CAN總線在短波電臺集中遙控系統(tǒng)中的應(yīng)用

李 云,馮永浩,王延偉

(空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院,西安 710077)

1 引 言

短波通信由于其傳輸距離遠(yuǎn)、設(shè)備簡單、建站迅速、機(jī)動靈活,已成為軍用無線電通信的重要手段之一。但短波通信易受電離層影響,為保證通信效果一般需要方向性較強(qiáng)的天線,這樣,在作戰(zhàn)指揮所中,常需要設(shè)置多部短波電臺面向多個方向通信,而集中配置電臺又造成指揮所易于暴露,受到攻擊,為此,應(yīng)使短波通信設(shè)備收、發(fā)分離設(shè)置,盡量隱蔽,提高短波無線電通信在信息傳輸中的可靠性和抗毀性,或?qū)χ笓]所短波無線電通信網(wǎng)中的眾多電臺實(shí)施遠(yuǎn)程集中控制,把電臺置于遠(yuǎn)離指揮所的地方。一般大功率短波電臺采用收、發(fā)分離配置,通過遠(yuǎn)程遙控使用電臺,小功率短波電臺基本是收發(fā)一體,雖然短波電臺都具備遙控功能,但基本是一對一使用,有些遙控距離較近,還不滿足安全防護(hù)要求,同時電臺使用效率也較低。為此,研究具備交叉控制功能且作用距離較遠(yuǎn)的短波電臺集中遙控系統(tǒng)十分必要。

由于控制局域網(wǎng) (CAN)總線技術(shù)具有通信速率高、開放性好、糾錯能力強(qiáng)、作用距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)[1],越來越多地應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中,已從汽車電路控制向各個領(lǐng)域擴(kuò)展,如航空模塊化綜合系統(tǒng)的控制總線[2]、廠級生產(chǎn)監(jiān)控[3]或設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控等[4],并逐漸把CAN總線運(yùn)用與以太網(wǎng)相結(jié)合[5],而在通信設(shè)備方面,針對CAN總線技術(shù)的應(yīng)用相對較少,因此,根據(jù)通信設(shè)備在控制、監(jiān)測等方面的需求,探索利用CAN總線技術(shù),對增強(qiáng)通信設(shè)備組織、管理能力具有積極意義。

2 短波電臺集中遙控系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)功能

短波電臺集中遙控系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)16個遙控終端對16部短波電臺實(shí)施多種方式的遙控和通信,其具備的主要功能為:

(1)電臺控制數(shù)據(jù)的傳輸;

(2)16個遙控終端對16部電臺交叉遙控,電臺接口適配器可根據(jù)不同型號的電臺進(jìn)行配置,實(shí)現(xiàn)對不同型號電臺的集中控制與使用;

(3)各遙控終端可完成對所選擇使用電臺的波道、工作種類、收發(fā)轉(zhuǎn)換、頻率、調(diào)諧等的控制;遙控終端可遙控電臺的交流開關(guān)機(jī);

(4)可進(jìn)行主機(jī)對各個電臺實(shí)時狀態(tài)的監(jiān)視,并具有故障的聲光告警和故障隔離功能;

(5)具備熱備份工作方式;

(6)具有掉電后數(shù)據(jù)自動恢復(fù)功能。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

短波電臺的集中遙控系統(tǒng)由16部遙控終端、1部中心交換主機(jī)、16部短波電臺,通過相應(yīng)的電臺接口適配器以無屏蔽雙絞線連接起來,如圖1所示。

圖1 短波電臺集中遙控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of the concentralized remote control system of HF radio

系統(tǒng)中主要傳輸數(shù)據(jù)和音頻兩類信號。從電臺接收的話音通過電臺接口單元音頻線路傳送到中心交換主機(jī),中心交換主機(jī)完成話音的交換,并將交換后的話音送往相應(yīng)的遙控終端,實(shí)現(xiàn)電臺到遙控終端音頻電路的話音通信。對電臺接口單元和中心交換主機(jī)控制數(shù)據(jù)的傳送采用CAN總線來完成,遙控終端、中心交換主機(jī)和電臺接口單元作為總線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)掛接在CAN總線上,如圖2所示,通過CAN總線接收和發(fā)送控制數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶需要對所選用的電臺實(shí)施控制時,通過遙控終端鍵盤發(fā)布指令,遙控終端將該指令發(fā)送到CAN總線上,傳送給中心交換主機(jī),由中心交換主機(jī)完成音頻電路的交換連接,然后遙控終端再發(fā)送一組命令到電臺接口單元,并通過電臺接口單元實(shí)現(xiàn)對電臺的控制。

圖2 CAN節(jié)點(diǎn)及連接關(guān)系Fig.2 CAN node and connective relation

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

短波電臺遙控系統(tǒng)主要由遙控終端、主機(jī)、電臺接口3部分組成,在硬件設(shè)計(jì)中,主要采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,軟件設(shè)計(jì)是用MCS-51匯編語言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。

3.1 主機(jī)

中心交換主機(jī)相當(dāng)于系統(tǒng)話音網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī),完成遙控終端到電臺之間話音的交換功能。它將來自不同電臺的話音線路按照遙控終端用戶的要求同來自不同的遙控終端的話音線路相連接,形成一條“電路交換”的線路,從而完成話音的交換功能。中心交換主機(jī)的軟件流程如圖3所示。當(dāng)中心交換主機(jī)啟動時,主機(jī)首先進(jìn)行自身的初始化和檢測,讀出EEPROM中上一次關(guān)機(jī)前主機(jī)所處的狀態(tài),并根據(jù)其內(nèi)容恢復(fù)其狀態(tài)。自檢完成以后,主機(jī)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輪詢,查找當(dāng)前在線活動的遙控終端或電臺接口單元節(jié)點(diǎn),并根據(jù)輪詢的結(jié)果更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。當(dāng)自檢和網(wǎng)絡(luò)輪詢完成之后,主機(jī)進(jìn)入待命狀態(tài)。

在待命狀態(tài)下,當(dāng)CAN控制器接收到數(shù)據(jù)時,它會向單片機(jī)發(fā)送一中斷信號,促使主機(jī)對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,單片機(jī)根據(jù)接收到的命令,接通或斷開相應(yīng)的連接,同時送出收發(fā)控制信號以控制音頻電路收發(fā)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。在接通或斷開相應(yīng)連接的同時,也改變EEPROM中的數(shù)據(jù)內(nèi)容,以保持其內(nèi)容與網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀態(tài)一致,并將當(dāng)前的狀態(tài)送顯示電路顯示。

圖3 主機(jī)軟件流程Fig.3 Host computer software flowchart

3.2 遙控終端

遙控終端相當(dāng)于電臺的一個遠(yuǎn)程控制器,它由控制電路和音頻電路兩部分組成,如圖4所示。單片機(jī)接收來自鍵盤的控制信息,經(jīng)過程序的處理以圖形文字的方式在液晶屏上顯示,同時利用CAN總線控制器和CAN總線收發(fā)器通過總線向中心交換主機(jī)和所要控制的電臺接口單元發(fā)送控制數(shù)據(jù)命令,從而完成對電臺的控制。當(dāng)用戶按下話筒上的PTT鍵要發(fā)送話音時,遙控終端會向主機(jī)和電臺接口單元發(fā)送命令,使其轉(zhuǎn)換到發(fā)射狀態(tài);反之,當(dāng)用戶話音發(fā)送完畢時(松開PTT鍵),遙控終端又會發(fā)送命令到主機(jī)和電臺接口單元,使它們恢復(fù)到接收狀態(tài)。液晶顯示器主要用來作為人機(jī)交互的界面,顯示遙控終端、電臺和總線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀態(tài),如所選的電臺號、電臺的工作頻率、波道、工作狀態(tài)、收發(fā)狀態(tài)和故障告警等信息。

圖4 遙控終端原理框圖Fig.4 Schematic block diagram of remote control terminal

3.3 電臺接口單元

電臺接口單元起到總線網(wǎng)絡(luò)與電臺之間的橋梁作用,它接收來自網(wǎng)絡(luò)的命令并根據(jù)命令來控制電臺。它由控制電路和音頻電路兩部分組成,如圖5所示。

圖5 電臺接口原理框圖Fig.5 Schematic block diagram of transmitter-receiver interface

當(dāng)電臺接口單元接收到來自某一遙控終端的控制命令時,單片機(jī)通過相應(yīng)處理,將其轉(zhuǎn)換為電臺可接收的命令,經(jīng)過RS-232電平轉(zhuǎn)換電路變?yōu)殡娕_可接收的電平,通過串行口送給電臺實(shí)現(xiàn)對電臺的控制。當(dāng)電臺接口單元接收到查詢命令時,接口單片機(jī)就將電臺當(dāng)前的狀態(tài)數(shù)據(jù)打包成幀,通過總線將數(shù)據(jù)送回到遙控終端。

4 CAN節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的遙控終端、主機(jī)、電臺接口是作為總線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)掛接在CAN總線上,數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都是通過CAN控制器完成的。系統(tǒng)CAN總線控制節(jié)點(diǎn)框圖如圖6所示,其中具體功能電路由遙控終端、主機(jī)、電臺接口各自的功能決定。在設(shè)計(jì)中,以8位單片機(jī)AT89C51為核心,選用SJA1000作為CAN控制器,負(fù)責(zé)與微處理器之間的狀態(tài)、控制和命令信號的交換,并承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)通信的控制任務(wù)。CAN總線收發(fā)器使用了CAN控制器接口芯片P82C250。為了增強(qiáng)控制節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力,防止線路間串?dāng)_,SJA1000通過光耦HCPL2630與P82C250相連,從而使總線上各個CAN節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)隔離,以保護(hù)CAN控制器。

圖6 CAN控制節(jié)點(diǎn)框圖Fig.6 Block diagram of controller node

當(dāng)單片機(jī)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時,它先將數(shù)據(jù)寫入CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū),然后對其發(fā)送一“發(fā)送”命令,CAN控制器就將發(fā)送緩沖區(qū)中的內(nèi)容成幀打包,并以串行序列的形式發(fā)送出去。不論發(fā)送成功與否都對單片機(jī)發(fā)送一中斷,以供單片機(jī)實(shí)時掌握CAN控制器和網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀態(tài)。當(dāng)CAN控制器接收到總線上發(fā)來的數(shù)據(jù)時,先將其存入接收緩沖區(qū),并對單片機(jī)發(fā)送一中斷,單片機(jī)根據(jù)中斷讀出CAN控制器內(nèi)部接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù),并根據(jù)所讀得的數(shù)據(jù)進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序,完成相應(yīng)的功能。

5 結(jié)束語

CAN總線是一種生命力強(qiáng)大的現(xiàn)場總線技術(shù),它一出現(xiàn)便很快地應(yīng)用到社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域,成為了現(xiàn)場總線的一大分支。將CAN總線技術(shù)用于短波電臺集中遙控系統(tǒng)中,使多個控制模塊通過CAN控制器掛接到總線上,形成多主機(jī)局部網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了多個遙控終端對多部短波電臺的綜合遠(yuǎn)程通信控制,運(yùn)用靈活,遙控距離可達(dá)10km,獲得了滿意的效果。因此,利用CAN總線技術(shù),把傳統(tǒng)意義上僅單臺使用的短波通信電臺,集成為具備交換能力的通信系統(tǒng),增強(qiáng)了電臺使用效率,提高了通信可靠性和安全性。

本遙控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了16個遙控終端對16部短波電臺實(shí)施遙控通信,電臺與遙控終端之間采用CAN總線進(jìn)行連結(jié),傳輸控制數(shù)據(jù),通過對電臺控制指令的分析,結(jié)合CAN通信協(xié)議,做到了對電臺使用控制功能的完全替代;利用專線傳輸話音,采用模擬交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)遙控終端話音線路與電臺話音線路的連接,較好處理了電臺控制選擇與話音一致對應(yīng)問題,電臺使用正常。

今后,可進(jìn)一步研究利用CAN總線技術(shù),將不同類型和體制的電臺綜合運(yùn)用或遠(yuǎn)程控制,把CAN總線技術(shù)與通信電臺綜合管理相結(jié)合,使通信電臺實(shí)現(xiàn)信息化管理。

[1] 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1996.WU Kuan-ming.CAN-Bus Principle and Application System Design[M].Beijing:Publishing House of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,1996.(in Chinese)

[2] 楊斌,李阜東.CAN總線在航空模塊化綜合系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電訊技術(shù),2009,49(5):43-48.YANG Bin,LI Fu-dong.Application of CAN Bus in Modular Integrated Avionics Systems[J].Telecommunication Engineering,2009,49(5):43-48.(in Chinese)

[3] 蔡連君.基于CAN總線的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].通信技術(shù),2009(10):150-155.CAI Lian-jun.Production Monitoring System Based on CAN Bus[J].Communications Technology,2009,42(10):150-155.(in Chinese)

[4] 符晗,劉電霆,覃嘉恒.基于CAN總線與以太網(wǎng)的注塑機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].機(jī)械制造與自動化,2008(1):116-117,121.FU Han,LIU Dian-ting,QIN Jia-heng.The Remote Monitor and Control System of Injection Machine Based on CAN and Ethernet[J].Machine Building and Automation,2008(1):116-117,121.(in Chinese)

[5] 艾樹峰.基于89C51單片機(jī)以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān)的接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù),2007,47(6):167-171.AI Shu-feng.Design and Realization of Ethernet-CAN Gateway Interface Based on Micro cont roller 89C51[J].Telecommunication Engineering,2007,47(6):167-171.(in Chinese)