0 引言
在传统的雷达仿真训练系统中，通常以工控机作为硬件平台，在Windows操作系统下采用高级语言（VC++等）编程的方法实现目标信号的产生及PPI显示。该方法具有仿真逼真程度高及硬件通用性好等优点，但受平台影响，存在体积大、重量重、便携性差及系统组成复杂等不足。
本文介绍一种基于FPGA的雷达PPI显示设计及实现方法，能克服传统方法的不足。
1 雷达PPI显示原理
平面位置显示器(PPI)，属于径向圆扫描显示，采用长余辉电磁偏转阴极射线管或静电偏转示波管实现。PPI显示器的优点为目标数据直观，易于理解，通常用于搜索警戒和作战指挥。其显示效果如图1所示，图中扫描线的指向为雷达天线的方位，扫描中心点与回波信号间的长度代表目标的距离，回波的形状能够体现目标的回波特征[1]。
2 PPI显示研究与设计
2.1 PPI显示仿真原理
根据雷达的工作原理，在其探测到目标后，可从回波中提取目标的位置信息。在直角坐标系中，目标主要包括斜距（D）、水平距离（d）、高度（h）、方位角（β）及高低角（ε）等信息，如图2所示[2-3]。
由于雷达波以光速传播，目标斜距D与传播时间tr的关系如下：
目标水平距离d为：
设水平距离d在正北方位的投影为X0，则有：
设水平距离d在正西方位的投影为Y0，则有：
在LCD显示器中进行PPI仿真显示时，首先，根据式(1)求出斜距，再根据式(2)求出目标在以雷达为原点的投影。其次，如图2所示，假设以正北方位为X轴，以正西方位为Y轴，根据式(3)、式(4)可将目标三维坐标信息转换为以雷达为原点的二维坐标信息。最后，根据LCD显示器像素等比例缩放，设N个像素点表示水平距离d，比例因子为K，有：
根据上式，可将以雷达位置为坐标原点的目标平面位置参数（X，Y）转换为以LCD显示器平面左上角为原点的平面坐标位置参数（x，y），则：
仿真时，为了实现如图1所示的显示效果，通常将LCD显示器像素点（x0，y0）作为原点。由于LCD显示器原点为左上角，通过坐标平移来实现该效果，有：
2.2 PPI显示仿真系统设计
根据某型雷达仿真训练系统功能需求，并结合FPGA处理器硬件资源，采用自顶向下的设计方法开展系统顶层设计。PPI显示仿真系统顶层设计为：系统复位模块、目标初始参数ASCII码变换模块及直行航路参数计算模块等19个功能模块。如图3所示，系统通过串行通信接收初始参数，计算目标参数，并进行坐标变换；动态显示控制模块产生参数更新触发脉冲；参数更新控制模块将目标参数信息组合为通信报文，并产生参数发送触发脉冲；参数发送模块通过RS232总线发送报文数据，发送完毕后产生脉冲信号，参数更新控制模块等待下一个参数更新触发脉冲。由此，系统完成了PPI显示及目标参数信息更新功能[4-5]。
2.3 PPI显示的IP核设计
根据PPI显示仿真原理，结合系统逻辑框图开展IP核设计。IP核主要完成目标坐标参数转换，将信息转换为LCD显示器字库码，RS232通信及目标参数周期更新等功能。
2.3.1 目标坐标参数转换
根据PPI显示仿真原理，先计算目标的水平距离，再进行比例缩放换算为LCD坐标参数。根据LCD分辨率，将（300,300）设置为原点，根据式(7)、式(8)实现该功能。根据上述关系，目标飞行航路PPI显示的逻辑图设计如图4所示。
Derc为目标的方位角，D为斜距，H为高度，axisflag为目标位置寄存器。当初始水平距离大于飞行距离则axisflag为“1”，否则为“0”。目标坐标参数信息转换主要包括开方、乘法及除法等算术运算[6]，关键为方位角的转换及坐标平移的实现。采用数据流级建模实现方位角的转换，求出方位角的余角。方位角余角的正弦与水平距离的乘积则为目标的x坐标值。建模语句为：
assign DercMulti=(Derc>13'd3000)?(13'd6000-Derc):Derc;
assign TempDerc=(DercMulti>13'd1500)?(13'd3000-
DercMulti):DercMulti;
assign dercwire=13'd1500-TempDerc;
方位角正弦与水平距离的乘积则为目标的y坐标值。建模语句为：
assign Dercmulti=(Derc>13'd3000)?(13'd6000-Derc):Derc;
assign dercwire=(Dercmulti>13'd1500)?(13'd3000-
Dercmulti):Dercmulti;
对目标坐标（x，y）进行比例缩放后，得到其在LCD上的（X，Y）坐标值。采用数据流级建模完成X坐标的平移。当axisflag为1，且方位角大于1 500密位小于4 500密位时，或者当axisflag为0，且方位角小于1 500密位或大于4 500密位时， X取值为(11'd300-xasis)，否则为(11'd300+xasis)。建模语句为：
assign XaxisCode=(((axisflag==1'b1)&((Derc>13'd1500)& (Derc<13'd4500)))|((axisflag==1'b0)&((Derc<13'd1500)|(Derc>13'd4500))))?(11'd300-xasis):(11'd300+xasis);
在对Y坐标进行平移时，采用数据流级建模完成坐标平移。当axisflag为1，且目标方位小于3 000密位时，或者当axisflag为0，且目标方位角大于3 000密位时， Y取值为(11'd300-xasis)，否则为(11'd300+xasis)。建模语句为：
assign YaxisCode=(((axisflag==1'b1)&(Derc<13'd3000))|
((axisflag==1'b0)&(Derc>13'd3000)))(11'd300-yasis):(11'd300+yasis);
2.3.2 目标信息转换为LCD显示器字库码
航路目标参数主要包括速度、方位角、高低角、斜距、高度及水平距离等。在LCD显示器上显示时，需将数值转换为ASCII码值。其逻辑图如图5所示，采用除法运算求出各个位的数值。由于数字‘0’的ASCII值为0x30（48），数字加48得到其ASCII码值。
2.3.3 RS232通信及目标参数周期更新
航路目标PPI显示，由FPGA处理器通过RS232总线向LCD显示器发送报文实现。通信报文格式如表1所示，帧头长度为1 B，指令长度为1 B，指令参数最多可达1 018 B，帧尾长度为4 B。
根据仿真系统功能需求，LCD显示器中显示的内容主要包括扫描线、刻度、目标航迹及目标参数信息等，并周期性更新。FPGA控制单元与LCD显示器进行串行通信的流程图如图6所示。
图6所示的液晶屏显示子程序中包含动态显示控制、参数更新控制、参数发送3个核心功能模块。其状态图及流程图如图7所示。动态显示控制模块采用有限状态机方式实现，当F5downflag为高时，动态显示控制模块、参数更新控制模块及参数发送模块工作。其中，动态显示控制模块开始计时，并周期性产生scanflag脉冲；参数更新控制模块捕捉到scanflag脉冲后，将updateout置为高电平，并开始判断updateflag的状态；参数发送模块捕捉到updateout上升沿后，通过有限状态机方式选择目标参数报文，实现参数周期更新，发送完毕后将updateflag置为高电平；参数更新控制模块捕捉到updateflag上升沿后将updateout置为低电平，等待下一个scanflag信号。由此，完成了PPI显示及更新。当动态显示控制模块产生地scanflag脉冲周期小于参数发送模块完成发送产生地updateflag脉冲的周期时，可实现PPI参数的周期性实时更新。
3 仿真试验与性能测试
3.1 仿真试验
使用Verilog HDL完成各功能模块的IP核设计，部分功能模块的IP核仿真如图8～图10所示。
图8为将以雷达为原点的目标的x坐标值缩放并平移至为以LCD显示器(300，300)像素点为原点的X坐标值仿真试验结果，与计算结果一致。
图9为根据目标的实时斜距及高度计算目标的高低角，并将高低角转换为ASCII值仿真。仿真结果与理论计算结果一致。
由仿真结果可以看出，PPI显示IP核将目标状态参数周期性的组合为报文，并通过串口发送，从而实现了目标参数PPI显示及更新。
3.2 性能测试
将IP核下载至FPGA，控制LCD显示器进行PPI显示[7]，显示效果如图11所示，显示扫描线、目标的飞行轨迹及参数等信息，效果逼真。
4 结论
本文提出了一种基于FPGA的雷达PPI显示原理及实现方法，并应用于仿真训练装备。该方法继承了传统基于Windows系统PPI显示逼真度高等优点，并克服了其不足，成为某型雷达重要的仿真训练器材，受到了雷达部队官兵的好评。
参考文献
[1] 倪国旗.雷达模拟仿真训练原理及应用[M].北京：解放军出版社，2008.
[2] 丁鹭飞，耿富录，陈建春.雷达原理(第五版)[M].北京：电子工业出版社，2014.
[3] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程(第3版)[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.
[4] 王金明.数字系统设计与Verilog HDL(第4版)[M].北京：电子工业出版社，2011.
[5] 李如年，倪国旗.某型雷达系统仿真[J].火力与指挥控制，2008，33(3)：111-114.
[6] 陈国军，万明康，王大鸣，等.乘除法和开方运算的FPGA串行实现[J].微计算机信息(嵌入式与SOC)，2008，24(2-2)：167-168，192.
[7] Microsemi Corporation.ProASIC3 Flash family FPGAs datasheet[Z].USA：Microsemi Corporation,2014.
