基于CAN总线的雷达网络测控系统设计

《 Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
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嵌入式网络技术应用
中 文 核 心 期 刊《 微 计 算 机 信 息 》（ 嵌 入 式 与 ＳＯＣ）２００６ 年 第 ２２ 卷 第 ６－２ 期
指令， 雷达能够在主动状态与被动状态间进行相互转 换， 并保证网络中始终保证由一台主动雷达组织。
系 统 单 片 机 模 块 采 用 Ｗｉｎｂｏｎｄ 公 司 的 高 性 能 ５１ 兼容内核单片机 Ｗ７７Ｅ５８ 实现系统控制。该单片机具 有两个相互独立的串口， 便于与外设通信， 同时芯片 支持高达 ４０Ｍ 的时钟且具有倍频模式， 能够满足目标 信息与控制信息的解算要求。
雷达接口模块通过信号转接电路从雷达中截取相 关信号送至接口信号处理电路。其中， 雷达的数字信号 主要通过 ＣＰＬＤ 处理。我们使用了 Ａｌｔｒａ 公司的 ＣＰＬＤ 芯片 ＥＰＭ７１２８。其第一个作用是作为信号多路复用器 与接口缓冲器。当控制系统状态转换时， 其依据雷达的 状态， 切换形成不同的数据总线开关状态， 同时将来自 雷达及单片机的数据锁存或缓冲， 使雷达与单片机能 交换正确的数据。其第二个功能是产生接口逻辑与控 制系统的控制逻辑。利用来自雷达的时钟信号、各种时 序信号与状态信号， 产生接口控制信号， 控制接口的数 据交换与状态转换， 同时依据单片机发来的地址与控 制信号， 合成控制系统的各种控制逻辑。
通信与控制模块是处理后的信息与本雷达及其 他 雷 达 交 互 的 接 口 。控 制 系 统 的 状 态 及 目 标 数 据 等 信 息由单片机串口输出后， 通过 ＭＡＸ２３２ 变换送至人机 交换模块显示， 来自人机接口的控制信息同样通过该 接口下行至单片机。控制系统与 ＣＡＮ 总线的互连同样 经过 ＲＳ－ ２３２ 接口， 并由 ＣＡＮ 通信模块完成 ＲＳ－ ２３２ 协议与 ＣＡＮ 协议的转换， 从而实现与远端雷达的长距 离、实时通信。经过控制系统解算的目标 距离信息通
图 ２ 雷达网络拓扑结构
２．２ 系统原理 同其他网络测控系统一样， 雷达网络测控系统的 主要工作基础是对于相关数据的采集与共享。在这个 网络中， 依据实际的工作环境与实际情况的需要， 每 个雷达既可以作为一个独立单元工作， 也可以作为网 络的节点工作。当雷达成为网络的一个节点工作时， 其可以依据网络中共享的数据， 与网内的其他雷达共 同协同跟踪工作。 在一般情况下， 网络中的雷达作为独立的节点进 行工作， 此时网络中的每个雷达是对等的。当出现特 殊目标或其他需要多雷达对同一目标进行协同跟踪 的情况下， 雷达的操作手可以通过雷达网络测控系统 向网络发出进入网络工作状态的指令。网内其他雷达 收到指令后， 操作手可以依据该雷达的具体情况选择
图 １ 网络测控系统与 ＣＡＮ 总线的连接
构与原理
２．１ ＣＡＮ 总线测控网络的结构与特点 从本质上看， 我们设计的雷达网络测控系统， 属 于主从式网络测试控制系统。与数据网络相比， 控制 网 络 具 有 数 据 帧 短 、数 据 交 换 频 繁 、有 实 时 约 束 等 特 点。同时雷达本身工作时电磁环境复杂， 相对距离较 远， 这都对采用的总线形式提出了较高的要求。 近 ２０ 年来， 控制网络获得迅速发展， 特别是作为 其主流的现场总线技术已形成了一系列国际标准， ＣＡＮ 总 线 是 其 中 一 种 比 较 有 影 响 的 现 场 总 线 标 准 。 ＣＡＮ 总线是一种多主方式的串行通讯总线， 有高的位 速率， 高抗电磁干扰性， 而且能够检测出产生的多种 错误。当信号传输距离达到 １０Ｋｍ 时， ＣＡＮ 仍可 提供 高达 ５０Ｋｂｉｔ／ｓ 的数据传输速率。 同时 ＣＡＮ 总线具有 董健： 硕士研究生 资助基金： 国家 ８６３ 计划资助项目 编号：（ ２００３Ａ Ａ ７７５０４５）
统硬件框图及软件流程。基于某型号雷达的局域测控网络实验表明， 该系统具有良好的可靠性与精度。
关键词： ＣＡＮ 总线； 雷达； 网络； 测控系统
中图分类号： ＴＮ ９５
文献标识码： Ａ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： 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 ｓｙｓ－
４．３ 数据通信与处理流程 数据通信与处理流程也是系统软件设计的一个 重要部分， 图 ５ 给出了这一流程框图。从图中可以看 出， 主动状态雷达启动并控制着整个通信过程。主动 状态的雷达向网络发送目标
图 ５ 数据通信与处理流程
技
及雷达状态数据， 被动状态雷达收到数据后， 经
术 过预处理向主动雷达发出应答信号。如果被动状态的 雷达收到的数据由于干扰等原因存在错误， 同时在应
技 ｔｅｍ， ａ ｒａｄａｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃａｎ ｂｅ ｏｒｇａｎｉｚｅｄ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｆｉｒ ｅ ｃｏｎｔｒ ｏｌ ｒ ａｄａｒ ，ｎｅｔｗｏｒ ｋ，ｍｅａｓｕｒ ｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒ ｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
达可以进行相互配合工作， 极大地提高了雷达的探测
与协同能力。
２ 雷达网络测控测控系统的基本结
很 高 的 实 时 性 能 ， 在 工 业 控 制 、安 全 防 护 等 领 域 中 得 到了广泛应用。因此我们选择 ＣＡＮ 总线构建网络。图 １ 与 图 ２ 分 别 显 示 了 雷 达 网 络 测 控 系 统 与 ＣＡＮ 总 线 的连接关系及各雷达间互连的拓扑结构。
数据交换， 能够实现较好的状态切换。主动雷达跟踪 特定目标时， 被动雷达能够进行较为精确的联合定位 与跟踪， 基本达到了预期设计目标。
该课题创新地 基于 ＣＡＮ 总线构 建了雷达局 域 测 控网络， 实现了雷达间目标， 状态等相关信息的共享， 及网络中雷达的协同工作， 提高了雷达的效能， 填补 了该方向上的空白。
４．１ 系统状态设计 状态设计主要是针对控制系统工作的各状态， 对
技 系统硬件进行相应的操作。该系统主要设置了 ３ 个主
要状态： 单机工作状态， 主动工作状态， 被动工作状态。
术 在 网 络 尚 未 组 织 时 ， 各 雷 达 工 作 于 单 机 工 作 状 创 态， 网内雷达各自独立工作， 相互关系对等。当网络建
３ 系统硬件结构
由以上对系统原理的分析可以看出， 该系统的设 计关键技术主要包括： 雷达及目标信息的获取与共 享 ， 目 标 数 据 的 计 算 、校 正 及 基 于 校 正 数 据 的 目 标 跟 踪。系统的硬件设计亦基于此进行。
图 ３ 系统硬件框图
图 ３ 给出了系统的硬件设计框图。从框图可以看 出， 该系统主要由单片机模块， 雷达接口模块， 通信与 控制模块， 轴角转换模块及人机交互接口组成。
４．２ 系统状态转换流程设计
图 ４ 系统软件状态转换流程 转换流程设计则主要指系 统依据目标 的特征、性 质， 操作手的命令和网内其他雷达发来的指令， 自动或
被动地在各个状态间进行转换的流程设计。图 ４ 显示 了系统软件状态转换流程。从图中可以看出， 单机工作 状态是系统的缺省状态， 当网络组织后， 雷达将进入主 动状态或被动状态工作。主动状态或被动状态是动态 的， 依据目标的不同特性， 网络发来的指令及操作手的
术
１ 引言
创 随着测控技术的快速发展， 现代雷达 现役的大多数雷达并不具有这样的功能。基于某
型号雷达， 我们开发了基于 ＣＡＮ 总线的雷达网络测控 系统。经过对雷达加装该系统， 我们构建了雷达局域
测控网络， 实现了基于 ＣＡＮ 总线网络的雷达间目标， 状态等相关信息的共享。利用这些信息， 网络中各雷
过 ＣＰＬＤ 被雷达获取， 目标的角度信息则通过控制模 块 完 成 Ｄ／Ａ 变 换 ， 电 压 隔 离 与 平 滑 等 处 理 ， 送 至 雷 达 的天控系统， 直接推动雷达完成对目标的跟踪。
雷达天线轴角转换使用了两个双精度轴角转换 模 块， 分 别 完 成 对 雷 达 天 线 方 位 角 、高 地 角 的 数 据 提 取。当雷达天线受控制系统控制时， 该模块构成雷达 控制闭环的反馈支路。
立后， 网内的雷达将具有不同的优先级。其中， 提供目
新 标与雷达信息的雷达具有最高的优先级， 工作于主动
工作状态， 网内的其他雷达则工作于被动工作状态。 主动状态下的雷达负责组织整个雷达网络， 由它向网 络发送目标的各种参数及雷达状态信息， 被动雷达从 网络获取目标及雷达信息， 并据此控制雷达工作， 直 至主动状态雷达撤除网络或操作手强制退出。这种主 从工作方式保证了网络的高可靠工作。
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