基于CAN總線的雷達網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

　　隨著測控技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代雷達系統(tǒng)對于多雷達高精度協(xié)同測控跟蹤能力的需求越來越高。然而，現(xiàn)役的大多數(shù)雷達并不具有這樣的功能?；谀承吞柪走_，我們開發(fā)了基于CAN總線的雷達網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)。經(jīng)過對雷達加裝該系統(tǒng)，我們構(gòu)建了雷達局域測控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的雷達間目標，狀態(tài)等相關(guān)信息的共享。利用這些信息，網(wǎng)絡(luò)中各雷達可以進行相互配合工作，極大地提高了雷達的探測與協(xié)同能力。

2 雷達網(wǎng)絡(luò)測控測控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與原理

2.1 CAN總線測控網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與特點

　　從本質(zhì)上看，我們設(shè)計的雷達網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)，屬于主從式網(wǎng)絡(luò)測試控制系統(tǒng)。與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)相比, 控制網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)幀短、數(shù)據(jù)交換頻繁、有實時約束等特點。同時雷達本身工作時電磁環(huán)境復(fù)雜，相對距離較遠，這都對采用的總線形式提出了較高的要求。

　　近20 年來， 控制網(wǎng)絡(luò)獲得迅速發(fā)展，特別是作為其主流的現(xiàn)場總線技術(shù)已形成了一系列國際標準，CAN總線是其中一種比較有影響的現(xiàn)場總線標準。CAN總線是一種多主方式的串行通訊總線，有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的多種錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達到10Km時，CAN仍可提供高達50Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。 同時CAN總線具有很高的實時性能，在工業(yè)控制、安全防護等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。因此我們選擇CAN總線構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。圖1與圖2分別顯示了雷達網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)與CAN總線的連接關(guān)系及各雷達間互連的拓撲結(jié)構(gòu)。

2.2 系統(tǒng)原理

　　同其他網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)一樣，雷達網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的主要工作基礎(chǔ)是對于相關(guān)數(shù)據(jù)的采集與共享。在這個網(wǎng)絡(luò)中，依據(jù)實際的工作環(huán)境與實際情況的需要，每個雷達既可以作為一個獨立單元工作，也可以作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點工作。當(dāng)雷達成為網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點工作時，其可以依據(jù)網(wǎng)絡(luò)中共享的數(shù)據(jù)，與網(wǎng)內(nèi)的其他雷達共同協(xié)同跟蹤工作。

　　在一般情況下，網(wǎng)絡(luò)中的雷達作為獨立的節(jié)點進行工作，此時網(wǎng)絡(luò)中的每個雷達是對等的。當(dāng)出現(xiàn)特殊目標或其他需要多雷達對同一目標進行協(xié)同跟蹤的情況下，雷達的操作手可以通過雷達網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出進入網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)的指令。網(wǎng)內(nèi)其他雷達收到指令后，操作手可以依據(jù)該雷達的具體情況選擇繼續(xù)獨立工作或進入網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作。進入網(wǎng)絡(luò)的雷達之間為主從關(guān)系，發(fā)出指令與數(shù)據(jù)的雷達為主雷達，接收共享數(shù)據(jù)的雷達為從雷達。處于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)工作的雷達，也可以隨時退出網(wǎng)絡(luò)工作。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　由以上對系統(tǒng)原理的分析可以看出，該系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)主要包括：雷達及目標信息的獲取與共享，目標數(shù)據(jù)的計算、校正及基于校正數(shù)據(jù)的目標跟蹤。系統(tǒng)的硬件設(shè)計亦基于此進行。

　　圖3給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖。從框圖可以看出，該系統(tǒng)主要由單片機模塊，雷達接口模塊，通信與控制模塊，軸角轉(zhuǎn)換模塊及人機交互接口組成。

　　系統(tǒng)單片機模塊采用Winbond公司的高性能51兼容內(nèi)核單片機W77E58實現(xiàn)系統(tǒng)控制。該單片機具有兩個相互獨立的串口，便于與外設(shè)通信，同時芯片支持高達40M的時鐘且具有倍頻模式，能夠滿足目標信息與控制信息的解算要求。

　　雷達接口模塊通過信號轉(zhuǎn)接電路從雷達中截取相關(guān)信號送至接口信號處理電路。其中，雷達的數(shù)字信號主要通過CPLD處理。我們使用了Altra公司的CPLD芯片EPM7128。其第一個作用是作為信號多路復(fù)用器與接口緩沖器。當(dāng)控制系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，其依據(jù)雷達的狀態(tài)，切換形成不同的數(shù)據(jù)總線開關(guān)狀態(tài)，同時將來自雷達及單片機的數(shù)據(jù)鎖存或緩沖，使雷達與單片機能交換正確的數(shù)據(jù)。其第二個功能是產(chǎn)生接口邏輯與控制系統(tǒng)的控制邏輯。利用來自雷達的時鐘信號、各種時序信號與狀態(tài)信號，產(chǎn)生接口控制信號，控制接口的數(shù)據(jù)交換與狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時依據(jù)單片機發(fā)來的地址與控制信號，合成控制系統(tǒng)的各種控制邏輯。

　　通信與控制模塊是處理后的信息與本雷達及其他雷達交互的接口?？刂葡到y(tǒng)的狀態(tài)及目標數(shù)據(jù)等信息由單片機串口輸出后，通過MAX232變換送至人機交換模塊顯示，來自人機接口的控制信息同樣通過該接口下行至單片機。控制系統(tǒng)與CAN總線的互連同樣經(jīng)過RS-232接口，并由CAN通信模塊完成RS-232協(xié)議與CAN協(xié)議的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)與遠端雷達的長距離、實時通信。經(jīng)過控制系統(tǒng)解算的目標距離信息通過CPLD被雷達獲取，目標的角度信息則通過控制模塊完成D/A變換，電壓隔離與平滑等處理，送至雷達的天控系統(tǒng)，直接推動雷達完成對目標的跟蹤。

　　雷達天線軸角轉(zhuǎn)換使用了兩個雙精度軸角轉(zhuǎn)換模塊，分別完成對雷達天線方位角、高地角的數(shù)據(jù)提取。當(dāng)雷達天線受控制系統(tǒng)控制時，該模塊構(gòu)成雷達控制閉環(huán)的反饋支路。

　　人機交互模塊是操作手與控制系統(tǒng)交互的接口，來自控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息通過交互模塊顯示，操作手通過交互接口完成對控制系統(tǒng)的裝定與操作，當(dāng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換或出現(xiàn)通信、操作錯誤時，人機接口將發(fā)出提示或報警。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要針對系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)計、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換流程及數(shù)據(jù)通信與處理流程三個部分進行。

4.1 系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)計

　　狀態(tài)設(shè)計主要是針對控制系統(tǒng)工作的各狀態(tài)，對系統(tǒng)硬件進行相應(yīng)的操作。該系統(tǒng)主要設(shè)置了3個主要狀態(tài)：單機工作狀態(tài)，主動工作狀態(tài)，被動工作狀態(tài)。

　　在網(wǎng)絡(luò)尚未組織時，各雷達工作于單機工作狀態(tài)，網(wǎng)內(nèi)雷達各自獨立工作，相互關(guān)系對等。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立后，網(wǎng)內(nèi)的雷達將具有不同的優(yōu)先級。其中，提供目標與雷達信息的雷達具有最高的優(yōu)先級，工作于主動工作狀態(tài)，網(wǎng)內(nèi)的其他雷達則工作于被動工作狀態(tài)。主動狀態(tài)下的雷達負責(zé)組織整個雷達網(wǎng)絡(luò)，由它向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送目標的各種參數(shù)及雷達狀態(tài)信息，被動雷達從網(wǎng)絡(luò)獲取目標及雷達信息，并據(jù)此控制雷達工作，直至主動狀態(tài)雷達撤除網(wǎng)絡(luò)或操作手強制退出。這種主從工作方式保證了網(wǎng)絡(luò)的高可靠工作。

4.2 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程設(shè)計

　　轉(zhuǎn)換流程設(shè)計則主要指系統(tǒng)依據(jù)目標的特征、性質(zhì)，操作手的命令和網(wǎng)內(nèi)其他雷達發(fā)來的指令，自動或被動地在各個狀態(tài)間進行轉(zhuǎn)換的流程設(shè)計。圖4顯示了系統(tǒng)軟件狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程。從圖中可以看出，單機工作狀態(tài)是系統(tǒng)的缺省狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組織后，雷達將進入主動狀態(tài)或被動狀態(tài)工作。主動狀態(tài)或被動狀態(tài)是動態(tài)的，依據(jù)目標的不同特性，網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的指令及操作手的指令，雷達能夠在主動狀態(tài)與被動狀態(tài)間進行相互轉(zhuǎn)換，并保證網(wǎng)絡(luò)中始終保證由一臺主動雷達組織。

4.3 數(shù)據(jù)通信與處理流程

　　數(shù)據(jù)通信與處理流程也是系統(tǒng)軟件設(shè)計的一個重要部分，圖5給出了這一流程框圖。從圖中可以看出，主動狀態(tài)雷達啟動并控制著整個通信過程。主動狀態(tài)的雷達向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送目標

　　及雷達狀態(tài)數(shù)據(jù)，被動狀態(tài)雷達收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過預(yù)處理向主動雷達發(fā)出應(yīng)答信號。如果被動狀態(tài)的雷達收到的數(shù)據(jù)由于干擾等原因存在錯誤，同時在應(yīng)答信號中要求主動雷達重新發(fā)送。當(dāng)通信錯誤過多時，被動雷達將通過人機模塊報告錯誤，請求操作手處理。通信中使用了自定義的通信協(xié)議保證高可靠的加密傳輸。

5 試驗結(jié)論

　　我們使用三臺經(jīng)過雷達網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)改造雷達，進行了雷達網(wǎng)絡(luò)測控實驗。從目前的實驗結(jié)果看，經(jīng)過改造的雷達能夠較好地實現(xiàn)與其他雷達的通信與數(shù)據(jù)交換，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的狀態(tài)切換。主動雷達跟蹤特定目標時，被動雷達能夠進行較為精確的聯(lián)合定位與跟蹤，基本達到了預(yù)期設(shè)計目標。

　　該課題創(chuàng)新地基于CAN總線構(gòu)建了雷達局域測控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了雷達間目標，狀態(tài)等相關(guān)信息的共享，及網(wǎng)絡(luò)中雷達的協(xié)同工作，提高了雷達的效能，填補了該方向上的空白。