雷達主機與雷達伺服通信接口設計

宋 玲，蔡祥寶

(南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003)

雷達主機與雷達伺服通信接口設計

宋 玲，蔡祥寶

(南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003)

伺服控制系統是雷達系統的核心部件，具有隨動性，而在惡劣環境下，伺服控制系統的通信難度顯著提高，使得其設計復雜度及實現難度也相應增加，因此設計一種簡單穩定且可靠性高的雷達主機與雷達伺服的通信接口就顯得尤為重要。通信接口主要由相應的軟硬件及通信協議組成，其通信協議采用雷達主機與雷達伺服間的控制報文和回復報文來實現，運用TI公司生產的專用控制芯片TMS320F28335充當控制器，通過串行通信方式來實現數據傳輸。利用C語言在Code Composer Studio(CCS)3.3平臺上編寫相應的程序代碼進而實現了通信接口的邏輯控制與通信。該通信接口的設計對進一步提高伺服控制系統的穩定性、可靠性具有重要作用，同時也在一定程度上降低了生產成本。

雷達伺服；雷達主機；RS-422；通信協議

0 引 言

雷達伺服系統是對作戰目標進行雷達偵察的核心設備，主要功能是驅動雷達以各種速度進行水平扇掃，并對雷達的俯仰角度進行調整，將發現目標(含方位角度)傳至雷達數據處理軟件，實現俯仰方向的雷達偵察設備姿態調整及方位目標搜索扇掃。而雷達主機作為雷達伺服系統的關鍵設備，需要一個簡單穩定且可靠性高的通信接口來實現信息的相互傳遞，進而實現對雷達天線在水平和俯仰方向的有效轉動[1-4]。

通信接口作為伺服系統的關鍵組成部分，負責與其他設備的數據傳遞，對使用環境的要求更為嚴格，因此，一個穩定可靠且成本低的通信接口的設計對雷達伺服系統顯得尤為重要。為此，提出了一種簡單穩定且可靠性高的通信接口設計方案，以滿足系統在惡劣環境下的通信要求。該方案對雷達伺服與雷達主機的通信協議進行了設計，使協議既簡單又方便解析，并將其設定為雷達主機對雷達伺服的控制報文以及雷達伺服收到雷達主機的控制命令后的回復報文，充分利用TI公司生產的專用控制芯片TMS320F28335自帶的串行口SCI，經MAX3490ESA電平轉換后，將TTL電平轉換成RS-422電平信號，從而實現了雷達主機與雷達伺服的硬件通信；采用模塊化的設計方法對軟件進行設計，并用C語言在Code Composer Studio(CCS)3.3軟件開發平臺上進行代碼編寫。實驗結果表明，該方案具備簡單、穩定性高、可靠性高、成本低等特點[5-6]。

1 雷達主機與雷達伺服之間的協議設計

雷達主機通過RS-422接口以不小于20 ms的時間間隔向雷達伺服發送控制命令，包括掃描方式、扇掃速度以及扇掃范圍等。雷達伺服接收到雷達主機的命令后，開始執行命令，待再收到方位碼讀取脈沖后立即依次回復數據幀1(命令反饋)和數據幀2(碼盤值反饋)。為了使數據分析更加清晰，將協議設定為兩個方向：一是雷達主機發送給雷達伺服的控制報文；二是雷達伺服回復給雷達主機的回復報文。

1.1雷達主機發送給雷達伺服的控制報文

雷達主機發送給雷達伺服的控制幀包括幀頭識別碼、方位掃描方式、方位扇掃速度、方位扇掃范圍、方位中心、俯仰中心以及校驗碼等8個字節。其中，幀頭識別碼的作用是為了區分數據幀，防止粘包，占一個字節；方位掃描方式是雷達伺服將要完成的動作類型，如扇掃、周掃、定點以及復位等動作，協議中采用半個字節；為了滿足雷達伺服的速度要求，該協議將扇掃速度設定為幾個固定的速度檔,分別為1°/s、2°/s、5°/s、10°/s、12°/s，并將其設定為半個字節，與方位掃描方式整合到一個字節中；協議中將扇掃范圍定義為一個字節，用于表示扇掃動作時扇掃邊界離扇掃中心的遠近距離；方位中心及俯仰中心分別采用兩個字節表示，其中高字節在前，低字節在后；最后一個字節采用模二碼進行校驗。具體控制報文格式如表1所示。

1.2雷達伺服對雷達主機控制報文的回復

為了解析出高精度的目標位置，雷達主機需要準確及時地獲取雷達伺服當前的俯仰角及方位角信息，因此，該協議規定，雷達伺服接收到雷達主機的命令后，開始執行命令，待再收到方位碼讀取脈沖后立即依次回復數據1(命令反饋)和數據2(碼盤值反饋)。數據內容格式如表2和表3所示。

表1 雷達主機發送給雷達伺服的數據格式

表2 雷達伺服回復雷達主機的數據1格式

表3 雷達伺服回復雷達主機的數據2格式

例如，上位機設置指令“方位扇掃，以0°為中心，±15°的扇掃范圍，10°/s”，發送至雷達主機，雷達主機在每個CPI內通過RS-422發至雷達伺服，發送內容如下：

2 硬件電路設計

2.1通信接口選型

作為雷達伺服系統重要服務對象的雷達主機，對通信設計的可靠性要求較高，雷達伺服系統的通信方式根據雷達主機的不同需求而變化。雷達伺服系統常用的串口通訊方式為RS-232或者RS-485/422，由于RS-232接口標準出現較早，難免有不足之處，主要有以下四點[7-9]：

(1)接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，且不兼容TTL電平；

(2)傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20 kbps；

(3)接口使用共地的傳輸形式，易產生共模干擾，使得抗噪聲干擾性能弱；

(4)傳輸距離有限，最大傳輸距離僅為50英尺。

因此，不選用RS-232作為通信接口。

RS-422是在RS-232的基礎上演變而來的，其在傳輸距離及傳輸速率方面都較RS-232有了極大提高，并且，其接口采用平衡驅動器及拆分接收器組合的方式，使得抗干擾性能有了極大提升。其電氣特性：以兩線間的電壓差為+(2～6)V表示邏輯“1”；以兩線間的電壓差為-(2～6)V表示邏輯“0”。較RS-232的接口信號電平降低了，因此接口電路的芯片不易損壞，且該電平與TTL電平兼容。

而RS-485又是在RS-422的基礎上發展而來的，因此，RS-485與RS-422的許多電氣特性相仿；不同的是，RS-485采用半雙工的工作方式，而RS-422采用全雙工的工作方式。考慮到兩者數據傳輸的要求及使用環境等，該系統選擇RS-422進行連接[10-12]。

2.2設計原理

該系統利用TI公司生產的專用控制芯片TMS320F28335自帶的串行口SCI，經MAX3490ESA電平轉換后，將TTL電平轉換成RS-422電平信號，即可實現雷達主機與雷達伺服之間的硬件通信。雷達主機和雷達伺服之間的通信電路框圖如圖1所示。

圖1 RS-422通信電路框圖

從圖1可以看出，為了提高系統的抗干擾能力，降低外部信號對主控MCU的干擾，在該系統中，將ADM2490E連接在主控芯片串行口的RX、TX引腳與RS收發器MAX3490ESA之間，從而實現信號的隔離。ADM2490E是一款隔離數據收發器，針對平衡傳輸線路而設計，并且采用全雙工通信方式，而RS-422接口也采用平衡驅動器，全雙工通信方式，這樣使得該芯片更好地兼容通信電路。MAX3490ESA芯片的作用是實現電平轉換，即將TTL電平轉換成RS-422所需的差動電平，由于MAX3490ESA芯片是全雙工設計，所以在該系統中只需要接一個這樣的芯片即可實現接收和發送，不僅簡化了系統的電路設計，而且降低了設計成本。同時，隔離芯片的加入也增強了系統的抗干擾能力，從而提升了系統的穩定性及可靠性[13-14]。

3 軟件設計

系統軟件是利用C語言在CCS3.3平臺上編寫，為了方便系統調試，采用模塊化的設計方法。在系統軟件中，將RS-422接口參數設置為：全雙工串行異步通信，波特率115 200 bps，8 bit數據位，1 bit停止位，無奇偶校驗位。具體流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

其工作流程為：先對TMS320F28335進行程序初始化，然后對主循環模式進行判斷，如果有對應模式，則程序開始執行對應的子程序，如果沒有對應模式，則執行相應的延時程序。在此期間，主循環模式不斷地判斷有沒有模式改變，若有，則執行改變后的模式子程序；若沒有，則接著執行原來的模式子程序。

4 結束語

為實現雷達主機與雷達伺服系統之間簡單穩定且高效可靠的通信，提出了一種通信接口設計方案。該方案基于雷達伺服與雷達主機的通信協議以及通信接口的軟硬件設計原理，基于CCS3.3軟件開發平臺采用C語言進行了代碼編寫，設計了簡單可靠且容易解析的通信協議，在硬件設計中，選擇了全雙工通信方式的RS-422通信接口，電平轉換芯片也選擇了全雙工工作方式的MAX3490ESA芯片，將TTL電平轉換成RS-422所需的差動電平。該芯片實現了數據的接收和發送，簡化了系統電路設計，降低了成本。同時，全雙工隔離芯片ADM2490E的采用也使得接口的抗干擾能力增強，提升了伺服系統的穩定性及可靠性。

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Design of Communication Interface between RadarCenter and Radar Servo

SONG Ling，CAI Xiang-bao

(College of Electronic Science and Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China)

Servo control is the core component of the radar system which has the following characteristics.In harsh environment,the difficulty of communication of the servo control system is improved significantly,which makes its design complexity and realization difficulty increased.Thus it is particularly important to design a simple,stable and highly reliable communication interface between radar center and radar servo system.It consists of hardware and software and corresponding communication protocol which relies on controlling and replying messages between radar center and radar servo to achieve and uses special control chip named TMS320F28335 produced by the company TI to act as controllers,which transmits data through serial communication mode.By using C language on the CCS3.3 platform to write the matching program code,it can realize the logic control and the transmitting of the interface.The design of the communication interface plays an important role in improving its stability and reliability,and to some extent can reduce the cost of the production.

radar servo;radar center;RS-422;communication protocol

2016-05-27

：2016-09-08 < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-07-11

國家自然科學基金資助項目(11304159)；教育部博士點基金項目(20133223120006)

宋 玲(1990-)，女，碩士研究生，研究方向為光子學與光電技術;蔡祥寶，研究生導師，教授，研究方向為光電功能材料在光通信中的應用，光纖的損耗、色散、非線性等光學性能的研究，新型光子器件在光通信中的應用。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170711.1452.016.html

TP31

:A

:1673-629X(2017)09-0197-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.09.043