??? 摘? 要: 利用CAN總線技術對激光敵我識別系統(tǒng)的通信方式進行改進，將系統(tǒng)中的7個節(jié)點用1條屏蔽雙絞線連接在一起，大大提高了系統(tǒng)可靠性、實時性和靈活性，簡化了維修過程，減輕了系統(tǒng)重量，節(jié)省了坦克內部空間，同時為坦克內部信息網絡化打下了基礎。實驗證明，采用CAN總線后的敵我識別系統(tǒng)各方面性能都有很大提高，完全可以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的要求。?
??? 關鍵詞:? CAN總線；激光；敵我識別；回波調制；光電探測器
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??? 現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，敵我態(tài)勢相當復雜，如何快速、準確地識別綜合態(tài)勢中的敵我目標，對作戰(zhàn)起著非常關鍵的作用。敵我識別系統(tǒng)主要采用雷達、毫米波和激光技術，采用激光技術實現(xiàn)的敵我識別系統(tǒng)是地面運動目標間敵我識別的有效方法之一。當前，坦克激光敵我識別系統(tǒng)采用“點到點”方式進行通信和控制,系統(tǒng)各部分之間互連的多芯電纜數量多、體積大，安裝和維護困難，限制了系統(tǒng)的可靠性和靈活性，不能滿足當前的戰(zhàn)爭環(huán)境的要求[1]。?
??? 為了打破系統(tǒng)連接線造成的可靠性和靈活性瓶頸，本文提出了基于CAN總線的坦克回波調制式激光敵我識別系統(tǒng)，詳細論述了系統(tǒng)的構成和各部分間CAN總線通信和控制的軟硬件實現(xiàn)。?
1 激光敵我識別系統(tǒng)的原理與結構?
1.1? 激光敵我識別原理?
??? 回波調制式激光敵我識別系統(tǒng)中，敵我識別是通過自身發(fā)射激光束，由友方目標上設置的反射棱鏡裝置調制后返回加以判別。其工作原理為:發(fā)現(xiàn)目標后首先由詢問方向目標方發(fā)射編碼的激光束作為詢問碼。若目標為友方，則它安裝的光電探測器接收到詢問碼時，將詢問碼轉換為電信號后傳輸至微處理器，由微處理器處理后將控制信號發(fā)送給反射棱鏡前方的回波調制器，將后續(xù)發(fā)來的識別碼由反射棱鏡返回并進行調制，再由詢問方的激光接收機接收到信號后加以判別[2]。應答過程和回波調制裝置原理如圖1所示。?
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1.2? 激光敵我識別系統(tǒng)的結構及解決方法?
??? 激光敵我識別系統(tǒng)主要由車長周視鏡、坦克帽、顯示與控制盒、信號處理箱、激光器、回波調制器、光電探測器組成，其結構如圖2所示[1]。
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??? 車長周視鏡用于觀測和瞄準目標；坦克帽由耳機和麥克構成，用于車長與內部人員、電臺通話和光電輔助通信；顯示與控制盒用于對系統(tǒng)各部分進行操作和顯示；信號處理箱是系統(tǒng)的核心，內部裝有微處理器，對采集來的查詢和識別信號進行處理并輸出控制信號到回波調制器和相應的瞄準和火控系統(tǒng)；激光器用于發(fā)射激光查詢和識別信號；回波調制器在微處理器的控制信號作用下對識別碼進行調制；光電探測器將接收到的激光回波信號轉換成電信號傳送到微處理器。?
??? 從圖2可以看出，目前激光敵我識別系統(tǒng)內部各部分之間的通信和控制采用“點到點”的方式，以電纜為傳輸媒介，采用多達14條多芯電纜相連。由于系統(tǒng)部件和信號種類眾多，系統(tǒng)各部分之間的連接線數量多、體積大，系統(tǒng)非常復雜。?
??? 龐大的連接線系統(tǒng)不僅造成了系統(tǒng)制造和維修復雜，也限制了系統(tǒng)的可靠性和靈活性，使得敵我識別系統(tǒng)不能滿足坦克長期在高強度振動和強電磁干擾的作戰(zhàn)環(huán)境中穩(wěn)定工作的要求。為了打破系統(tǒng)可靠性的瓶頸，采用CAN 總線傳輸技術對坦克激光敵我識別系統(tǒng)進行改造，將激光敵我識別系統(tǒng)的7個組成部分作為CAN總線的7個節(jié)點，節(jié)點間使用一對屏蔽雙絞線進行連接。?
2? 系統(tǒng)節(jié)點的劃分?
2.1 CAN總線簡介?
??? CAN總線是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代車輛中的控制與測試儀器之間的數據交換而開發(fā)的一種數據通信協(xié)議標準。CAN總線遵從ISO/OSI模型，分為3層：物理層、數據鏈路層及應用層。CAN通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，通過標準接插件可方便地連接，傳輸速率可達1 Mb/s(通信距離<40 m)，直接傳輸距離最遠可達10? km(通信速率<5 kb/s)，同一段總線內最多可接110個設備。與其他總線相比，CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性[3]。?
2.2 系統(tǒng)節(jié)點劃分?
??? 根據激光敵我識別系統(tǒng)各控制對象的功能和分布位置的不同，將其劃分為車長周視鏡、坦克帽、顯示與控制盒、信號處理箱、激光器、回波調制器、光電探測器7個節(jié)點，如圖3所示。由這7個節(jié)點組成激光敵我識別系統(tǒng)的控制網絡，實現(xiàn)網絡控制，完成各部分的信息傳遞[4]。?
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3 CAN通信協(xié)議的制定?
??? 激光敵我識別系統(tǒng)的網絡結構相對簡單，故采用CAN 2.0A標準。在CAN 2.0A標準幀格式里，仲裁場由11位標識符和RTR位組成。標識符由ID10～ID0組成，這些位的發(fā)送順序是從ID10～ID0，最低位是ID0，并且最高的7位（ID10～ID4）不能全是“隱性”[3]。?
??? 根據CAN總線逐位仲裁原理和激光敵我識別系統(tǒng)各部分的特點，將CAN總線仲裁場的11位標識符作以下設計[5-6]。?
??? (1) ID10～ID8 用于定義優(yōu)先級，如表1所示?？梢?guī)定0～7個級別，具有最高優(yōu)先權的節(jié)點優(yōu)先發(fā)送數據。當相同優(yōu)先級別的報文同時發(fā)送時，繼續(xù)在仲裁域內往后進行逐位仲裁，直到有節(jié)點勝出為止。?
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??? (2)ID7～ID6 規(guī)定為高低速CAN的標識。用來區(qū)分高速與低速CAN報文。其中00表示高速，01表示低速。因為系統(tǒng)中沒有需要高速傳輸和處理的數據，故將ID7和ID6設置為01。?
??? (3)ID5～ID0 用于節(jié)點信號的分類，如光電探測器傳送給主控制箱的光電信號、主控制箱發(fā)給激光器及火控裝置等的控制信號等。?
4 系統(tǒng)硬件電路設計?
??? 激光敵我識別系統(tǒng)中有車長周視鏡、坦克帽、顯示與控制盒、信號處理箱、激光器、回波調制器、光電探測器7個節(jié)點，它們分別有各自的微處理器。?
??? 由于信號處理箱的數據處理量非常大，而且對實時性要求較高，采用TI公司內置CAN驅動器的DSP處理器 TMS320LF2407。DSP處理器的數據處理速度非?？?，完全可以滿足信號處理箱的需求。顯示與控制盒、車長周視鏡、坦克帽、光電探測器、激光器、回波調制器等節(jié)點處理的數據量相對較小，只需采集和處理與本節(jié)點相關的信息，故采用Microchip公司的單片機PIC16F876 和CAN控制器MCP2510。PIC單片機處理速度快、成本低，且具有極強的抗干擾能力，用在數據采集和信息發(fā)送與接收節(jié)點上是非常合適的。各節(jié)點硬件電路原理圖分別如圖4和圖5所示。? ?
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5 系統(tǒng)軟件設計?
??? 應用層軟件的設計分為底層驅動軟件和頂層功能軟件設計。底層驅動程序與節(jié)點的具體數據信息以及采用的CAN控制器相關,應根據具體的微處理器和CAN控制器來編寫；而頂層功能模塊是以CAN2.0A協(xié)議為標準,只需采用標準幀格式進行編寫即可。?
??? 底層驅動軟件用C語言編寫，分為節(jié)點主程序和CAN總線通信子程序兩部分。?
5.1 節(jié)點主程序?
??? 節(jié)點主程序主要包括微處理器初始化、CAN控制器初始化、數據采集與處理和輸出控制與顯示等部分。節(jié)點主程序流程圖如圖6所示。?
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5.2? CAN總線通信程序?
??? CAN總線通信程序包括CAN初始化、數據發(fā)送和數據接收等[3]。?
??? 初始化CAN控制器的操作包括: 硬件使能、軟件復位、設置報警界限、設置總線波特率、設置中斷工作方式、設置驗收濾波器工作方式、設置工作模式并啟動CAN等。在初始化過程中要注意數據發(fā)送設備和數據接收設備的波特率應相同，否則設備之間無法進行通信。?
??? CAN初始化完成后，進入數據的接收和發(fā)送階段。為保證發(fā)送數據的完整性,采用查詢方式發(fā)送數據；同時為保證接收數據的實時性,采用中斷方式接收數據。數據發(fā)送和接收流程圖如圖7所示。?
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??? 發(fā)送數據時，將待發(fā)送的數據打包成符合CAN協(xié)議的幀格式后寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并自動發(fā)送。在寫發(fā)送緩沖區(qū)前必須查詢其狀態(tài)，只有在有空閑的發(fā)送緩沖區(qū)時才將數據寫入。啟動發(fā)送成功后，通過查詢CAN狀態(tài)寄存器或配置發(fā)送成功中斷來判斷數據是否發(fā)送成功。?
??? 采用中斷方式接收數據，在初始化程序中必須使能接收中斷。在中斷服務子程序中，讀取CAN中斷允許寄存器，判斷是否有接收中斷標志，如果有則讀取接收緩沖區(qū)數據。為防止接收緩沖區(qū)中數據溢出，可開辟一個循環(huán)接收數據隊列來暫時存儲數據，主程序則通過查詢該隊列來獲得總線數據。?
??? 本文提出了采用CAN總線傳輸技術解決坦克激光敵我識別系統(tǒng)各部件之間的信號傳輸問題。基于CAN總線的坦克激光敵我識別系統(tǒng)具備CAN總線的三大特征：可靠性、實時性和靈活性。該方案簡化了系統(tǒng)的傳輸線束，去掉了原激光敵我識別系統(tǒng)各部件之間14條多芯電纜，在節(jié)約了線束安裝空間、減輕了坦克重量的同時，增加了系統(tǒng)的靈活性，提高了系統(tǒng)的可靠性和傳輸響應的實時性，也為激光敵我識別系統(tǒng)與測距儀、火控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、穩(wěn)像系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)的數據傳輸遠距離實現(xiàn)提供了物理基礎，并可進一步發(fā)展為數字化戰(zhàn)場的網絡終端。?
參考文獻?
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