【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）基于FPGA的雷達(dá)中心控制器的設(shè)計(jì)

基于 雷達(dá)中心控制器的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：邵志棟 班級(jí)： 080832 指導(dǎo)老師：柴明鋼 摘要： 對(duì)于現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控方面的要求越來(lái)越高，所以對(duì)計(jì)算機(jī)的要求越來(lái)越高，故此有必要在雷達(dá)和計(jì)算機(jī)之間加一個(gè)實(shí)時(shí)控制器。對(duì)計(jì)算機(jī)的要求越來(lái)越高的方面主要有兩個(gè)：一是雷達(dá)的周期越來(lái)越短，二是對(duì)雷達(dá)探測(cè)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。這兩個(gè)方面使得計(jì)算機(jī)的要求越來(lái)越高，計(jì)算機(jī)的壓力配置可能達(dá)不到數(shù)據(jù)處理的要求，即使達(dá)到成本也很高，故加中心控制器。其研究目的為了解決雷達(dá)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，在計(jì)算機(jī)與雷達(dá) 之間加一個(gè)雷達(dá)中心控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理及實(shí)時(shí)監(jiān)控。 實(shí)驗(yàn)方法是利用 程的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)中心控制器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)是對(duì)兩路模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理，首先是 波，再數(shù)據(jù)暫存及 路口通信，最終輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。由于 波對(duì)輸入不同的數(shù)據(jù)輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，結(jié)果也要按輸入而論。結(jié)論：實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速處理及對(duì)雷達(dá)單元及波形產(chǎn)生器的控制，完成雷達(dá)中心控制器的設(shè)計(jì)。 其中主要涉及的主要任務(wù)有： 1） 中心控制器的方案設(shè)計(jì)； 2） 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、 路口通信模塊的 編程 和設(shè)計(jì) 3） 中心控制器硬件電路的調(diào)試和測(cè)試 ; 實(shí)現(xiàn)的主要任務(wù) : 1） 對(duì)不同的雷達(dá)單元發(fā)送不同的指令，完成相應(yīng)的任務(wù)； 2） 模擬 雷達(dá)在特定的時(shí)間完成相應(yīng)的任務(wù)； 3） 模擬 操作人員對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)送指令，并使其響應(yīng)。 關(guān)鍵字： 波，中心控制器， 路口 指導(dǎo)老師簽名： 目錄 引言 . 1 1 中心控制器的設(shè)計(jì) . 1 體設(shè)計(jì) . 1 體設(shè)計(jì)的各小模塊 . 2 2 A/D 轉(zhuǎn)換器 . 3 3 波器 . 3 波器的原理 . 3 波器的實(shí)現(xiàn) . 3 理圖法設(shè)計(jì) 波器 . 3 程法 設(shè)計(jì) . 4 4 據(jù)緩存 . 7 據(jù)緩存的原理及設(shè)計(jì) . 7 據(jù)緩存的設(shè)計(jì) . 7 5 路口通信 . 8 路口通信的功能 . 9 路口通信的實(shí)現(xiàn) . 9 6 雷達(dá)單元模塊和波形產(chǎn)生器 . 12 達(dá)單元模塊和波形產(chǎn)生器的原理 . 12 7 總結(jié)及展望 . 15 8 參考文獻(xiàn) . 17 9 致謝 . 17 1 引言 :國(guó)內(nèi)外對(duì)雷達(dá)中心控制器這方面的研究還相對(duì)較少，這方面的相關(guān)的文章也相對(duì)較少，對(duì)此很有研究的價(jià)值。傳統(tǒng)雷達(dá)的中心控制器與數(shù)據(jù)處理設(shè)備一起，都由通用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。通用計(jì)算機(jī)與雷達(dá)系統(tǒng)各個(gè)單元硬件 (信號(hào)處理器、波形產(chǎn)生器等 )和其它外部設(shè)備 (如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等 )通過(guò)通用接口相連，它們之間要通過(guò)緩存器和數(shù)據(jù)總線。雷達(dá)操作人員工作通用計(jì)算機(jī)直接給雷達(dá)系統(tǒng)各單元發(fā)送指令，對(duì)雷達(dá)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。 現(xiàn)代雷達(dá)中，隨著近 距離精跟蹤和目標(biāo)截獲的需要，雷達(dá)的工作周期越來(lái)越短，周期內(nèi)要處理的數(shù)據(jù)流量越來(lái)越大，這對(duì)于既要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，又要進(jìn)行雷達(dá)工作的實(shí)時(shí)控制的計(jì)算機(jī)來(lái)講是很困難的。此外由于多種設(shè)備協(xié)調(diào)工作，雷達(dá)系統(tǒng)的時(shí)間校準(zhǔn)也是必不可少的，對(duì)于處理時(shí)間己經(jīng)十分緊張的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，更增加了很大負(fù)擔(dān)。因此非常有必要在數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)和雷達(dá)各分系統(tǒng)之間設(shè)計(jì)一個(gè)可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)。 目前雷達(dá)中心控制器的設(shè)計(jì)有使用單片機(jī)、 數(shù)電模電等元件構(gòu)成的，但是用 統(tǒng)的可靠性更高、功耗更低，更重要的應(yīng)用 有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。 其中關(guān)于 發(fā)展也是很快速，其主要的優(yōu)點(diǎn)決定了其發(fā)展前途 ,主要優(yōu)點(diǎn)有 僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、可靠性高等問(wèn)題，而且其開發(fā)周期短、開發(fā)軟件投入少、芯片價(jià)格不斷降低，促使 來(lái)越多地取代了別是對(duì)小批量、 多品種的產(chǎn)品需求，使 以選擇 主要工作有如下幾個(gè)方面： 1)根據(jù)項(xiàng)目的要求要對(duì)時(shí)序的嚴(yán)格要求，完成中心控制器的方案設(shè)計(jì)； 2)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、 信模塊的 編程和設(shè)計(jì) 3中心控制器硬件電路的調(diào)試和測(cè)試 ; 4)中心控制器聯(lián)合調(diào)試與測(cè)試 1 中心控制器的設(shè)計(jì) 體設(shè)計(jì) 中心控制器的設(shè)計(jì)：對(duì)中心控制器進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，畫出相應(yīng)的框圖，見 2 圖 心控制器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu) 體設(shè)計(jì)的 各 小模塊 其中中心控制器主要分幾大模塊設(shè)計(jì)： A/D 轉(zhuǎn)換器：對(duì) I/來(lái) I/Q 兩路 信號(hào)是兩路差拍模擬信號(hào)，據(jù)采樣率則為總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定 的 2用到的是 8位單片雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ； 波：對(duì)兩路 8 位數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波； 數(shù)據(jù)緩沖：對(duì)濾波后的兩路信號(hào)進(jìn)行緩存，采用 儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，再送給 鏈路口數(shù)據(jù)發(fā)送：緩存的數(shù)據(jù)進(jìn)入 成與 通信，同時(shí)要滿足通信的速度方面的數(shù)據(jù)要求； 雷達(dá)單元：對(duì)不同的雷達(dá)單元進(jìn)行控制，有相應(yīng)的響應(yīng)，完成相應(yīng)的任務(wù)； 波形產(chǎn)生器：產(chǎn)生不同的波形，與不同的數(shù)據(jù)采集有一定的時(shí)間關(guān)系。 中心控制：實(shí)現(xiàn)時(shí)間的嚴(yán)格控制，同時(shí)滿足操作人發(fā)出指令完成相應(yīng)的任務(wù)； 復(fù)位電路：對(duì)中心控制器 發(fā)出復(fù)位信號(hào)； 電源：對(duì)輸入電壓進(jìn)行濾波和穩(wěn)壓，提供中心控制器電路需要的 壓。 I 路模擬信號(hào) Q 路模擬信號(hào) 波器 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) A/D 轉(zhuǎn)化器 時(shí)鐘模塊 雷達(dá)單元 波 形產(chǎn) 生器 中心控制 時(shí)間基準(zhǔn) 顯示界面 顯示界面 緩沖器 采樣時(shí)間 采樣頻率 復(fù)位電 路 電源 3 2 A/D 轉(zhuǎn)換器 A/用 采樣時(shí)間長(zhǎng)度 12關(guān)于 位單片雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要由 2個(gè)跟蹤 /保持電路 (T/H)、 2個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (一個(gè) 基準(zhǔn)電源等組成，具有高速、高性能、低功耗及易使用等特性， 6020最大功率模擬帶寬使其在多路數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中表現(xiàn)出優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)性能。大部分情況下， 需要一個(gè)單極性的 5 這是主要關(guān)于 A/ 濾波器 目的 :對(duì)于理想的線性相位濾波器，濾波器輸出等于輸入在時(shí)間上的移位，可達(dá)到無(wú)失真?zhèn)鬏?波器相關(guān)的知識(shí)： 3 波器 波器的原理 數(shù)字濾波器通常都是應(yīng)用于修正或改變時(shí)域或頻域中信號(hào)的屬性。最為普通的數(shù)字濾波器就是線性時(shí)間不變量 (波器。 過(guò)一個(gè)稱為線性卷積的過(guò)程。表示為 y f x，其中 性卷積過(guò)程的正式定義如下： n x n f n x n f n k x n k f n （ 3 就是無(wú)限脈沖響應(yīng) (就是 大類。顧名思義， 上述卷積的數(shù)量降低到在每個(gè)采用時(shí)刻為有限個(gè)。而 波器需要執(zhí)行無(wú)限數(shù)量次卷積。研究數(shù)字濾波器的動(dòng)機(jī)就在于它們正日益成為一種主要的 字濾波器正在迅速的代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬濾波器，后者是利用 擬原型設(shè)計(jì)只能應(yīng)用在 波器的實(shí)現(xiàn) 理圖法設(shè)計(jì) 波器 其中我們要用到的是 線性相位濾波器，實(shí)現(xiàn)的方法主要有兩種方法：一是原 4 理圖法；二是編程法 :原理圖法：調(diào)用 加法器 乘法器 其中原理圖如圖 圖 波器原理圖 兩路數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)乘法器，再進(jìn)行擴(kuò)展 2位數(shù)據(jù)，這是為了防止數(shù)據(jù)溢出，在經(jīng)過(guò)加法器，截取累加和的高 8位，作為濾波器的最終結(jié)果。 程法 設(shè)計(jì) 波器 編程法：對(duì)濾波器進(jìn)行編程，完成實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。以下是?shí)驗(yàn)源程序： is is ) of ); (111111001,111111011,000001101); 5 is in in ); 6 ); F is is (4 ) of 7 ); 7 ); 16 ); 16 ); if 0 ); i i):=(0); 1 ()*); i i)+ i+1); )*); i 6 i+1):=i); ):=if 0 ) )程序分析及流程圖：當(dāng) 一置高電平，在 據(jù) q=a&；流程圖如圖 示： 14 圖 序流程圖 完成的功能仿真如圖 開始 初始化 s=0？ 111 0 0 0 0 0001 0100 0010 1000 結(jié)束 15 圖 形發(fā)生器仿真圖 如圖所說(shuō)，當(dāng) 0 時(shí)， 001；當(dāng) 1， 010；當(dāng) 0， 100；當(dāng) 11， 1000；主要是根據(jù)源程序得出相應(yīng)的結(jié)果，對(duì)應(yīng)仿真圖，驗(yàn)證源程序是否正確。 7 總結(jié)及展望 雷達(dá)控制器的實(shí)現(xiàn)，既可采用集成電路、單片機(jī)，也可使用 著 術(shù)的驚人發(fā)展， 僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問(wèn)題，而且其開發(fā)周期短、開發(fā)軟件投入少、芯片價(jià)格不斷降低。雷達(dá)生產(chǎn)批量相對(duì)較小，使用 外， 件的動(dòng)態(tài)范圍大，可滿足不同雷達(dá)的不同 設(shè)計(jì)需求， 可完成如數(shù)據(jù)預(yù)處理等其它工作。目前 靜態(tài)重構(gòu)技術(shù)，可在不改變硬件結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)的升級(jí)和重構(gòu)。隨著 壓、低功耗的方向挺進(jìn)，使用 綜上，完成的頂層原理圖如圖 據(jù)對(duì)不同模塊的設(shè)計(jì)，保證各個(gè)模塊的正確的情況下，再到生成各個(gè)模塊的原理圖，各個(gè)模塊的之間的聯(lián)系，用導(dǎo)線連接起來(lái)，要注意的是其中對(duì)軟件的正確使用，完成頂層原理的設(shè)計(jì)。 16 圖 層原理圖 完成的功能仿真如圖所示， 如圖 圖 層 設(shè)計(jì) 仿真 圖 以上 則 是對(duì)各個(gè)模塊及總體原理圖進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，在進(jìn)行搭載電源及復(fù)位電路，就構(gòu)成了整體的中心控制器的設(shè)計(jì)，同時(shí)過(guò)程中要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試和設(shè)計(jì)，使其滿足實(shí)驗(yàn)的功能。 功能仿真過(guò)程中，輸入兩路數(shù)據(jù) 0101111、 1110000，經(jīng)過(guò)波，得到兩路相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如圖所示，觀察其兩路數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的結(jié)果為1111011,10110000，如圖所示，其他的為不同的時(shí)間控制。 本文給出了應(yīng)用 列器件實(shí)現(xiàn)雷達(dá)中心控 制器的設(shè)計(jì)。在充分的了解列器件的特點(diǎn)和熟練的掌握 件的基礎(chǔ)上，用后將仿真結(jié)果與計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了比較。最 17 后的結(jié)果證明采用 列器件實(shí)現(xiàn)的雷達(dá)中心控制器的功能正確，同時(shí)采樣率能夠滿足一般應(yīng)用的要求。 8 參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn) 1袁俊泉，孫敏琪，曹瑞 字系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用 西安電子科技大學(xué)出版社， 2002 2張明友 成都 :電子科技大學(xué)出版社， 1990 3曾繁泰，陳美金 北京 :清華大學(xué)出版社， 2000 45E& 王慶 6楊振起，張永順，駱永軍 多 )基地雷達(dá)系統(tǒng) 國(guó)防工業(yè)出版社， 1998 7丁鷺飛 北京 :電子工業(yè)出版社， 1984 8王意青，張明友 成都 :電子科技大學(xué)出版， 1991 910樓順天，李博菌 西安 :西安電子科技大學(xué)出版社， 1999 11陳桂明，張明照，戚紅雨 北京 :科學(xué)出版社，2000 12王金明，楊吉斌 電子工業(yè)出版社， 2002 13黃正謹(jǐn)，徐堅(jiān)，章小麗，等 北京 :電子工業(yè)出版社， 2002 9 致謝 致謝 本文是在指導(dǎo)導(dǎo)師柴明鋼 老師的悉心指導(dǎo)下完成的。柴明鋼知識(shí)豐富，對(duì)人友善，有著寬廣的胸懷，更是個(gè)對(duì)學(xué)生嚴(yán)格要求，在他的影響下，使自己收獲良多。在論文工作