??? 摘? 要: 利用CAN總線技術(shù)對(duì)激光敵我識(shí)別系統(tǒng)的通信方式進(jìn)行改進(jìn)，將系統(tǒng)中的7個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)性和靈活性，簡(jiǎn)化了維修過(guò)程，減輕了系統(tǒng)重量，節(jié)省了坦克內(nèi)部空間，同時(shí)為坦克內(nèi)部信息網(wǎng)絡(luò)化打下了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)證明，采用CAN總線后的敵我識(shí)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(zhēng)的要求。?

??? 關(guān)鍵詞:? CAN總線；激光；敵我識(shí)別；回波調(diào)制；光電探測(cè)器

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??? 現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，敵我態(tài)勢(shì)相當(dāng)復(fù)雜，如何快速、準(zhǔn)確地識(shí)別綜合態(tài)勢(shì)中的敵我目標(biāo)，對(duì)作戰(zhàn)起著非常關(guān)鍵的作用。敵我識(shí)別系統(tǒng)主要采用雷達(dá)、毫米波和激光技術(shù)，采用激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)的敵我識(shí)別系統(tǒng)是地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)間敵我識(shí)別的有效方法之一。當(dāng)前，坦克激光敵我識(shí)別系統(tǒng)采用“點(diǎn)到點(diǎn)”方式進(jìn)行通信和控制,系統(tǒng)各部分之間互連的多芯電纜數(shù)量多、體積大，安裝和維護(hù)困難，限制了系統(tǒng)的可靠性和靈活性，不能滿足當(dāng)前的戰(zhàn)爭(zhēng)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(diào)制式激光敵我識(shí)別系統(tǒng)，詳細(xì)論述了系統(tǒng)的構(gòu)成和各部分間CAN總線通信和控制的軟硬件實(shí)現(xiàn)。?

1 激光敵我識(shí)別系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)?

1.1? 激光敵我識(shí)別原理?

??? 回波調(diào)制式激光敵我識(shí)別系統(tǒng)中，敵我識(shí)別是通過(guò)自身發(fā)射激光束，由友方目標(biāo)上設(shè)置的反射棱鏡裝置調(diào)制后返回加以判別。其工作原理為:發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后首先由詢問(wèn)方向目標(biāo)方發(fā)射編碼的激光束作為詢問(wèn)碼。若目標(biāo)為友方，則它安裝的光電探測(cè)器接收到詢問(wèn)碼時(shí)，將詢問(wèn)碼轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后傳輸至微處理器，由微處理器處理后將控制信號(hào)發(fā)送給反射棱鏡前方的回波調(diào)制器，將后續(xù)發(fā)來(lái)的識(shí)別碼由反射棱鏡返回并進(jìn)行調(diào)制，再由詢問(wèn)方的激光接收機(jī)接收到信號(hào)后加以判別^[2]。應(yīng)答過(guò)程和回波調(diào)制裝置原理如圖1所示。?

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1.2? 激光敵我識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及解決方法?

??? 激光敵我識(shí)別系統(tǒng)主要由車長(zhǎng)周視鏡、坦克帽、顯示與控制盒、信號(hào)處理箱、激光器、回波調(diào)制器、光電探測(cè)器組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示^[1]。

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??? 車長(zhǎng)周視鏡用于觀測(cè)和瞄準(zhǔn)目標(biāo)；坦克帽由耳機(jī)和麥克構(gòu)成，用于車長(zhǎng)與內(nèi)部人員、電臺(tái)通話和光電輔助通信；顯示與控制盒用于對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行操作和顯示；信號(hào)處理箱是系統(tǒng)的核心，內(nèi)部裝有微處理器，對(duì)采集來(lái)的查詢和識(shí)別信號(hào)進(jìn)行處理并輸出控制信號(hào)到回波調(diào)制器和相應(yīng)的瞄準(zhǔn)和火控系統(tǒng)；激光器用于發(fā)射激光查詢和識(shí)別信號(hào)；回波調(diào)制器在微處理器的控制信號(hào)作用下對(duì)識(shí)別碼進(jìn)行調(diào)制；光電探測(cè)器將接收到的激光回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送到微處理器。?

??? 從圖2可以看出，目前激光敵我識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間的通信和控制采用“點(diǎn)到點(diǎn)”的方式，以電纜為傳輸媒介，采用多達(dá)14條多芯電纜相連。由于系統(tǒng)部件和信號(hào)種類眾多，系統(tǒng)各部分之間的連接線數(shù)量多、體積大，系統(tǒng)非常復(fù)雜。?

??? 龐大的連接線系統(tǒng)不僅造成了系統(tǒng)制造和維修復(fù)雜，也限制了系統(tǒng)的可靠性和靈活性，使得敵我識(shí)別系統(tǒng)不能滿足坦克長(zhǎng)期在高強(qiáng)度振動(dòng)和強(qiáng)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(shù)對(duì)坦克激光敵我識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行改造，將激光敵我識(shí)別系統(tǒng)的7個(gè)組成部分作為CAN總線的7個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間使用一對(duì)屏蔽雙絞線進(jìn)行連接。?

2? 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的劃分?

2.1 CAN總線簡(jiǎn)介?

??? CAN總線是德國(guó)Bosch公司為解決現(xiàn)代車輛中的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線遵從ISO/OSI模型，分為3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層。CAN通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接插件可方便地連接，傳輸速率可達(dá)1 Mb/s(通信距離<40 m)，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10? km(通信速率<5 kb/s)，同一段總線內(nèi)最多可接110個(gè)設(shè)備。與其他總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性^[3]。?

2.2 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)劃分?

??? 根據(jù)激光敵我識(shí)別系統(tǒng)各控制對(duì)象的功能和分布位置的不同，將其劃分為車長(zhǎng)周視鏡、坦克帽、顯示與控制盒、信號(hào)處理箱、激光器、回波調(diào)制器、光電探測(cè)器7個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。由這7個(gè)節(jié)點(diǎn)組成激光敵我識(shí)別系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(shí)別系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，故采用CAN 2.0A標(biāo)準(zhǔn)。在CAN 2.0A標(biāo)準(zhǔn)幀格式里，仲裁場(chǎng)由11位標(biāo)識(shí)符和RTR位組成。標(biāo)識(shí)符由ID10～I(xiàn)D0組成，這些位的發(fā)送順序是從ID10～I(xiàn)D0，最低位是ID0，并且最高的7位（ID10～I(xiàn)D4）不能全是“隱性”^[3]。?

??? 根據(jù)CAN總線逐位仲裁原理和激光敵我識(shí)別系統(tǒng)各部分的特點(diǎn)，將CAN總線仲裁場(chǎng)的11位標(biāo)識(shí)符作以下設(shè)計(jì)^[5-6]。?

??? (1) ID10～I(xiàn)D8 用于定義優(yōu)先級(jí)，如表1所示?？梢?guī)定0～7個(gè)級(jí)別，具有最高優(yōu)先權(quán)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)相同優(yōu)先級(jí)別的報(bào)文同時(shí)發(fā)送時(shí)，繼續(xù)在仲裁域內(nèi)往后進(jìn)行逐位仲裁，直到有節(jié)點(diǎn)勝出為止。?

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??? (2)ID7～I(xiàn)D6 規(guī)定為高低速CAN的標(biāo)識(shí)。用來(lái)區(qū)分高速與低速CAN報(bào)文。其中00表示高速，01表示低速。因?yàn)橄到y(tǒng)中沒(méi)有需要高速傳輸和處理的數(shù)據(jù)，故將ID7和ID6設(shè)置為01。?

??? (3)ID5～I(xiàn)D0 用于節(jié)點(diǎn)信號(hào)的分類，如光電探測(cè)器傳送給主控制箱的光電信號(hào)、主控制箱發(fā)給激光器及火控裝置等的控制信號(hào)等。?

4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)?

??? 激光敵我識(shí)別系統(tǒng)中有車長(zhǎng)周視鏡、坦克帽、顯示與控制盒、信號(hào)處理箱、激光器、回波調(diào)制器、光電探測(cè)器7個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們分別有各自的微處理器。?

??? 由于信號(hào)處理箱的數(shù)據(jù)處理量非常大，而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，采用TI公司內(nèi)置CAN驅(qū)動(dòng)器的DSP處理器 TMS320LF2407。DSP處理器的數(shù)據(jù)處理速度非常快，完全可以滿足信號(hào)處理箱的需求。顯示與控制盒、車長(zhǎng)周視鏡、坦克帽、光電探測(cè)器、激光器、回波調(diào)制器等節(jié)點(diǎn)處理的數(shù)據(jù)量相對(duì)較小，只需采集和處理與本節(jié)點(diǎn)相關(guān)的信息，故采用Microchip公司的單片機(jī)PIC16F876 和CAN控制器MCP2510。PIC單片機(jī)處理速度快、成本低，且具有極強(qiáng)的抗干擾能力，用在數(shù)據(jù)采集和信息發(fā)送與接收節(jié)點(diǎn)上是非常合適的。各節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)?

??? 應(yīng)用層軟件的設(shè)計(jì)分為底層驅(qū)動(dòng)軟件和頂層功能軟件設(shè)計(jì)。底層驅(qū)動(dòng)程序與節(jié)點(diǎn)的具體數(shù)據(jù)信息以及采用的CAN控制器相關(guān),應(yīng)根據(jù)具體的微處理器和CAN控制器來(lái)編寫；而頂層功能模塊是以CAN2.0A協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn),只需采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式進(jìn)行編寫即可。?

??? 底層驅(qū)動(dòng)軟件用C語(yǔ)言編寫，分為節(jié)點(diǎn)主程序和CAN總線通信子程序兩部分。?

5.1 節(jié)點(diǎn)主程序?

??? 節(jié)點(diǎn)主程序主要包括微處理器初始化、CAN控制器初始化、數(shù)據(jù)采集與處理和輸出控制與顯示等部分。節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收等^[3]。?

??? 初始化CAN控制器的操作包括: 硬件使能、軟件復(fù)位、設(shè)置報(bào)警界限、設(shè)置總線波特率、設(shè)置中斷工作方式、設(shè)置驗(yàn)收濾波器工作方式、設(shè)置工作模式并啟動(dòng)CAN等。在初始化過(guò)程中要注意數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備和數(shù)據(jù)接收設(shè)備的波特率應(yīng)相同，否則設(shè)備之間無(wú)法進(jìn)行通信。?

??? CAN初始化完成后，進(jìn)入數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送階段。為保證發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性,采用查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)；同時(shí)為保證接收數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性,采用中斷方式接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程圖如圖7所示。?

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??? 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)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(dòng)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(shí)才將數(shù)據(jù)寫入。啟動(dòng)發(fā)送成功后，通過(guò)查詢CAN狀態(tài)寄存器或配置發(fā)送成功中斷來(lái)判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。?

??? 采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，在初始化程序中必須使能接收中斷。在中斷服務(wù)子程序中，讀取CAN中斷允許寄存器，判斷是否有接收中斷標(biāo)志，如果有則讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。為防止接收緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)溢出，可開(kāi)辟一個(gè)循環(huán)接收數(shù)據(jù)隊(duì)列來(lái)暫時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，主程序則通過(guò)查詢?cè)撽?duì)列來(lái)獲得總線數(shù)據(jù)。?

??? 本文提出了采用CAN總線傳輸技術(shù)解決坦克激光敵我識(shí)別系統(tǒng)各部件之間的信號(hào)傳輸問(wèn)題。基于CAN總線的坦克激光敵我識(shí)別系統(tǒng)具備CAN總線的三大特征：可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。該方案簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的傳輸線束，去掉了原激光敵我識(shí)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(shí)，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(yīng)的實(shí)時(shí)性，也為激光敵我識(shí)別系統(tǒng)與測(cè)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(shù)據(jù)傳輸遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)提供了物理基礎(chǔ)，并可進(jìn)一步發(fā)展為數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)終端。?

參考文獻(xiàn)?

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