔE signal, the hardware and software filter are designed.PWM pulse function is used to control the stepper motor rotation, and the motor can be used to control the motor precision and speed.To improve the reliability and real-time performance of the differential voltage signal by using the high precision and high speed ADC.Real time feedback is used to form the closed loop control to ensure the reliability of motion.Through repeatedly debugging and testing of software and hardware, the receiver output voltage range difference ΔA and pitch difference voltage ΔE level remained at relatively low range, and communication is normal and stable for a long time.This proves that the radar signal tracking control system realizes the tracking control of the aircraft.

signal tracking control; STM32; difference voltage; PWM pulse; closed loop control

2017-02-01；

2017-02-27。

國家自然科學基金資助項目(61063040)；廣西可信軟件重點實驗室(桂林電子科技大學)開放課題資助項目。

尹 鵬(1990-)，男，山東濟南人，碩士生，主要從事嵌入式物在聯(lián)網(wǎng)中的應用。

1671-4598(2017)08-0112-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.029

TP273

A

崔更申(1970-)，男，廣西桂林人，博士，副教授，主要從事嵌入式及應用的研究。