摘 要：本文介紹了一種基于CAN總線的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)，分析了該CAN總線局域測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和基本原理，給出了系統(tǒng)硬件框圖及軟件流程。基于某型號(hào)雷達(dá)的局域測(cè)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有良好的可靠性與精度。 關(guān)鍵詞：CAN總線;雷達(dá);網(wǎng)絡(luò);測(cè)控系統(tǒng) Abstract: This paper presents the design of a radar network measure and control system based on CAN. In this paper, the architecture of Local Area Network for radar based on CAN bus is proposed, and the principle of the system is discussed. Then the hardware and software design of this system are introduced, and the hardware architecture diagram and the software flow charts are presented. Based on this system, a radar network can be organized. The experiments show the high reliability and accuracy of the system. Keywords: fire control radar, network, measure and control system 1 引言 　　隨著測(cè)控技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)于多雷達(dá)高精度協(xié)同測(cè)控跟蹤能力的需求越來(lái)越高。然而，現(xiàn)役的大多數(shù)雷達(dá)并不具有這樣的功能?；谀承吞?hào)雷達(dá)，我們開(kāi)發(fā)了基于CAN總線的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)對(duì)雷達(dá)加裝該系統(tǒng)，我們構(gòu)建了雷達(dá)局域測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)間目標(biāo)，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(dá)可以進(jìn)行相互配合工作，極大地提高了雷達(dá)的探測(cè)與協(xié)同能力。 2 雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控測(cè)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與原理 2.1 CAN總線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 　　從本質(zhì)上看，我們?cè)O(shè)計(jì)的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)，屬于主從式網(wǎng)絡(luò)測(cè)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(shí)時(shí)約束等特點(diǎn)。同時(shí)雷達(dá)本身工作時(shí)電磁環(huán)境復(fù)雜，相對(duì)距離較遠(yuǎn)，這都對(duì)采用的總線形式提出了較高的要求。 　　近20 年來(lái)， 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(chǎng)總線技術(shù)已形成了一系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，CAN總線是其中一種比較有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。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(cè)出產(chǎn)生的多種錯(cuò)誤。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到10Km時(shí)，CAN仍可提供高達(dá)50Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。 同時(shí)CAN總線具有很高的實(shí)時(shí)性能，在工業(yè)控制、安全防護(hù)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(dá)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)與CAN總線的連接關(guān)系及各雷達(dá)間互連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 [align=center] 圖1 網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)與CAN總線的連接[/align] [align=center] 圖2 雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[/align] 2.2 系統(tǒng)原理 　　同其他網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)一樣，雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的主要工作基礎(chǔ)是對(duì)于相關(guān)數(shù)據(jù)的采集與共享。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，依據(jù)實(shí)際的工作環(huán)境與實(shí)際情況的需要，每個(gè)雷達(dá)既可以作為一個(gè)獨(dú)立單元工作，也可以作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)工作。當(dāng)雷達(dá)成為網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，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(dá)共同協(xié)同跟蹤工作。 　　在一般情況下，網(wǎng)絡(luò)中的雷達(dá)作為獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)雷達(dá)是對(duì)等的。當(dāng)出現(xiàn)特殊目標(biāo)或其他需要多雷達(dá)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同跟蹤的情況下，雷達(dá)的操作手可以通過(guò)雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)的指令。網(wǎng)內(nèi)其他雷達(dá)收到指令后，操作手可以依據(jù)該雷達(dá)的具體情況選擇繼續(xù)獨(dú)立工作或進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作。進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)之間為主從關(guān)系，發(fā)出指令與數(shù)據(jù)的雷達(dá)為主雷達(dá)，接收共享數(shù)據(jù)的雷達(dá)為從雷達(dá)。處于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)工作的雷達(dá)，也可以隨時(shí)退出網(wǎng)絡(luò)工作。 3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 　　由以上對(duì)系統(tǒng)原理的分析可以看出，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)主要包括：雷達(dá)及目標(biāo)信息的獲取與共享，目標(biāo)數(shù)據(jù)的計(jì)算、校正及基于校正數(shù)據(jù)的目標(biāo)跟蹤。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)亦基于此進(jìn)行。 　　圖3給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖。從框圖可以看出，該系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊，雷達(dá)接口模塊，通信與控制模塊，軸角轉(zhuǎn)換模塊及人機(jī)交互接口組成。 　　系統(tǒng)單片機(jī)模塊采用Winbond公司的高性能51兼容內(nèi)核單片機(jī)W77E58實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。該單片機(jī)具有兩個(gè)相互獨(dú)立的串口，便于與外設(shè)通信，同時(shí)芯片支持高達(dá)40M的時(shí)鐘且具有倍頻模式，能夠滿足目標(biāo)信息與控制信息的解算要求。 　　雷達(dá)接口模塊通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接電路從雷達(dá)中截取相關(guān)信號(hào)送至接口信號(hào)處理電路。其中，雷達(dá)的數(shù)字信號(hào)主要通過(guò)CPLD處理。我們使用了Altra公司的CPLD芯片EPM7128。其第一個(gè)作用是作為信號(hào)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(shí)，其依據(jù)雷達(dá)的狀態(tài)，切換形成不同的數(shù)據(jù)總線開(kāi)關(guān)狀態(tài)，同時(shí)將來(lái)自雷達(dá)及單片機(jī)的數(shù)據(jù)鎖存或緩沖，使雷達(dá)與單片機(jī)能交換正確的數(shù)據(jù)。其第二個(gè)功能是產(chǎn)生接口邏輯與控制系統(tǒng)的控制邏輯。利用來(lái)自雷達(dá)的時(shí)鐘信號(hào)、各種時(shí)序信號(hào)與狀態(tài)信號(hào)，產(chǎn)生接口控制信號(hào)，控制接口的數(shù)據(jù)交換與狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時(shí)依據(jù)單片機(jī)發(fā)來(lái)的地址與控制信號(hào)，合成控制系統(tǒng)的各種控制邏輯。 [align=center] 圖3 系統(tǒng)硬件框圖[/align] 　　通信與控制模塊是處理后的信息與本雷達(dá)及其他雷達(dá)交互的接口?？刂葡到y(tǒng)的狀態(tài)及目標(biāo)數(shù)據(jù)等信息由單片機(jī)串口輸出后，通過(guò)MAX232變換送至人機(jī)交換模塊顯示，來(lái)自人機(jī)接口的控制信息同樣通過(guò)該接口下行至單片機(jī)?？刂葡到y(tǒng)與CAN總線的互連同樣經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端雷達(dá)的長(zhǎng)距離、實(shí)時(shí)通信。經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)解算的目標(biāo)距離信息通過(guò)CPLD被雷達(dá)獲取，目標(biāo)的角度信息則通過(guò)控制模塊完成D/A變換，電壓隔離與平滑等處理，送至雷達(dá)的天控系統(tǒng)，直接推動(dòng)雷達(dá)完成對(duì)目標(biāo)的跟蹤。 　　雷達(dá)天線軸角轉(zhuǎn)換使用了兩個(gè)雙精度軸角轉(zhuǎn)換模塊，分別完成對(duì)雷達(dá)天線方位角、高地角的數(shù)據(jù)提取。當(dāng)雷達(dá)天線受控制系統(tǒng)控制時(shí)，該模塊構(gòu)成雷達(dá)控制閉環(huán)的反饋支路。 　　人機(jī)交互模塊是操作手與控制系統(tǒng)交互的接口，來(lái)自控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息通過(guò)交互模塊顯示，操作手通過(guò)交互接口完成對(duì)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(cuò)誤時(shí)，人機(jī)接口將發(fā)出提示或報(bào)警。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要針對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換流程及數(shù)據(jù)通信與處理流程三個(gè)部分進(jìn)行。 4.1 系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)計(jì) 　　狀態(tài)設(shè)計(jì)主要是針對(duì)控制系統(tǒng)工作的各狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行相應(yīng)的操作。該系統(tǒng)主要設(shè)置了3個(gè)主要狀態(tài)：?jiǎn)螜C(jī)工作狀態(tài)，主動(dòng)工作狀態(tài)，被動(dòng)工作狀態(tài)。 　　在網(wǎng)絡(luò)尚未組織時(shí)，各雷達(dá)工作于單機(jī)工作狀態(tài)，網(wǎng)內(nèi)雷達(dá)各自獨(dú)立工作，相互關(guān)系對(duì)等。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立后，網(wǎng)內(nèi)的雷達(dá)將具有不同的優(yōu)先級(jí)。其中，提供目標(biāo)與雷達(dá)信息的雷達(dá)具有最高的優(yōu)先級(jí)，工作于主動(dòng)工作狀態(tài)，網(wǎng)內(nèi)的其他雷達(dá)則工作于被動(dòng)工作狀態(tài)。主動(dòng)狀態(tài)下的雷達(dá)負(fù)責(zé)組織整個(gè)雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)，由它向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送目標(biāo)的各種參數(shù)及雷達(dá)狀態(tài)信息，被動(dòng)雷達(dá)從網(wǎng)絡(luò)獲取目標(biāo)及雷達(dá)信息，并據(jù)此控制雷達(dá)工作，直至主動(dòng)狀態(tài)雷達(dá)撤除網(wǎng)絡(luò)或操作手強(qiáng)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(jì) 　　轉(zhuǎn)換流程設(shè)計(jì)則主要指系統(tǒng)依據(jù)目標(biāo)的特征、性質(zhì)，操作手的命令和網(wǎng)內(nèi)其他雷達(dá)發(fā)來(lái)的指令，自動(dòng)或被動(dòng)地在各個(gè)狀態(tài)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的流程設(shè)計(jì)。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(jī)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(dá)將進(jìn)入主動(dòng)狀態(tài)或被動(dòng)狀態(tài)工作。主動(dòng)狀態(tài)或被動(dòng)狀態(tài)是動(dòng)態(tài)的，依據(jù)目標(biāo)的不同特性，網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的指令及操作手的指令，雷達(dá)能夠在主動(dòng)狀態(tài)與被動(dòng)狀態(tài)間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，并保證網(wǎng)絡(luò)中始終保證由一臺(tái)主動(dòng)雷達(dá)組織。 [align=center] 圖4 系統(tǒng)軟件狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程[/align] 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(jì)的一個(gè)重要部分，圖5給出了這一流程框圖。從圖中可以看出，主動(dòng)狀態(tài)雷達(dá)啟動(dòng)并控制著整個(gè)通信過(guò)程。主動(dòng)狀態(tài)的雷達(dá)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送目標(biāo) [align=center] 圖5 數(shù)據(jù)通信與處理流程[/align] 　　及雷達(dá)狀態(tài)數(shù)據(jù)，被動(dòng)狀態(tài)雷達(dá)收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)預(yù)處理向主動(dòng)雷達(dá)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)。如果被動(dòng)狀態(tài)的雷達(dá)收到的數(shù)據(jù)由于干擾等原因存在錯(cuò)誤，同時(shí)在應(yīng)答信號(hào)中要求主動(dòng)雷達(dá)重新發(fā)送。當(dāng)通信錯(cuò)誤過(guò)多時(shí)，被動(dòng)雷達(dá)將通過(guò)人機(jī)模塊報(bào)告錯(cuò)誤，請(qǐng)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(yàn)結(jié)論 　　我們使用三臺(tái)經(jīng)過(guò)雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)改造雷達(dá)，進(jìn)行了雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控實(shí)驗(yàn)。從目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，經(jīng)過(guò)改造的雷達(dá)能夠較好地實(shí)現(xiàn)與其他雷達(dá)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(dòng)雷達(dá)跟蹤特定目標(biāo)時(shí)，被動(dòng)雷達(dá)能夠進(jìn)行較為精確的聯(lián)合定位與跟蹤，基本達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。 　　該課題創(chuàng)新地基于CAN總線構(gòu)建了雷達(dá)局域測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)間目標(biāo)，狀態(tài)等相關(guān)信息的共享，及網(wǎng)絡(luò)中雷達(dá)的協(xié)同工作，提高了雷達(dá)的效能，填補(bǔ)了該方向上的空白。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 陳幼平等，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的科學(xué)問(wèn)題與應(yīng)用展望，控制與決策，2004（9）：P962～966 　　[2] 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