摘  要: 利用CAN总线技术对激光敌我识别系统的通信方式进行改进，将系统中的7个节点用1条屏蔽双绞线连接在一起，大大提高了系统可靠性、实时性和灵活性，简化了维修过程，减轻了系统重量，节省了坦克内部空间，同时为坦克内部信息网络化打下了基础。实验证明，采用CAN总线后的敌我识别系统各方面性能都有很大提高，完全可以满足现代战争的要求。 

    关键词:  CAN总线；激光；敌我识别；回波调制；光电探测器

    现代战争中，敌我态势相当复杂，如何快速、准确地识别综合态势中的敌我目标，对作战起着非常关键的作用。敌我识别系统主要采用雷达、毫米波和激光技术，采用激光技术实现的敌我识别系统是地面运动目标间敌我识别的有效方法之一。当前，坦克激光敌我识别系统采用“点到点”方式进行通信和控制,系统各部分之间互连的多芯电缆数量多、体积大，安装和维护困难，限制了系统的可靠性和灵活性，不能满足当前的战争环境的要求^[1]。 

    为了打破系统连接线造成的可靠性和灵活性瓶颈，本文提出了基于CAN总线的坦克回波调制式激光敌我识别系统，详细论述了系统的构成和各部分间CAN总线通信和控制的软硬件实现。 

1 激光敌我识别系统的原理与结构 

1.1  激光敌我识别原理 

    回波调制式激光敌我识别系统中，敌我识别是通过自身发射激光束，由友方目标上设置的反射棱镜装置调制后返回加以判别。其工作原理为:发现目标后首先由询问方向目标方发射编码的激光束作为询问码。若目标为友方，则它安装的光电探测器接收到询问码时，将询问码转换为电信号后传输至微处理器，由微处理器处理后将控制信号发送给反射棱镜前方的回波调制器，将后续发来的识别码由反射棱镜返回并进行调制，再由询问方的激光接收机接收到信号后加以判别^[2]。应答过程和回波调制装置原理如图1所示。 

1.2  激光敌我识别系统的结构及解决方法 

    激光敌我识别系统主要由车长周视镜、坦克帽、显示与控制盒、信号处理箱、激光器、回波调制器、光电探测器组成，其结构如图2所示^[1]。

    车长周视镜用于观测和瞄准目标；坦克帽由耳机和麦克构成，用于车长与内部人员、电台通话和光电辅助通信；显示与控制盒用于对系统各部分进行操作和显示；信号处理箱是系统的核心，内部装有微处理器，对采集来的查询和识别信号进行处理并输出控制信号到回波调制器和相应的瞄准和火控系统；激光器用于发射激光查询和识别信号；回波调制器在微处理器的控制信号作用下对识别码进行调制；光电探测器将接收到的激光回波信号转换成电信号传送到微处理器。 

    从图2可以看出，目前激光敌我识别系统内部各部分之间的通信和控制采用“点到点”的方式，以电缆为传输媒介，采用多达14条多芯电缆相连。由于系统部件和信号种类众多，系统各部分之间的连接线数量多、体积大，系统非常复杂。 

    庞大的连接线系统不仅造成了系统制造和维修复杂，也限制了系统的可靠性和灵活性，使得敌我识别系统不能满足坦克长期在高强度振动和强电磁干扰的作战环境中稳定工作的要求。为了打破系统可靠性的瓶颈，采用CAN 总线传输技术对坦克激光敌我识别系统进行改造，将激光敌我识别系统的7个组成部分作为CAN总线的7个节点，节点间使用一对屏蔽双绞线进行连接。 

2  系统节点的划分 

2.1 CAN总线简介 

    CAN总线是德国Bosch公司为解决现代车辆中的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种数据通信协议标准。CAN总线遵从ISO/OSI模型，分为3层：物理层、数据链路层及应用层。CAN通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，通过标准接插件可方便地连接，传输速率可达1 Mb/s(通信距离<40 m)，直接传输距离最远可达10  km(通信速率<5 kb/s)，同一段总线内最多可接110个设备。与其他总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性^[3]。 

2.2 系统节点划分 

    根据激光敌我识别系统各控制对象的功能和分布位置的不同，将其划分为车长周视镜、坦克帽、显示与控制盒、信号处理箱、激光器、回波调制器、光电探测器7个节点，如图3所示。由这7个节点组成激光敌我识别系统的控制网络，实现网络控制，完成各部分的信息传递^[4]。 

3 CAN通信协议的制定 

    激光敌我识别系统的网络结构相对简单，故采用CAN 2.0A标准。在CAN 2.0A标准帧格式里，仲裁场由11位标识符和RTR位组成。标识符由ID10～ID0组成，这些位的发送顺序是从ID10～ID0，最低位是ID0，并且最高的7位（ID10～ID4）不能全是“隐性”^[3]。 

    根据CAN总线逐位仲裁原理和激光敌我识别系统各部分的特点，将CAN总线仲裁场的11位标识符作以下设计^[5-6]。 

    (1) ID10～ID8 用于定义优先级，如表1所示。可规定0～7个级别，具有最高优先权的节点优先发送数据。当相同优先级别的报文同时发送时，继续在仲裁域内往后进行逐位仲裁，直到有节点胜出为止。 

    (2)ID7～ID6 规定为高低速CAN的标识。用来区分高速与低速CAN报文。其中00表示高速，01表示低速。因为系统中没有需要高速传输和处理的数据，故将ID7和ID6设置为01。 

    (3)ID5～ID0 用于节点信号的分类，如光电探测器传送给主控制箱的光电信号、主控制箱发给激光器及火控装置等的控制信号等。 

4 系统硬件电路设计 

    激光敌我识别系统中有车长周视镜、坦克帽、显示与控制盒、信号处理箱、激光器、回波调制器、光电探测器7个节点，它们分别有各自的微处理器。 

    由于信号处理箱的数据处理量非常大，而且对实时性要求较高，采用TI公司内置CAN驱动器的DSP处理器 TMS320LF2407。DSP处理器的数据处理速度非常快，完全可以满足信号处理箱的需求。显示与控制盒、车长周视镜、坦克帽、光电探测器、激光器、回波调制器等节点处理的数据量相对较小，只需采集和处理与本节点相关的信息，故采用Microchip公司的单片机PIC16F876 和CAN控制器MCP2510。PIC单片机处理速度快、成本低，且具有极强的抗干扰能力，用在数据采集和信息发送与接收节点上是非常合适的。各节点硬件电路原理图分别如图4和图5所示。   

5 系统软件设计 

    应用层软件的设计分为底层驱动软件和顶层功能软件设计。底层驱动程序与节点的具体数据信息以及采用的CAN控制器相关,应根据具体的微处理器和CAN控制器来编写；而顶层功能模块是以CAN2.0A协议为标准,只需采用标准帧格式进行编写即可。 

    底层驱动软件用C语言编写，分为节点主程序和CAN总线通信子程序两部分。 

5.1 节点主程序 

    节点主程序主要包括微处理器初始化、CAN控制器初始化、数据采集与处理和输出控制与显示等部分。节点主程序流程图如图6所示。 

5.2  CAN总线通信程序 

    CAN总线通信程序包括CAN初始化、数据发送和数据接收等^[3]。 

    初始化CAN控制器的操作包括: 硬件使能、软件复位、设置报警界限、设置总线波特率、设置中断工作方式、设置验收滤波器工作方式、设置工作模式并启动CAN等。在初始化过程中要注意数据发送设备和数据接收设备的波特率应相同，否则设备之间无法进行通信。 

    CAN初始化完成后，进入数据的接收和发送阶段。为保证发送数据的完整性,采用查询方式发送数据；同时为保证接收数据的实时性,采用中断方式接收数据。数据发送和接收流程图如图7所示。 

    发送数据时，将待发送的数据打包成符合CAN协议的帧格式后写入发送缓冲区，并自动发送。在写发送缓冲区前必须查询其状态，只有在有空闲的发送缓冲区时才将数据写入。启动发送成功后，通过查询CAN状态寄存器或配置发送成功中断来判断数据是否发送成功。 

    采用中断方式接收数据，在初始化程序中必须使能接收中断。在中断服务子程序中，读取CAN中断允许寄存器，判断是否有接收中断标志，如果有则读取接收缓冲区数据。为防止接收缓冲区中数据溢出，可开辟一个循环接收数据队列来暂时存储数据，主程序则通过查询该队列来获得总线数据。 

    本文提出了采用CAN总线传输技术解决坦克激光敌我识别系统各部件之间的信号传输问题。基于CAN总线的坦克激光敌我识别系统具备CAN总线的三大特征：可靠性、实时性和灵活性。该方案简化了系统的传输线束，去掉了原激光敌我识别系统各部件之间14条多芯电缆，在节约了线束安装空间、减轻了坦克重量的同时，增加了系统的灵活性，提高了系统的可靠性和传输响应的实时性，也为激光敌我识别系统与测距仪、火控系统、通信系统、稳像系统、操纵系统的数据传输远距离实现提供了物理基础，并可进一步发展为数字化战场的网络终端。 

参考文献 

[1] 陈殿仁.激光目标识别与通信系统研究[D].长春:中国科学院长春光学精密机械研究所,2000. 

[2] 尹福昌，张锦凤．激光敌我识别[J]．光子学报,1995(6):226-229. 

[3] Robert Bosch GmbH. CAN Specification Version 2.0[M].1991. 

[4] BOTERENBROOD H. CAN open: high-level protocol for CAN-bus[M].NIKHEF, Amsterdam，Version 3.0. 2000.  

[5] 杨振东. CAN- BUS技术在汽车信息传输中的应用[J]. 汽车工程，2007(4):1-4. 

[6] 王恒升,何清华,薛云. 基于CAN 总线的凿岩机器人分布式控制系统设计[J].传感技术学报，2007，20(3)：711-714.