基于W77E58单片机和EPM7128芯片实现雷达网络测控系统的设计

1、引言

随着测控技术的快速发展，现代雷达系统对于多雷达高精度协同测控跟踪能力的需求越来越高。然而，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。

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继续独立工作或进入网络协同工作。进入网络的雷达之间为主从关系，发出指令与数据的雷达为主雷达，接收共享数据的雷达为从雷达。处于网络状态工作的雷达，也可以随时退出网络工作。

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。

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。

人机交互模块是操作手与控制系统交互的接口，来自控制系统的数据及状态信息通过交互模块显示，操作手通过交互接口完成对控制系统的装定与操作，当状态转换或出现通信、操作错误时，人机接口将发出提示或报警。

4、 系统软件设计

系统的软件设计主要针对系统状态设计、系统转换流程及数据通信与处理流程三个部分进行。

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。

在网络尚未组织时，各雷达工作于单机工作状态，网内雷达各自独立工作，相互关系对等。当网络建立后，网内的雷达将具有不同的优先级。其中，提供目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。

4.2 系统状态转换流程设计

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。

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

及雷达状态数据，被动状态雷达收到数据后，经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，同时在应答信号中要求主动雷达重新发送。当通信错误过多时，被动雷达将通过人机模块报告错误，请求操作手处理。通信中使用了自定义的通信协议保证高可靠的加密传输。

5、 试验结论

我们使用三台经过雷达网络测控系统改造雷达，进行了雷达网络测控实验。从目前的实验结果看，经过改造的雷达能够较好地实现与其他雷达的通信与数据交换，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。

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