摘 要： 介紹了一種雷達模擬器的硬件研制方案，該方案以STC的單片機為核心，使用A/D轉換采集電位器電壓的方式，模擬TUNE、GAIN等旋鈕的數值；通過旋轉編碼器模擬EBL、VRM的數值，利用RS-485總線實現數據的傳輸，并在PC機顯示。該方案的研制對其他模擬器的開發及大型船舶操縱模擬器的研制具有廣泛的參考價值。
關鍵詞： 單片機；雷達模擬器；RS-485
隨著雷達技術的發展，自動雷達標繪儀ARPA(Automatic Radar Plotting Aid)，由于可以直接顯示目標船的多方面信息，因而得到了廣泛的應用。特別是在航海船員培訓中，雷達模擬器發揮了重要的作用，是培訓中不可或缺的重要組成部分。雷達模擬器主要是利用計算機仿真技術，模擬在能見度不良的情況下船舶的操縱和避碰，使學員應對復雜海況，做出正確的判斷。為此，國際海事組織(IMO)將雷達與ARPA培訓作為船舶駕駛員必須參加的強制性專業培訓項目。由此可見，雷達模擬器的研究和開發具有重要意義[1]。
本文提出了一種以單片機為核心的雷達模擬器的硬件研制方案。該方案以STC的單片機為核心，使用A/D轉換采集電位器電壓的方式，模擬TUNE、GAIN等旋鈕的數值；通過旋轉編碼器模擬EBL、VRM的數值，采用適合遠距離傳輸的RS-485通信方式進行數據的傳輸，并最終在PC機顯示出來。本方案對其他模擬器的開發及大型船舶操縱模擬器的研制具有廣泛的參考價值。
1 硬件設計[2]
本雷達模擬器硬件總體設計框圖如圖1所示。
STC12C5A60S2是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期為1 T、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8051，但速度比傳統8051快8~12倍。STC12C5A60S2內部集成了MAX810專用復位電路、2路PWM、8路高速A/D轉換(250 KB/s)，是本雷達模擬器的控制核心。
本雷達模擬器使用5個電位器，其中4個電位器分別接到單片機的P1.4~P1.7口，實現雷達模擬器相應功能的調節及控制。1個電位器用來調節整個雷達模擬器控制面板背景燈的亮度。
該雷達模擬器使用2個旋轉編碼器，其A、B端分別接到單片機的中斷口和一個普通I/O口。接C1、C5電容的作用是為了濾波，防止雜波干擾影響編碼器的使用。旋轉編碼器部分的原理圖如圖2所示。
4×4矩陣鍵盤的識別是將矩陣鍵盤的8根線連接到單片機的某一組I/O口上，在本模擬器中選用的是單片機的P0.2口。通過對單片機的控制就可以檢測出矩陣鍵盤的按鍵情況。矩陣鍵盤的接線如圖3所示。
PC機與單片機之間的通信方式有并行和串行兩種。串口通信就是串口按bit發送和接收字節。在串口通信中，RS-232只適合于傳輸距離不太遠的場合。為了解決這個問題，本雷達模擬器采用的是RS-485總線方式通信。RS-485通信可大大提高通信的可靠性和傳輸距離[3]。
整個雷達模擬器由電源、單片機最小系統、電位器、旋轉編碼器、矩陣鍵盤、串口通信等主要部分組成，其原理圖如圖4所示。本雷達模擬器作為大型船舶操縱模擬器的一個部分。
2 軟件設計[4]
STC系列單片機沿用的是51單片機的內核，故其程序可用C語言編寫。首先，對單片機的全部參數進行初始化。給P2賦值0xfe，也就是P2.0為低電平，其他為高電平，這時如果P2.4、P2.5、P2.6、P2.7有按鍵按下時就會出現低電平，從而可判斷哪個按鍵按下；然后分別依次將P2.1、P2.2、P2.3設置為低電平，以相同方法判斷是否有按鍵按下。經過4次檢測之后，將鍵盤的按鍵情況進行保存。
開始判斷電位器1是否有轉動，如果沒有，直接進入判斷電位器2的狀態；如果有，則利用該STC單片機P1口自帶的A/D轉換功能，將電位器1的電壓值進行模數轉換，再將轉換后的數值傳送到單片機。為了模擬TUNE、GAIN等旋鈕的功能，可將電位器的變化范圍分為16個檔位。同時為了避免由于電壓的不穩定導致檔位交界處的頻繁變化，需要在檔位交界處設置一定的空位。單片機根據轉換后的數值判斷好電位器的檔位以后，再將檔位的信息保存到單片機。按照判斷電位器1是否有轉動的方法依次判斷電位器2、3、4的狀態，并且將這些信息存入單片機。
旋轉編碼器有一個中心有軸的光電碼盤，其上有環形通、暗的刻線，由光電發射和接收器件讀取，獲得的4組正弦波信號組合成A、B、C、D信號，每個正弦波相差90°相位差(相對于一個周波為360°)，將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩定信號。每轉輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90°，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉與反轉，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。
在整個程序執行過程中，一旦旋轉編碼器有轉動，單片機將會自動進入中斷，處理該中斷響應。首先判斷兩個旋轉編碼器中哪一個發生了旋轉，然后再判斷這個旋轉編碼器是正轉還是反轉，并將結果進行存儲。中斷響應結束，則退出中斷，從原來斷點處繼續執行剩余的程序。中斷服務子程序流程如圖5所示。
最后，將程序運行之后的結果以協議規定的相應格式保存好。利用RS-485將保存好的數據傳送給上位機，以此循環。其主程序流程如圖6所示。
本文介紹的基于RS-485總線的雷達模擬器既可以滿足遠距離傳輸的需要，同時又可以實現多路共用，所以既可以單獨使用，也可以作為大型船舶操縱模擬器的一個模塊使用[5]。該雷達模擬器的硬件研制方案對其他模擬器的開發及大型船舶操縱模擬器的研制具有廣泛的參考價值。
參考文獻
[1] 靳玉杰.雷達模擬器中的單片機應用[D].武漢：武漢理工大學，2004.
[2] 王逢僅.大型船舶操縱模擬器控制臺的結構與設計[D].大連：大連海事大學，2003.
[3] 鄭敏杰，楊神化.基于RS-485總線的紅外報警器設計[J].信息化縱橫，2009(8)：27-34.
[4] 張毅剛，彭喜源.MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2001.
[5] 胡瑋，魏偉.RS232與RS485串行接口轉換電路及其編程實現[J].實驗科學與技術，2010(2)：69-71.