基于W77E58單片機(jī)和EPM7128芯片實現(xiàn)雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的設(shè)計

1、引言

隨著測控技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)對于多雷達(dá)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(dá)并不具有這樣的功能?；谀承吞柪走_(dá)，我們開發(fā)了基于CAN總線的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)。經(jīng)過對雷達(dá)加裝該系統(tǒng)，我們構(gòu)建了雷達(dá)局域測控網(wǎng)絡(luò)，實現(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)的探測與協(xié)同能力。

2、雷達(dá)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(dá)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(dá)本身工作時電磁環(huán)境復(fù)雜，相對距離較遠(yuǎn)，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(biāo)準(zhǔn)，CAN總線是其中一種比較有影響的現(xiàn)場總線標(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，而且能夠檢測出產(chǎn)生的多種錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達(dá)到10Km時，CAN仍可提供高達(dá)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(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)。

2.2 系統(tǒng)原理

同其他網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)一樣，雷達(dá)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(dá)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(dá)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(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)作為獨立的節(jié)點進(jìn)行工作，此時網(wǎng)絡(luò)中的每個雷達(dá)是對等的。當(dāng)出現(xiàn)特殊目標(biāo)或其他需要多雷達(dá)對同一目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同跟蹤的情況下，雷達(dá)的操作手可以通過雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)測控系統(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(dá)及目標(biāo)信息的獲取與共享，目標(biāo)數(shù)據(jù)的計算、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)計亦基于此進(jìn)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(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實現(xiàn)系統(tǒng)控制。該單片機(jī)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(dá)40M的時鐘且具有倍頻模式，能夠滿足目標(biāo)信息與控制信息的解算要求。

雷達(dá)接口模塊通過信號轉(zhuǎn)接電路從雷達(dá)中截取相關(guān)信號送至接口信號處理電路。其中，雷達(dá)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(dá)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(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(dá)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(jī)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(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MAX232變換送至人機(jī)交換模塊顯示，來自人機(jī)接口的控制信息同樣通過該接口下行至單片機(jī)。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(yuǎn)端雷達(dá)的長距離、實時通信。經(jīng)過控制系統(tǒng)解算的目標(biāo)距離信息通過CPLD被雷達(dá)獲取，目標(biāo)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(dá)的天控系統(tǒng)，直接推動雷達(dá)完成對目標(biāo)的跟蹤。

雷達(dá)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(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，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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(dá)工作于單機(jī)工作狀態(tài)，網(wǎng)內(nèi)雷達(dá)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(dá)將具有不同的優(yōu)先級。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，工作于主動工作狀態(tài)，網(wǎng)內(nèi)的其他雷達(dá)則工作于被動工作狀態(tài)。主動狀態(tài)下的雷達(dá)負(fù)責(zé)組織整個雷達(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

轉(zhuǎn)換流程設(shè)計則主要指系統(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)來的指令，自動或被動地在各個狀態(tài)間進(jìn)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(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(biāo)的不同特性，網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的指令及操作手的指令，雷達(dá)能夠在主動狀態(tài)與被動狀態(tài)間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，并保證網(wǎng)絡(luò)中始終保證由一臺主動雷達(dá)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(dá)啟動并控制著整個通信過程。主動狀態(tài)的雷達(dá)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送目標(biāo)

及雷達(dá)狀態(tài)數(shù)據(jù)，被動狀態(tài)雷達(dá)收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過預(yù)處理向主動雷達(dá)發(fā)出應(yīng)答信號。如果被動狀態(tài)的雷達(dá)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(dá)重新發(fā)送。當(dāng)通信錯誤過多時，被動雷達(dá)將通過人機(jī)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(dá)網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)改造雷達(dá)，進(jìn)行了雷達(dá)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(dá)能夠較好地實現(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。主動雷達(dá)跟蹤特定目標(biāo)時，被動雷達(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)局域測控網(wǎng)絡(luò)，實現(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。

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