基于STM32的雷达模拟训练装置设计与实现

（海军航空大学青岛校区 青岛 266041）

1 引言

XX雷达是海/空军航空兵实施飞机着陆引导的主要装备。现役雷达具有操作繁琐、原理复杂、体型较大、价格昂贵等特点，对雷达操纵员的业务训练历来是该装备管理的薄弱环节和难点问题。基于STM32等嵌入式系统开发雷达模拟训练装置，并有针对性开展装备操作、维护、测试和检修等技能训练，具有训练成本低、效率高、安全性高等优点，是促进雷达岗位人员生成装备保障能力的有效手段。

2 雷达模拟训练装置的总体设计

基于STM32开发板集成了雷达模拟训练装置（以下简称模拟装置），模拟实现了该型雷达的组成结构、通电检查、信号检测、故障排除等功能，其系统组成如图1所示。

图1 雷达模拟训练装置系统组成

依据雷达装备整机的实际组成，模拟装置包括控制机柜、收发机柜、操显机柜、领显机柜、雷达天线、电源控制箱。其中，机柜外观、机柜背部插座及其电缆、分机面板开关及其指示灯与雷达实装保持一致，控制机柜与雷达实装一致，天线使用旧型雷达天线，其他机柜各内部器件根据设计需求重新规划设计和精简，电缆内部信号根据模拟装置的控制逻辑需要重新定义了数据内容。模拟装置的核心控制机构由四块STM32开发板和一台计算机组成，其中STM32-1板用于读取雷达故障状态和分发雷达操作指令，STM32-2板用于产生测试孔波形，STM32-3板用于查询插座插针状态，STM32-4板用于模拟显示其波形功能。

3 装置的通电操作模拟

为了使模拟装置能够较为逼真地模拟出实际雷达装备操作控制、状态指示、显示画面等联合控制效果，模拟装置设计有模拟控制板STM32-1、波形产生板STM32-2和操显计算机，联合实现各机柜控制台控制操作、各分机的面板开关监控与响应、面板指示灯指示和分机内测试孔测试等功能。操作控制及其状态指示原理如图2所示。

图2 雷达控制及指示模拟原理图

模拟控制板STM32-1、波形产生板STM32-2控制程序设计功能如下：

1）用STM32-1的GPIO接口与各机柜控制台操控开关和分机面板开关、收发机柜和操显机柜各分机内器件故障拨码开关（器件故障拨码开关的通断分别表示器件的好坏两种状态）相连，并实时查询各开关状态；

2）STM32-1根据各开关状态以及雷达控制逻辑，控制装置模拟完成雷达开/关机、开/断发射、两路转换、天线主/辅助运动等操作控制功能，以及控制各分机前面板指示灯联动点亮或者熄灭；

3）STM32-1根据工作状态生成雷达状态数据包，通过RS232串口发送给操显计算机，以供操显计算机显示软件根据雷达控制逻辑响应和显示雷达状态；

4）波形产生板STM32-2通过RS232串口接收雷达状态数据包，并根据雷达控制逻辑通过时钟模拟产生雷达测试信号波形，并送至分机内各测试孔。

4 装置的显示界面模拟

模拟装置的操显计算机集成有雷达显示模拟软件，软件根据雷达真实界面用C++语言编译，完全还原雷达航向画面、下滑画面和微表区，能够根据雷达逻辑控制关系模拟实现雷达天线运动控制及其状态指示、目标跟踪及其状态指示、雷达参数装订、系统修正和状态选择等操控功能，逻辑描述如下：

1）操显计算机通过RS232串口与控制模拟板STM32-1连接，实时接收雷达器件故障拨码开关、各机柜控制台操纵开关等雷达状态，并在显示画面中根据雷达控制逻辑表征对应状态；

2）操作控制机柜控制台“对消”、“自适应”、“恒虚警”、“参差”等按键时，显示画面右侧微表区相应改变状态，同时左侧两显示画面则呈现相应算法处理后的目标回波动画；

3）操作微表区“参数装订”、“系统修正”、“状态选择”功能菜单时，可进入下一级操控界面，可对理想航迹线、等高线、保障机型等进行修订后，左侧两显示画面相应辅助线改变；

4）操显计算机通过USB口与键盘和鼠标相连，接收其动作指令并反映到显示软件中，如当操作键盘方向键“←”、“→”、“↑”、“↓”时，效能分别等同控制机柜控制台的“下滑左”、“下滑右”、“航向俯”、“航向仰”按钮，左侧两显示画面则以指向暗带变化反应雷达天线的辅助运动角度；

5）当鼠标指针处于目标回波中心且按下左键时，目标回波即被自动跟踪，并在右侧实时显示目标偏离理想航迹线的角度或者距离数值；

6）当鼠标指针移至下滑画面某一点时，右侧微表区实时显示该点的高度、距离数据。

5 装置的信号检测模拟

对于模拟装置而言，如果全部用真实信号进行装备仿真，其成本基本等同于实际装备，也就失去了研制意义。为此，模拟装置针对数量较少的分机测试孔级信号仍然使用了实际信号，而针对众多的插座插针级信号则使用三块STM32开发板联合实现了信号的模拟检测功能。插座插针级信号模拟检测原理如图3所示。

图3 插座插针级信号模拟检测原理图

模拟装置插座插针级信号模拟检测控制程序设计如下：

1）模拟控制板STM32-1实时读取、存储、分发模拟装置设置的各器件故障拨码开关的状态；

2）按下模拟检测板STM32-4功能按键“下载”时，STM32-4通过WIFI一次性从STM32-1读取器件故障状态；

3）STM32-4处于模拟检测待机时，利用“上选”、“下选”、“确认”按键选择检测插座；

4）插针查询板STM32-3利用GPIO接口与待检测插座插针连接，其查询程序等待并查询STM32-4模拟探头连接的插座插针序号，并把其查询结果利用CAN通信实时传送至STM32-4中；

5）STM32-4首先解析插针查询结果数据，然后根据插座插针各引脚的定义判断STM32-4模拟探头连接是否正确，如连接错误则在显示器显示“连接错误，请查阅插座及其插针功能定义并检查连接”，同时利用声光告警；

6）如连接正确，STM32-4则查询模拟装置器件故障状态，然后去SD卡的雷达信号波形图片库中读取对应插座和插针的故障或者是正常情况的信号波形图。

至此，雷达信号模拟检测系统就完成了一个插座一对插针的模拟检测流程，如果检测同一插座的其他插针，可利用模拟探头连续检测。如果需要测试其他插座的信号，则要按STM32-4上“下载””键退出当前测试，系统会自动进行程序初始化，并按上述流程重新选择插座和进行模拟测试。

6 装置的雷达故障模拟

依据实际雷达工作逻辑，模拟装置利用器件故障拨码开关配合上述雷达模拟操作、显示画面、信号检测程序，实现了雷达收发、显示、信处机柜及其分机内部主要器件故障设置及其现象模拟。体现在显示画面上的故障通过软件模拟产生故障画面，体现在机柜指示上的故障由软件通过计算机串口将指令发送给控制模拟板，控制模拟板根据指令控制各指示灯显示故障指示，并将波形产生板相关的指令转发至波形产生板，由波形产生板控制显示相关的故障指示。模拟装置可模拟实现的器件级故障及器件故障开关位置如表1所示。

表1 模拟装置可模拟的器件级故障

7 结语

经试用，基于STM32设计的雷达模拟训练装置具有技术门槛低、性价比高、系统简洁安全等优点，可在相关院校和部队相关岗位加以应用和推广，据此可开展雷达装备的操作、信号的寻迹、故障分析和定位等实践教学和训练科目，并有效缓解雷达装备稀少而影响教学质量的矛盾，有针对性地加强训练的强度和深度，有利于受训对象更好地理解和掌握雷达主要波形、关键信号节点和典型故障方面的知识，进而提高雷达综合保障能力。