0 引言

    船用雷達(dá)訓(xùn)練過程中采用的方法一般采用實裝訓(xùn)練、模擬器訓(xùn)練和半實裝訓(xùn)練。實裝訓(xùn)練雷達(dá)一般都安裝在實驗室樓頂上端^[1]，在周圍建筑物影響下，目標(biāo)回波與真實的海上回波差別很大，針對性不強，并且訓(xùn)練中雷達(dá)輻射大量的大功率電磁波，不僅形成資源浪費，且對人體有傷害。模擬器訓(xùn)練可以在不輻射電磁波的情況下較好地提供接近真實雷達(dá)的海上回波，但學(xué)生都是用鼠標(biāo)控制雷達(dá)的各種操作，與真實的操作面板差異很大，不利于學(xué)生的操作訓(xùn)練。半實裝訓(xùn)練是采用雷達(dá)顯示器真機和取代收發(fā)機的信號發(fā)生器相結(jié)合的方式，避免了天線輻射，但由于信號發(fā)生器存儲容量有限，只能存儲某一岸線和碼頭的回波，雷達(dá)回波單一^[2]，效果并不理想。鑒于以上存在的問題，本文提出一種新的船用雷達(dá)訓(xùn)練方式，用與真雷達(dá)一樣的操作面板去控制軟件雷達(dá)模擬器工作，完成雷達(dá)的各種功能訓(xùn)練。軟件模擬器技術(shù)比較成熟，使用中只要設(shè)計合適的接口即可，因此，本文的核心是設(shè)計一款控制軟件雷達(dá)模擬器的操作控制板，本板以單片機為核心，結(jié)合A/D采樣器，把按鍵、電位器等功能轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制代碼，通過USB接口與電腦交換數(shù)據(jù)。所以，控制板的硬件和軟件設(shè)計是重點工作。設(shè)計完成的控制板可實現(xiàn)絕大多數(shù)類型的船用雷達(dá)操作訓(xùn)練，實現(xiàn)模擬雷達(dá)的功能，提供接近真機的操作體驗，具有很好的便攜性，且升級方便。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

    模擬器控制板要能完成雷達(dá)操作所需的各種控鈕、按鍵及狀態(tài)顯示標(biāo)志，并要設(shè)計與計算機通信的硬件電路。

1.1 硬件框圖設(shè)計

    船用雷達(dá)模擬器控制框圖如圖1所示。電位器電路包括雨雪、海浪、增益和調(diào)諧等電路，由于電位器產(chǎn)生的是連續(xù)的模擬電壓信號，必須經(jīng)過A/D采樣后變換成數(shù)字信號，經(jīng)單片機送給PC完成對模擬器軟件的控制；按鍵電路是雷達(dá)相關(guān)功能的開關(guān)，使其工作在高低電平，完成相應(yīng)的工作，為了提高接口程序的穩(wěn)定性和降低程序的復(fù)雜度，通過與門電路設(shè)計使按鍵掃描工作在中斷方式；電源主要為單片機、電位器、門電路等各種芯片提供工作電源；晶振作為振蕩元件，給單片機和USB接口芯片提供合適的工作時鐘。

1.2 單片機硬件電路設(shè)計

    現(xiàn)在的雷達(dá)面板一般有12～21個按鍵、4～6個電位器。因此在對單片機選型時，首先考慮其管腳是否夠用和有無自帶A/D采樣器，其次考慮性價比，因此選取STC12C5A60S2 芯片。它是宏晶公司生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、2路PWM、8路高速10位A/D 轉(zhuǎn)換，這些特點保證了面板硬件電路簡單實用。其電路如圖2所示。

    單片機電路設(shè)計時，重點注意以下問題：(1)外部晶振頻率的選擇。為了使定時器T1的初值設(shè)置為整數(shù)，便于產(chǎn)生USB串口通信精確的波特率，這里選取的晶振頻率為11.059 2 MHz；(2)電源上必須設(shè)置一個開關(guān)，為單片機下載程序時使用，原因是STC12C5A60S2必須斷電后重新加電才能把程序下載到單片機內(nèi)部；(3)設(shè)置開機復(fù)位電路，由于單片機內(nèi)部的特殊功能寄存器控制各個功能部件正常工作，因此單片機工作時需要復(fù)位控制，并且只能從外部進(jìn)行^[3]；(4)注意把外部0中斷連接到與門終端，用于按鍵掃描控制。為了便于閱讀，本電路端口連接全部使用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號。

1.3 USB接口電路設(shè)計

    USB(Universal Serial Bus)是一種通用的串行總線技術(shù)，通過PCI總線和PC的內(nèi)部系統(tǒng)數(shù)據(jù)線連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送，具有即插即用功能，支持熱插拔^[4]。利用STC12C5A60S2上的串行通信引腳TXD和RXD，通過PL2303HX或CH340芯片來實現(xiàn)串口轉(zhuǎn)USB口的電路。考慮性價比及實用性，本文采用Prolific公司推出的串口轉(zhuǎn)USB接口的轉(zhuǎn)換芯片PL2303HX來實現(xiàn)單片機的串口轉(zhuǎn)USB接口的電路。USB接口電路如圖3所示。PL2303HX轉(zhuǎn)換電路并不復(fù)雜，外圍只需幾個電阻和電容就可實現(xiàn)單片機與接PC之間的通信。

    從圖3中看出，PL2303HX的TXD和RXD引腳分別與單片機的P3.0和P3.1連接，就可完成單片機串口與USB口的轉(zhuǎn)換，但是注意這兩根線一定要做成差分處理。PL2303HX外部12 MHz晶振為自己提供工作時鐘，外圍兩個電容為起振電容；為了防止信號在端口附近產(chǎn)生反射現(xiàn)象，在D-和D+兩個端口上分別接上一個阻值為27 Ω的終端匹配電阻，D+端接一個1.5 kΩ的上拉電阻，實現(xiàn)枚舉功能。此控制板采用USB直接供電，因此在USB供電輸出端需要C、C15兩個電容對電源濾波處理，發(fā)光二極管D2主要監(jiān)測USB供電是否正常。

1.4 按鍵及電位器電路設(shè)計

    按鍵電路的功能是按下相關(guān)鍵后控制PC上模擬器軟件執(zhí)行相應(yīng)的功能，如POWER鍵按下后，模擬器軟件開始執(zhí)行開機的工作，面板出現(xiàn)蜂鳴聲，屏幕上出現(xiàn)倒計時。因此，在鍵按下后，輸出一個低電平給單片機，單片機通過掃描確定POWER鍵按下，然后送給PC一個二進(jìn)制代碼，如FF0101AA。所以在設(shè)計硬件電路時，要用簡單實用的電路來實現(xiàn)需要的功能。按鍵電路如圖4所示，當(dāng)S1沒有按下時，POWER端通過上拉電阻接到電源，因此POWER端的電壓為高電平（+5 V），當(dāng)S1按下時，S1的“1”端和“4”端導(dǎo)通，POWER端接地，輸出為低電平；當(dāng)S1松開時，“1”和“4”端斷開，POWER端恢復(fù)為高電平。由于單片機采用中斷對按鍵處理，因此POWER端還要通過與門與單片機外部0中斷（INTN0）連接。

    電位器電路是控鈕電路，調(diào)整旋鈕產(chǎn)生連續(xù)模擬電壓信號去控制雷達(dá)功能的變化。由于單片機不識別模擬信號，因此需要把電壓信號進(jìn)行采樣控制，為了節(jié)省成本，采用了單片機自帶的A/D采樣器，因此，只需要把變化的電壓送到單片機的P0口就可以了。電路如圖5所示，由于模擬器軟件界面顯示變化一般可達(dá)十幾到幾十種，因此，設(shè)計給P0口模擬電壓的大小要按式(1)進(jìn)行計算：

式中，ADC_CONTR[7:0]代表采樣結(jié)果，V_in代表輸入電壓，V_cc指工作電壓，此處為5 V?？紤]到模擬軟件的升級，此處送給P0的電壓控制在0～2 V，即可較好地滿足需求。

    其他按鍵電路和電位器電路設(shè)計大致相同，這里就不再重復(fù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    面板要把針對面板的各種操作轉(zhuǎn)換為代碼去控制PC上模擬器軟件工作。因此，面板接口程序不僅要完成單片機與電腦之間的通信，還要完成按鍵掃描程序、ADC采樣等程序的設(shè)計。

2.1 按鍵程序設(shè)計

    獨立式按鍵性能穩(wěn)定，單片機上的可用I/O口足夠用，因此采用中斷方式的獨立式按鍵接口電路，任何一個按鍵按下時，都會觸發(fā)外部零中斷，由中斷入口處用一跳轉(zhuǎn)指令進(jìn)入按鍵查詢子程序，確定具體按鍵號，通過USB串口送代碼給PC。

    開始階段要設(shè)置具體的起始地址、中斷入口地址和各種寄存器的初始狀態(tài)，然后等待中斷，中斷到來后執(zhí)行查詢和數(shù)據(jù)傳遞等功能，程序流程如圖6所示。

    面板按鍵是機械觸點按鍵，在觸點的閉合和斷開瞬間會出現(xiàn)抖動，從而使電信號出現(xiàn)抖動，這可能會導(dǎo)致系統(tǒng)多次執(zhí)行中斷程序，因此按鍵需要消抖處理，按鍵抖動的時間長短與開關(guān)的機械特性有關(guān)，一般為5～10 ms^[5]。程序設(shè)計時要做2次消抖處理：一是按鍵閉合消抖，當(dāng)查詢某一按鍵按下時，延時10 ms后，檢查信號是否為低電平，如果為低電平，送32位數(shù)給PC，否則重新掃描；二是按鍵松開消抖，方法同按鍵閉合消抖處理一樣，這里就不再重復(fù)。當(dāng)POWER鍵按下時傳送給PC的數(shù)據(jù)就是FF3101AAH，F(xiàn)F表示單片機過來的是有效數(shù)據(jù)，31表示執(zhí)行的是開關(guān)機功能，01無具體意義，AA代表有效數(shù)據(jù)結(jié)束。其他按鍵按下時傳遞的數(shù)據(jù)都是32位，只是中間的功能代表值有差異。

2.2 ADC采樣程序設(shè)計

    利用STC12C5A60S2單片機自帶的采樣速度可達(dá)250 kHz的8路A/D轉(zhuǎn)換器，能方便地把模擬電壓信號進(jìn)行量化，由于只有4個電位器，所以只用了P1.0～P1.3口。在程序設(shè)計時需注意以下幾個問題：一是要用STC單片機擴展的特殊功能寄存器，需要先聲明特殊功能寄存器的地址，如ADC控制寄存器聲明方式：ADC_CONTR  EQU 0BCH；二是要按照STC技術(shù)手冊的要求，打開外部模擬通道P1.0～P1.3口，設(shè)置ADC_CONTR寄存器，適當(dāng)延時，等內(nèi)部電源穩(wěn)定再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC中斷轉(zhuǎn)換軟件程序流程圖如圖7所示。

    控制板工作時，ADC每次采樣傳送到PC的數(shù)據(jù)也是32位，如TUNING電位器傳送的數(shù)據(jù)可能是FF0040AAH，F(xiàn)F和AA代表的數(shù)據(jù)和上述相同，00代表的是模擬通道P1.0，40代表的P1.0通道模擬電壓信號的采樣值。

2.3 USB串口通信程序設(shè)計

    串口通信主要包括USB串口驅(qū)動程序、串口通信及波特率初始化和發(fā)送數(shù)據(jù)子程序。USB串口驅(qū)動子程序可從Prolific公司網(wǎng)站下載，安裝后直接使用，當(dāng)單片機系統(tǒng)與PC主機系統(tǒng)通過USB通信線連接起來后，PC將這個USB接口看成是一個COM口(RS232全雙工異步串行通信接口)，此端口號是PC自動分派的，不是每臺都一樣，使用時記住串口號即可。

    串口通信采用串行口工作方式1的發(fā)送接收方式，通信雙方不需要時鐘同步，發(fā)送方和接收方都有自己的移位脈沖，通過設(shè)置共同的波特率來實現(xiàn)同步。具體步驟為：(1)初始化串口，設(shè)置SCON以及PCON寄存器；(2)初始化寄存器，設(shè)置波特率。匯編程序子程序如下所示。

    INIT_UART：MOV TMOD,  #20H；設(shè)置定時器/計數(shù)器1，工作于模式2

        MOV  TH1, #0FAH

        MOV  TL1, #0FAH；波特率4 800 b/s

        SETB  TR1； 啟動定時器/計數(shù)器1

        MOV  PCON, #0；設(shè)SMOD為0

        MOV  SCON, #40H；設(shè)置串行通信工作于方式1，不允許接收

        RET

    此程序可根據(jù)實際需求，重置TH1和TL1的數(shù)值更新波特率大小。傳送數(shù)據(jù)子程序設(shè)計流程為：(1)將發(fā)送的數(shù)據(jù)送入串口緩沖寄存器；(2)硬件自動發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后，TI置1；(3)軟件對TI進(jìn)行清零，以發(fā)送下一數(shù)據(jù)。具體程序如下所示：

    SEND_DATA: MOV  SBUF,  A；送A的值到SBUF

        JNB  TI,  $；等數(shù)據(jù)傳送

        CLR  TI；置TI為零

        RET

3 實驗結(jié)果

    將制作好的控制板通過串口與電腦進(jìn)行連接，設(shè)置好波特率，通過串口軟件查看按鍵和電位器傳遞的數(shù)據(jù)，結(jié)果與設(shè)計結(jié)果完全一致，證明了設(shè)計的正確性。圖8是通過增益電位器控制雷達(dá)屏幕的顯示，很好地控制了軟件模擬器的工作，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)語

    通過單片機將雷達(dá)面板上的各種模擬操作轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼去控制軟件模擬器工作，具有靈活性大、逼真度高的特點。根據(jù)船用導(dǎo)航雷達(dá)操作控制板的特點，本文設(shè)計出了基于STC12C5A60S2單片機的船用雷達(dá)操作控制板，并對硬件和軟件設(shè)計進(jìn)行了詳盡的介紹。本板經(jīng)測試表明性能穩(wěn)定，現(xiàn)已在某一軍用雷達(dá)模擬訓(xùn)練器上投入使用，效果良好。

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作者信息:

楊  建

（解放軍鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003）