專(zhuān)利名稱(chēng)：一種脈沖計(jì)數(shù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種脈沖計(jì)數(shù)方法，更確切的說(shuō)涉及一種可以取代現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)字信息處理方法。屬于調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)處理部分，多采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用DSP進(jìn)行軟件編程，運(yùn)用某些復(fù)雜的算法，根據(jù)雷達(dá)回波信息，得到所需的結(jié)果。在現(xiàn)有的防碰撞雷達(dá)系統(tǒng)中，利用DSP獲得被測(cè)目標(biāo)的距離。由于DSP本身實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，必然造成成本過(guò)高，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性不夠等一系列不足。在實(shí)際應(yīng)用和生產(chǎn)當(dāng)中難以推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種脈沖計(jì)數(shù)方法，它能成功克服DSP處理機(jī)的不足，實(shí)現(xiàn)方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重復(fù)性和移植性好，而成本相對(duì)于DSP大大降低。因而，更適合實(shí)際應(yīng)用和生產(chǎn)。
本發(fā)明的目的是通過(guò)下述如圖1所示的基本原理實(shí)施的從前端混頻器輸出的差頻信號(hào)(類(lèi)正弦信號(hào))送入中頻電路的放大部分，經(jīng)放大的信號(hào)到比較器，比較器輸出的正負(fù)脈沖信號(hào)，(該脈沖為方波信號(hào)，但不能作為邏輯電平使用)經(jīng)鉗位電路鉗位在0到5伏(此時(shí)信號(hào)為方波信號(hào)，且可以用作邏輯電平)，該脈沖被同步后，送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器(十進(jìn)制)由系統(tǒng)脈沖產(chǎn)生器控制，定時(shí)清零，輸出計(jì)數(shù)值到鎖存器，并由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)到顯示電路顯示輸出。
本發(fā)明的關(guān)鍵是比較器、計(jì)數(shù)器及鎖存器和系統(tǒng)脈沖產(chǎn)生器的實(shí)現(xiàn)。比較器的作用是把類(lèi)正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波。計(jì)數(shù)器及鎖存器和系統(tǒng)脈沖產(chǎn)生器是本設(shè)計(jì)的核心。其基本工作流程是4MHz的晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘，它同時(shí)作為整形電路、鎖存器、延時(shí)器、系統(tǒng)脈沖產(chǎn)生器的時(shí)鐘信號(hào)。開(kāi)始工作時(shí)，根據(jù)實(shí)際標(biāo)定結(jié)果，確定1米距離對(duì)應(yīng)的頻率，并將該頻率換算為周期，撥碼輸入即為100倍的周期對(duì)應(yīng)的BCD(二-十進(jìn)制碼)碼。當(dāng)然，其他頻率的晶振也可以，它和系統(tǒng)回波信號(hào)，即零拍差混頻信號(hào)的頻率高低有關(guān)，回波信號(hào)的頻率高則晶振頻率也相對(duì)要高，回波信號(hào)頻率低則晶振頻率也相對(duì)低，這里的4MHz的晶振對(duì)應(yīng)回波信號(hào)最高頻率為1MHz，4MHz信號(hào)作為系統(tǒng)脈沖產(chǎn)生器的計(jì)數(shù)輸入，該計(jì)數(shù)器數(shù)值與撥碼開(kāi)關(guān)輸入值相比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器值大于撥碼輸入值時(shí)，比較器輸出高電平，此高電平作為系統(tǒng)脈沖產(chǎn)生器的同步清零信號(hào)和鎖存器的鎖存允許信號(hào)，并經(jīng)過(guò)2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的延時(shí)后，作為脈沖計(jì)數(shù)器的異步清零信號(hào)。此時(shí)脈沖計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值被鎖存，然后清零，開(kāi)始下一周期的計(jì)數(shù)。鎖存的計(jì)數(shù)值經(jīng)過(guò)七段譯碼電路后，輸出到驅(qū)動(dòng)電路，并送數(shù)碼管顯示。
在本項(xiàng)發(fā)明中，最重要的設(shè)計(jì)思想有三點(diǎn)1)撥碼開(kāi)關(guān)的使用，可根據(jù)不同的系統(tǒng)，靈活設(shè)定撥碼輸入值，大大增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性和該方法的可移植性。從而避免了系統(tǒng)參數(shù)改變，整個(gè)程序要跟著改寫(xiě)，而復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)也要重新燒錄的煩瑣。這對(duì)簡(jiǎn)化電路和對(duì)CPLD性能的保護(hù)都起著積極的作用。2)撥碼數(shù)值的悉心選取和顯示電路部分的小數(shù)點(diǎn)位置的巧妙設(shè)計(jì)。按照本設(shè)計(jì)，可以很方便的直接將脈沖計(jì)數(shù)器值送到顯示電路，得到距離值，而不是按照傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算和查表的方法實(shí)現(xiàn)。假設(shè)雷達(dá)系統(tǒng)一米處回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率為4KHz，先求出其周期，再乘以100，得25ms，把對(duì)應(yīng)的BCD碼(0010 0101.0000 0000)作為撥碼開(kāi)關(guān)輸入，事實(shí)上，這時(shí)的系統(tǒng)脈沖產(chǎn)生器的計(jì)時(shí)時(shí)間就是25ms，脈沖計(jì)數(shù)器就是在25ms時(shí)間內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后把計(jì)數(shù)值送到鎖存器，假如這時(shí)回波信號(hào)就為4KHz，則很容易得出，脈沖計(jì)數(shù)器在25ms時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)100個(gè)脈沖，脈沖計(jì)數(shù)器采用5位的10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，此時(shí)計(jì)數(shù)器輸出為0000 0000 0001 0000 0000，在進(jìn)行譯碼時(shí)舍棄最后一位，即取高4位0000 0000 0001 0000，并在顯示時(shí)把小數(shù)點(diǎn)取在第三位后，即0000 0000 0001.0000，如圖2，這時(shí)，數(shù)碼管上顯示即為1米?？梢钥闯觯谡麄€(gè)計(jì)數(shù)和顯示過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行任何計(jì)算或查表等操作，這在很大程度上簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，大大縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。3)純硬件設(shè)計(jì)使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，從根本上擺脫軟件的不穩(wěn)定、算法的復(fù)雜性和響應(yīng)速率較慢的制約。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，各部分電路技術(shù)要求和工聯(lián)關(guān)系如下1)放大電路放大電路的基本作用有兩個(gè)把大動(dòng)態(tài)范圍的雷達(dá)回波信號(hào)放大到后繼比較電路所需門(mén)限電平，回波信號(hào)幅度與目標(biāo)距離的二次方成反比。如果探測(cè)距離為1～100米，則回波幅度動(dòng)態(tài)范圍為10000倍，80dB。放大電路需要把在探測(cè)范圍內(nèi)的信號(hào)都放大到后繼比較電路要求的電平。實(shí)現(xiàn)方法可采用低噪聲前置放大器與自動(dòng)增益控制放大器級(jí)聯(lián)或頻域動(dòng)態(tài)壓縮法。低噪聲前置放大器可以采用分離元件，如三極管，或用運(yùn)算放大器，如MAX4106等來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2)比較器及鉗位電路比較器是把放大輸出的類(lèi)正弦波轉(zhuǎn)換成方波。方波高電平為5V，鉗位電路的作用是，把比較器產(chǎn)生的方波鉗位在0～5V，作為數(shù)字邏輯電平。如果比較器輸出為0～5V，則鉗位電路可省略。
比較器可用斯密特觸發(fā)器或244驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，這里不用傳統(tǒng)的555正弦-方波轉(zhuǎn)換電路和運(yùn)放構(gòu)成的比較器。由于器件的性能影響，斯密特觸發(fā)器適用于回波信號(hào)頻率不超過(guò)500KHz的情況，而244驅(qū)動(dòng)器適用頻帶較寬，可到MHz數(shù)量級(jí)。
3)顯示電路顯示電路采用七段數(shù)碼管顯示，由七段譯碼器輸出的信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后，再進(jìn)行顯示。七段譯碼器在CPLD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖2。
理論上，不管目標(biāo)距離多遠(yuǎn)，只要放大器可把回波信號(hào)放大到比較器所需電平，本發(fā)明就可以探測(cè)到該距離處的目標(biāo)。事實(shí)上，由于器件性能和射頻部分的限制，有一定的距離探測(cè)范圍，并且具體的探測(cè)范圍和具體的雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)。
本項(xiàng)發(fā)明和已有技術(shù)相比，具有十分明顯的優(yōu)點(diǎn)
a.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)方便基于CPLD的外圍電路十分簡(jiǎn)單，就決定了該發(fā)明的簡(jiǎn)潔。并且，在本發(fā)明中，所有的數(shù)字電路部分都可在CPLD內(nèi)實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了電路PCB版圖設(shè)計(jì)，純硬件設(shè)計(jì)使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，且容易實(shí)現(xiàn)。
b.便于整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的集成本發(fā)明把所有的數(shù)字部分集成在一片芯片內(nèi)，而模擬部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使得整個(gè)信號(hào)處理部分可在九分之一的DSP板子上完全實(shí)現(xiàn)，使得整個(gè)系統(tǒng)體積大大縮小，便于整個(gè)系統(tǒng)的集成。
c.精度高DSP處理模擬信號(hào)時(shí)，需要先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，這存在著采樣誤差和量化誤差，而且，這兩種誤差是不可避免的。另外，處理時(shí)軟件編程所不可避免的數(shù)字精度誤差，也會(huì)使得整個(gè)處理機(jī)精度受到影響，有時(shí)還會(huì)造成輸出結(jié)果的錯(cuò)誤。用脈沖計(jì)數(shù)法，不需要A/D轉(zhuǎn)換，而是根據(jù)所接收到的原始信息，進(jìn)行純硬件處理，從而使得處理精度大大提高?，F(xiàn)有的DSP處理機(jī)誤差為±0.15米。而用脈沖計(jì)數(shù)法處理的精度可高達(dá)0.000208米。精度大大提高。
d.穩(wěn)定性好脈沖計(jì)數(shù)法的運(yùn)用從根本上擺脫軟件的不穩(wěn)定、算法的復(fù)雜性和響應(yīng)速率較慢的制約，純硬件的實(shí)現(xiàn)，不存在邏輯錯(cuò)誤。
e.移植性好DSP處理機(jī)對(duì)每個(gè)不同的系統(tǒng)，都要進(jìn)行軟件上的改動(dòng)，對(duì)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的依賴(lài)性強(qiáng)。而脈沖計(jì)數(shù)法，在設(shè)計(jì)完成后，對(duì)不同系統(tǒng)，只需手工設(shè)置撥碼輸入，不依賴(lài)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。
f.易于擴(kuò)展CPLD的可在線(xiàn)修改，使得該設(shè)計(jì)可根據(jù)系統(tǒng)不同的需要，隨意擴(kuò)展處理功能。例如，可增加報(bào)警輸出、數(shù)據(jù)串口(并口)傳輸?shù)裙δ堋?br> g.較高的性?xún)r(jià)比脈沖計(jì)數(shù)法，大大降低了成本，可使成本降低十幾倍，并且該方法性能較好，使得整個(gè)設(shè)計(jì)具有較高的性?xún)r(jià)比。


圖1是本發(fā)明提供的脈沖計(jì)數(shù)法的基本原理框圖。
圖2是對(duì)應(yīng)圖1的方框部分邏輯實(shí)現(xiàn)原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。
實(shí)施例1假設(shè)一雷達(dá)一米處對(duì)應(yīng)的頻率為5KHz，則先求出其倒數(shù)T＝0.0002，再乘以100，得T100＝0.02秒，即20毫秒，對(duì)應(yīng)的BCD碼為0010 0000.0000 0000(精確到0.01毫秒)將此值通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)輸入，作為計(jì)數(shù)時(shí)間門(mén)限，系統(tǒng)脈沖產(chǎn)生器計(jì)數(shù)值與輸入的撥碼開(kāi)關(guān)值相比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器值大于撥碼輸入值時(shí)，比較器輸出高電平，此高電平作為系統(tǒng)脈沖產(chǎn)生器的同步清零信號(hào)、鎖存器的鎖存允許信號(hào)，并經(jīng)過(guò)2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的延時(shí)后，作為脈沖計(jì)數(shù)器的異步清零信號(hào)。脈沖計(jì)數(shù)器用零拍差方波信號(hào)作為輸入，記錄此方波的個(gè)數(shù)，當(dāng)鎖存器接收到鎖存允許信號(hào)時(shí)，將脈沖計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值鎖存。脈沖計(jì)數(shù)器接收到異步清零信號(hào)時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)器清零，開(kāi)始下一周期的計(jì)數(shù)。鎖存的計(jì)數(shù)值經(jīng)過(guò)七段譯碼電路后，輸出到驅(qū)動(dòng)電路，并送數(shù)碼管顯示。假如，此時(shí)回波信號(hào)頻率為48.3KHz，則通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)法處理后，在數(shù)碼管上顯示為9.7米(根據(jù)實(shí)際情況，在顯示時(shí)只取到小數(shù)點(diǎn)后1位)。如果回波信號(hào)頻率為489.6KHz，則數(shù)碼管顯示為97.9米。事實(shí)上，對(duì)于使用者而言，需要做的僅僅是根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)要求設(shè)置撥碼開(kāi)關(guān)的輸入。其他的工作完全由脈沖計(jì)數(shù)自動(dòng)完成。使用簡(jiǎn)單方便。
實(shí)施例2如果雷達(dá)一米對(duì)應(yīng)頻率為7.2KHz，則T100＝13.89毫秒，對(duì)應(yīng)BCD碼為0001 0011.1000 1001，則只需將撥碼開(kāi)關(guān)的值手工設(shè)置成該值即可。實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便。其余同實(shí)施例1。
權(quán)利要求
1.一種脈沖計(jì)數(shù)方法，其特征在于(1)從混頻器輸出的差頻類(lèi)正弦信號(hào)送入中頻電路的放大部分，經(jīng)放大的信號(hào)到比較器，比較器輸出的正負(fù)脈沖方波信號(hào)經(jīng)鉗位電路鉗位在0到5伏，作為數(shù)字邏輯電平，該脈沖被同步后，送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)；(2)十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器由系統(tǒng)脈沖產(chǎn)生器控制，定時(shí)清零，輸出數(shù)值到鎖存器，并由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)到顯示電路顯示輸出，是一種利用純硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的脈沖計(jì)數(shù)法。
2.按權(quán)利要求1所述的脈沖計(jì)數(shù)方法，其特征在于所述的系統(tǒng)脈沖產(chǎn)生器是以4MHZ信號(hào)作為計(jì)數(shù)輸入，將該計(jì)數(shù)器數(shù)值與撥碼開(kāi)關(guān)輸入值相比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器值大于撥碼輸入值時(shí)，比較器輸出高電平，此高電平作為系統(tǒng)脈沖產(chǎn)生器的同步清零信號(hào)和鎖存器的鎖存允許信號(hào)，并經(jīng)2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的延時(shí)后，作為脈沖計(jì)數(shù)器的異步清零信號(hào)，此時(shí)脈沖計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)值被鎖存，然后清零，開(kāi)始下一周期的計(jì)數(shù)。
3.按權(quán)利要求1或2所述的脈沖計(jì)數(shù)方法，其特征在于所述的脈沖計(jì)數(shù)器采用5位的十進(jìn)制，在進(jìn)行譯碼時(shí)舍棄最后一位，取高4位，并在顯示時(shí)把小數(shù)點(diǎn)取在第三位后，可以方便地直接將脈沖計(jì)數(shù)器值送到顯示電路，得到距離值。
4.按權(quán)利要求1所述的脈沖計(jì)數(shù)方法，其特征在于所述的鎖存器鎖存的數(shù)值經(jīng)過(guò)七段譯碼電路后，輸出到驅(qū)動(dòng)電路，并送達(dá)數(shù)碼管顯示。
5.按權(quán)利要求1所述的脈沖計(jì)數(shù)方法，其特征在于所述的放大電路把在探測(cè)范圍內(nèi)的信號(hào)放大到后繼比較電路要求的電平，實(shí)現(xiàn)的方法是采用低噪聲前置放大器與增益控制放大器級(jí)聯(lián)式頻域動(dòng)態(tài)壓縮法。
6.按權(quán)利要求5所述的脈沖計(jì)數(shù)方法，其特征在于所述的低噪聲前置放大器采用分離元件，如三極管或運(yùn)算放大器如MA×4106。
7.按權(quán)利要求1所述的脈沖計(jì)數(shù)方法，其特征在于所述的比較器若輸出為0～5V，則鉗位電位可省略。
8.按權(quán)利要求1所述的脈沖計(jì)數(shù)方法，其特征在于所述的比較器在回波信號(hào)頻率不超過(guò)500KHZ下用斯密特觸發(fā)器；超過(guò)時(shí)用244驅(qū)動(dòng)器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種脈沖計(jì)數(shù)方法,它可取代現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)字信息處理方法,屬于調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。從前端混頻器輸出的差頻信號(hào)送入中頻電路的放大部分,經(jīng)放大到比較器,比較器輸出的正負(fù)脈沖信號(hào),經(jīng)鉗位電路鉗位在0到5伏(方波信號(hào)),該脈沖被同步后,送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器(十進(jìn)制)由系統(tǒng)脈沖產(chǎn)生器控制,定時(shí)清零,輸出計(jì)數(shù)值到鎖存器,并由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)到顯示電路顯示輸出。關(guān)鍵是比較器、計(jì)數(shù)器及鎖存器和系統(tǒng)脈沖產(chǎn)生器的實(shí)現(xiàn)。由于本發(fā)明采用純硬件設(shè)計(jì)使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快,從根本上擺脫軟件的不穩(wěn)定,算法的復(fù)雜性,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便;便于雷達(dá)系統(tǒng)的集成;粘度高、穩(wěn)定性高、移植性好以及易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H03K21/16GK1336727SQ0111329
公開(kāi)日2002年2月20日 申請(qǐng)日期2001年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月6日
發(fā)明者李玉芳, 孫曉瑋, 夏冠群 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所