基于W77E58單片機和EPM7128芯片實現(xiàn)雷達網(wǎng)絡測控系統(tǒng)的設計

1、引言

隨著測控技術的快速發(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)絡測控系統(tǒng)。經(jīng)過對雷達加裝該系統(tǒng)，我們構建了雷達局域測控網(wǎng)絡，實現(xiàn)了基于CAN總線網(wǎng)絡的雷達間目標，狀態(tài)等相關信息的共享。利用這些信息，網(wǎng)絡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)絡測控測控系統(tǒng)的基本結構與原理

2.1 CAN總線測控網(wǎng)絡的結構與特點

從本質(zhì)上看，我們設計的雷達網(wǎng)絡測控系統(tǒng)，屬于主從式網(wǎng)絡測試控制系統(tǒng)。與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡相比， 控制網(wǎng)絡具有數(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)絡獲得迅速發(fā)展，特別是作為其主流的現(xiàn)場總線技術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、安全防護等領域中得到了廣泛應用。因此我們選擇CAN總線構建網(wǎng)絡。圖1與圖2分別顯示了雷達網(wǎng)絡測控系統(tǒng)與CAN總線的連接關系及各雷達間互連的拓撲結構。

2.2 系統(tǒng)原理

同其他網(wǎng)絡測控系統(tǒng)一樣，雷達網(wǎng)絡測控系統(tǒng)的主要工作基礎是對于相關數(shù)據(jù)的采集與共享。在這個網(wǎng)絡中，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)絡的節(jié)點工作。當雷達成為網(wǎng)絡的一個節(jié)點工作時，其可以依據(jù)網(wǎng)絡中共享的數(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)絡中的雷達作為獨立的節(jié)點進行工作，此時網(wǎng)絡中的每個雷達是對等的。當出現(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)絡測控系統(tǒng)向網(wǎng)絡發(fā)出進入網(wǎng)絡工作狀態(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)絡協(xié)同工作。進入網(wǎng)絡的雷達之間為主從關系，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)絡狀態(tài)工作的雷達，也可以隨時退出網(wǎng)絡工作。

3、系統(tǒng)硬件結構

由以上對系統(tǒng)原理的分析可以看出，該系統(tǒng)的設計關鍵技術主要包括：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)的硬件設計亦基于此進行。

圖3給出了系統(tǒng)的硬件設計框圖。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接電路從雷達中截取相關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用器與接口緩沖器。當控制系統(tǒng)狀態(tài)轉換時，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?？刂葡到y(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。

雷達天線軸角轉換使用了兩個雙精度軸角轉換模塊，分別完成對雷達天線方位角、高地角的數(shù)據(jù)提取。當雷達天線受控制系統(tǒng)控制時，該模塊構成雷達控制閉環(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，當狀態(tài)轉換或出現(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)軟件設計

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

4.1 系統(tǒng)狀態(tài)設計

狀態(tài)設計主要是針對控制系統(tǒng)工作的各狀態(tài)，對系統(tǒng)硬件進行相應的操作。該系統(tǒng)主要設置了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，相互關系對等。當網(wǎng)絡建立后，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)下的雷達負責組織整個雷達網(wǎng)絡，由它向網(wǎng)絡發(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)絡或操作手強制退出。這種主從工作方式保證了網(wǎng)絡的高可靠工作。

4.2 系統(tǒng)狀態(tài)轉換流程設計

轉換流程設計則主要指系統(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)間進行轉換的流程設計。圖4顯示了系統(tǒng)軟件狀態(tài)轉換流程。從圖中可以看出，單機工作狀態(tài)是系統(tǒng)的缺省狀態(tài)，當網(wǎng)絡組織后，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)間進行相互轉換，并保證網(wǎng)絡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)過預處理向主動雷達發(fā)出應答信號。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，同時在應答信號中要求主動雷達重新發(fā)送。當通信錯誤過多時，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、 試驗結論

我們使用三臺經(jīng)過雷達網(wǎng)絡測控系統(tǒng)改造雷達，進行了雷達網(wǎng)絡測控實驗。從目前的實驗結果看，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，基本達到了預期設計目標。

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

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