CAN總線在短波電臺集中遙控系統中的應用

李 云,馮永浩,王延偉

(空軍工程大學電訊工程學院,西安 710077)

1 引 言

短波通信由于其傳輸距離遠、設備簡單、建站迅速、機動靈活,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的天線,這樣,在作戰指揮所中,常需要設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,應使短波通信設備收、發分離設置,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,或對指揮所短波無線電通信網中的眾多電臺實施遠程集中控制,把電臺置于遠離指揮所的地方。一般大功率短波電臺采用收、發分離配置,通過遠程遙控使用電臺,小功率短波電臺基本是收發一體,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的短波電臺集中遙控系統十分必要。

由于控制局域網 (CAN)總線技術具有通信速率高、開放性好、糾錯能力強、作用距離遠等特點[1],越來越多地應用于各種控制系統中,已從汽車電路控制向各個領域擴展,如航空模塊化綜合系統的控制總線[2]、廠級生產監控[3]或設備遠程監控等[4],并逐漸把CAN總線運用與以太網相結合[5],而在通信設備方面,針對CAN總線技術的應用相對較少,因此,根據通信設備在控制、監測等方面的需求,探索利用CAN總線技術,對增強通信設備組織、管理能力具有積極意義。

2 短波電臺集中遙控系統功能與結構

2.1 系統功能

短波電臺集中遙控系統(以下簡稱系統)設計實現16個遙控終端對16部短波電臺實施多種方式的遙控和通信,其具備的主要功能為:

(1)電臺控制數據的傳輸;

(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不同型號的電臺進行配置,實現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、收發轉換、頻率、調諧等的控制;遙控終端可遙控電臺的交流開關機;

(4)可進行主機對各個電臺實時狀態的監視,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)具有掉電后數據自動恢復功能。

2.2 系統結構

短波電臺的集中遙控系統由16部遙控終端、1部中心交換主機、16部短波電臺,通過相應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組成結構圖Fig.1 Block diagram of the concentralized remote control system of HF radio

系統中主要傳輸數據和音頻兩類信號。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,中心交換主機完成話音的交換,并將交換后的話音送往相應的遙控終端,實現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控制數據的傳送采用CAN總線來完成,遙控終端、中心交換主機和電臺接口單元作為總線網絡的節點掛接在CAN總線上,如圖2所示,通過CAN總線接收和發送控制數據。當用戶需要對所選用的電臺實施控制時,通過遙控終端鍵盤發布指令,遙控終端將該指令發送到CAN總線上,傳送給中心交換主機,由中心交換主機完成音頻電路的交換連接,然后遙控終端再發送一組命令到電臺接口單元,并通過電臺接口單元實現對電臺的控制。

圖2 CAN節點及連接關系Fig.2 CAN node and connective relation

3 系統設計

短波電臺遙控系統主要由遙控終端、主機、電臺接口3部分組成,在硬件設計中,主要采用模塊化的設計思想,軟件設計是用MCS-51匯編語言進行編程實現。

3.1 主機

中心交換主機相當于系統話音網絡的交換機,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。中心交換主機的軟件流程如圖3所示。當中心交換主機啟動時,主機首先進行自身的初始化和檢測,讀出EEPROM中上一次關機前主機所處的狀態,并根據其內容恢復其狀態。自檢完成以后,主機對網絡進行輪詢,查找當前在線活動的遙控終端或電臺接口單元節點,并根據輪詢的結果更新網絡狀態。當自檢和網絡輪詢完成之后,主機進入待命狀態。

在待命狀態下,當CAN控制器接收到數據時,它會向單片機發送一中斷信號,促使主機對接收的數據進行處理,單片機根據接收到的命令,接通或斷開相應的連接,同時送出收發控制信號以控制音頻電路收發狀態的轉換。在接通或斷開相應連接的同時,也改變EEPROM中的數據內容,以保持其內容與網絡當前的狀態一致,并將當前的狀態送顯示電路顯示。

圖3 主機軟件流程Fig.3 Host computer software flowchart

3.2 遙控終端

遙控終端相當于電臺的一個遠程控制器,它由控制電路和音頻電路兩部分組成,如圖4所示。單片機接收來自鍵盤的控制信息,經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總線收發器通過總線向中心交換主機和所要控制的電臺接口單元發送控制數據命令,從而完成對電臺的控制。當用戶按下話筒上的PTT鍵要發送話音時,遙控終端會向主機和電臺接口單元發送命令,使其轉換到發射狀態;反之,當用戶話音發送完畢時(松開PTT鍵),遙控終端又會發送命令到主機和電臺接口單元,使它們恢復到接收狀態。液晶顯示器主要用來作為人機交互的界面,顯示遙控終端、電臺和總線網絡當前的狀態,如所選的電臺號、電臺的工作頻率、波道、工作狀態、收發狀態和故障告警等信息。

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絡與電臺之間的橋梁作用,它接收來自網絡的命令并根據命令來控制電臺。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,單片機通過相應處理,將其轉換為電臺可接收的命令,經過RS-232電平轉換電路變為電臺可接收的電平,通過串行口送給電臺實現對電臺的控制。當電臺接口單元接收到查詢命令時,接口單片機就將電臺當前的狀態數據打包成幀,通過總線將數據送回到遙控終端。

4 CAN節點硬件設計

系統的遙控終端、主機、電臺接口是作為總線網絡的節點掛接在CAN總線上,數據的發送和接收都是通過CAN控制器完成的。系統CAN總線控制節點框圖如圖6所示,其中具體功能電路由遙控終端、主機、電臺接口各自的功能決定。在設計中,以8位單片機AT89C51為核心,選用SJA1000作為CAN控制器,負責與微處理器之間的狀態、控制和命令信號的交換,并承擔網絡通信的控制任務。CAN總線收發器使用了CAN控制器接口芯片P82C250。為了增強控制節點的抗干擾能力,防止線路間串擾,SJA1000通過光耦HCPL2630與P82C250相連,從而使總線上各個CAN節點之間實現隔離,以保護CAN控制器。

圖6 CAN控制節點框圖Fig.6 Block diagram of controller node

當單片機有數據需要發送時,它先將數據寫入CAN控制器的發送緩沖區,然后對其發送一“發送”命令,CAN控制器就將發送緩沖區中的內容成幀打包,并以串行序列的形式發送出去。不論發送成功與否都對單片機發送一中斷,以供單片機實時掌握CAN控制器和網絡當前的狀態。當CAN控制器接收到總線上發來的數據時,先將其存入接收緩沖區,并對單片機發送一中斷,單片機根據中斷讀出CAN控制器內部接收緩沖區中的數據,并根據所讀得的數據進入相應的中斷服務程序,完成相應的功能。

5 結束語

CAN總線是一種生命力強大的現場總線技術,它一出現便很快地應用到社會生產的各個領域,成為了現場總線的一大分支。將CAN總線技術用于短波電臺集中遙控系統中,使多個控制模塊通過CAN控制器掛接到總線上,形成多主機局部網,實現了多個遙控終端對多部短波電臺的綜合遠程通信控制,運用靈活,遙控距離可達10km,獲得了滿意的效果。因此,利用CAN總線技術,把傳統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,增強了電臺使用效率,提高了通信可靠性和安全性。

本遙控系統實現了16個遙控終端對16部短波電臺實施遙控通信,電臺與遙控終端之間采用CAN總線進行連結,傳輸控制數據,通過對電臺控制指令的分析,結合CAN通信協議,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,采用模擬交換技術實現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問題,電臺使用正常。

今后,可進一步研究利用CAN總線技術,將不同類型和體制的電臺綜合運用或遠程控制,把CAN總線技術與通信電臺綜合管理相結合,使通信電臺實現信息化管理。

[1] 鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,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)

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[4] 符晗,劉電霆,覃嘉恒.基于CAN總線與以太網的注塑機遠程監控系統[J].機械制造與自動化,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)

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