宋 玲，蔡祥寶

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

雷達(dá)主機(jī)與雷達(dá)伺服通信接口設(shè)計(jì)

宋 玲，蔡祥寶

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

伺服控制系統(tǒng)是雷達(dá)系統(tǒng)的核心部件，具有隨動(dòng)性，而在惡劣環(huán)境下，伺服控制系統(tǒng)的通信難度顯著提高，使得其設(shè)計(jì)復(fù)雜度及實(shí)現(xiàn)難度也相應(yīng)增加，因此設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單穩(wěn)定且可靠性高的雷達(dá)主機(jī)與雷達(dá)伺服的通信接口就顯得尤為重要。通信接口主要由相應(yīng)的軟硬件及通信協(xié)議組成，其通信協(xié)議采用雷達(dá)主機(jī)與雷達(dá)伺服間的控制報(bào)文和回復(fù)報(bào)文來(lái)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用TI公司生產(chǎn)的專用控制芯片TMS320F28335充當(dāng)控制器，通過(guò)串行通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。利用C語(yǔ)言在Code Composer Studio(CCS)3.3平臺(tái)上編寫相應(yīng)的程序代碼進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了通信接口的邏輯控制與通信。該通信接口的設(shè)計(jì)對(duì)進(jìn)一步提高伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性具有重要作用，同時(shí)也在一定程度上降低了生產(chǎn)成本。

雷達(dá)伺服；雷達(dá)主機(jī)；RS-422；通信協(xié)議

0 引 言

雷達(dá)伺服系統(tǒng)是對(duì)作戰(zhàn)目標(biāo)進(jìn)行雷達(dá)偵察的核心設(shè)備，主要功能是驅(qū)動(dòng)雷達(dá)以各種速度進(jìn)行水平扇掃，并對(duì)雷達(dá)的俯仰角度進(jìn)行調(diào)整，將發(fā)現(xiàn)目標(biāo)(含方位角度)傳至雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)俯仰方向的雷達(dá)偵察設(shè)備姿態(tài)調(diào)整及方位目標(biāo)搜索扇掃。而雷達(dá)主機(jī)作為雷達(dá)伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，需要一個(gè)簡(jiǎn)單穩(wěn)定且可靠性高的通信接口來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的相互傳遞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)天線在水平和俯仰方向的有效轉(zhuǎn)動(dòng)[1-4]。

通信接口作為伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)與其他設(shè)備的數(shù)據(jù)傳遞，對(duì)使用環(huán)境的要求更為嚴(yán)格，因此，一個(gè)穩(wěn)定可靠且成本低的通信接口的設(shè)計(jì)對(duì)雷達(dá)伺服系統(tǒng)顯得尤為重要。為此，提出了一種簡(jiǎn)單穩(wěn)定且可靠性高的通信接口設(shè)計(jì)方案，以滿足系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的通信要求。該方案對(duì)雷達(dá)伺服與雷達(dá)主機(jī)的通信協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使協(xié)議既簡(jiǎn)單又方便解析，并將其設(shè)定為雷達(dá)主機(jī)對(duì)雷達(dá)伺服的控制報(bào)文以及雷達(dá)伺服收到雷達(dá)主機(jī)的控制命令后的回復(fù)報(bào)文，充分利用TI公司生產(chǎn)的專用控制芯片TMS320F28335自帶的串行口SCI，經(jīng)MAX3490ESA電平轉(zhuǎn)換后，將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-422電平信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)主機(jī)與雷達(dá)伺服的硬件通信；采用模塊化的設(shè)計(jì)方法對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用C語(yǔ)言在Code Composer Studio(CCS)3.3軟件開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行代碼編寫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案具備簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、可靠性高、成本低等特點(diǎn)[5-6]。

1 雷達(dá)主機(jī)與雷達(dá)伺服之間的協(xié)議設(shè)計(jì)

雷達(dá)主機(jī)通過(guò)RS-422接口以不小于20 ms的時(shí)間間隔向雷達(dá)伺服發(fā)送控制命令，包括掃描方式、扇掃速度以及扇掃范圍等。雷達(dá)伺服接收到雷達(dá)主機(jī)的命令后，開始執(zhí)行命令，待再收到方位碼讀取脈沖后立即依次回復(fù)數(shù)據(jù)幀1(命令反饋)和數(shù)據(jù)幀2(碼盤值反饋)。為了使數(shù)據(jù)分析更加清晰，將協(xié)議設(shè)定為兩個(gè)方向：一是雷達(dá)主機(jī)發(fā)送給雷達(dá)伺服的控制報(bào)文；二是雷達(dá)伺服回復(fù)給雷達(dá)主機(jī)的回復(fù)報(bào)文。

1.1雷達(dá)主機(jī)發(fā)送給雷達(dá)伺服的控制報(bào)文

雷達(dá)主機(jī)發(fā)送給雷達(dá)伺服的控制幀包括幀頭識(shí)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(yàn)碼等8個(gè)字節(jié)。其中，幀頭識(shí)別碼的作用是為了區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀，防止粘包，占一個(gè)字節(jié)；方位掃描方式是雷達(dá)伺服將要完成的動(dòng)作類型，如扇掃、周掃、定點(diǎn)以及復(fù)位等動(dòng)作，協(xié)議中采用半個(gè)字節(jié)；為了滿足雷達(dá)伺服的速度要求，該協(xié)議將扇掃速度設(shè)定為幾個(gè)固定的速度檔,分別為1°/s、2°/s、5°/s、10°/s、12°/s，并將其設(shè)定為半個(gè)字節(jié)，與方位掃描方式整合到一個(gè)字節(jié)中；協(xié)議中將扇掃范圍定義為一個(gè)字節(jié)，用于表示扇掃動(dòng)作時(shí)扇掃邊界離扇掃中心的遠(yuǎn)近距離；方位中心及俯仰中心分別采用兩個(gè)字節(jié)表示，其中高字節(jié)在前，低字節(jié)在后；最后一個(gè)字節(jié)采用模二碼進(jìn)行校驗(yàn)。具體控制報(bào)文格式如表1所示。

1.2雷達(dá)伺服對(duì)雷達(dá)主機(jī)控制報(bào)文的回復(fù)

為了解析出高精度的目標(biāo)位置，雷達(dá)主機(jī)需要準(zhǔn)確及時(shí)地獲取雷達(dá)伺服當(dāng)前的俯仰角及方位角信息，因此，該協(xié)議規(guī)定，雷達(dá)伺服接收到雷達(dá)主機(jī)的命令后，開始執(zhí)行命令，待再收到方位碼讀取脈沖后立即依次回復(fù)數(shù)據(jù)1(命令反饋)和數(shù)據(jù)2(碼盤值反饋)。數(shù)據(jù)內(nèi)容格式如表2和表3所示。

表1 雷達(dá)主機(jī)發(fā)送給雷達(dá)伺服的數(shù)據(jù)格式

表2 雷達(dá)伺服回復(fù)雷達(dá)主機(jī)的數(shù)據(jù)1格式

表3 雷達(dá)伺服回復(fù)雷達(dá)主機(jī)的數(shù)據(jù)2格式

例如，上位機(jī)設(shè)置指令“方位扇掃，以0°為中心，±15°的扇掃范圍，10°/s”，發(fā)送至雷達(dá)主機(jī)，雷達(dá)主機(jī)在每個(gè)CPI內(nèi)通過(guò)RS-422發(fā)至雷達(dá)伺服，發(fā)送內(nèi)容如下：

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1通信接口選型

作為雷達(dá)伺服系統(tǒng)重要服務(wù)對(duì)象的雷達(dá)主機(jī)，對(duì)通信設(shè)計(jì)的可靠性要求較高，雷達(dá)伺服系統(tǒng)的通信方式根據(jù)雷達(dá)主機(jī)的不同需求而變化。雷達(dá)伺服系統(tǒng)常用的串口通訊方式為RS-232或者RS-485/422，由于RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要有以下四點(diǎn)[7-9]：

(1)接口的信號(hào)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(shí)，波特率為20 kbps；

(3)接口使用共地的傳輸形式，易產(chǎn)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(chǔ)上演變而來(lái)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(qū)動(dòng)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(hào)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(chǔ)上發(fā)展而來(lái)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?？紤]到兩者數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蠹笆褂铆h(huán)境等，該系統(tǒng)選擇RS-422進(jìn)行連接[10-12]。

2.2設(shè)計(jì)原理

該系統(tǒng)利用TI公司生產(chǎn)的專用控制芯片TMS320F28335自帶的串行口SCI，經(jīng)MAX3490ESA電平轉(zhuǎn)換后，將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-422電平信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)主機(jī)與雷達(dá)伺服之間的硬件通信。雷達(dá)主機(jī)和雷達(dá)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(tǒng)的抗干擾能力，降低外部信號(hào)對(duì)主控MCU的干擾，在該系統(tǒng)中，將ADM2490E連接在主控芯片串行口的RX、TX引腳與RS收發(fā)器MAX3490ESA之間，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離。ADM2490E是一款隔離數(shù)據(jù)收發(fā)器，針對(duì)平衡傳輸線路而設(shè)計(jì)，并且采用全雙工通信方式，而RS-422接口也采用平衡驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，即將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-422所需的差動(dòng)電平，由于MAX3490ESA芯片是全雙工設(shè)計(jì)，所以在該系統(tǒng)中只需要接一個(gè)這樣的芯片即可實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，而且降低了設(shè)計(jì)成本。同時(shí)，隔離芯片的加入也增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，從而提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性[13-14]。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是利用C語(yǔ)言在CCS3.3平臺(tái)上編寫，為了方便系統(tǒng)調(diào)試，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。在系統(tǒng)軟件中，將RS-422接口參數(shù)設(shè)置為：全雙工串行異步通信，波特率115 200 bps，8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)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(duì)TMS320F28335進(jìn)行程序初始化，然后對(duì)主循環(huán)模式進(jìn)行判斷，如果有對(duì)應(yīng)模式，則程序開始執(zhí)行對(duì)應(yīng)的子程序，如果沒(méi)有對(duì)應(yīng)模式，則執(zhí)行相應(yīng)的延時(shí)程序。在此期間，主循環(huán)模式不斷地判斷有沒(méi)有模式改變，若有，則執(zhí)行改變后的模式子程序；若沒(méi)有，則接著執(zhí)行原來(lái)的模式子程序。

4 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)主機(jī)與雷達(dá)伺服系統(tǒng)之間簡(jiǎn)單穩(wěn)定且高效可靠的通信，提出了一種通信接口設(shè)計(jì)方案。該方案基于雷達(dá)伺服與雷達(dá)主機(jī)的通信協(xié)議以及通信接口的軟硬件設(shè)計(jì)原理，基于CCS3.3軟件開發(fā)平臺(tái)采用C語(yǔ)言進(jìn)行了代碼編寫，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單可靠且容易解析的通信協(xié)議，在硬件設(shè)計(jì)中，選擇了全雙工通信方式的RS-422通信接口，電平轉(zhuǎn)換芯片也選擇了全雙工工作方式的MAX3490ESA芯片，將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-422所需的差動(dòng)電平。該芯片實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，降低了成本。同時(shí)，全雙工隔離芯片ADM2490E的采用也使得接口的抗干擾能力增強(qiáng)，提升了伺服系統(tǒng)的穩(wěn)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(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-07-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11304159)；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20133223120006)

宋 玲(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楣庾訉W(xué)與光電技術(shù);蔡祥寶，研究生導(dǎo)師，教授，研究方向?yàn)楣怆姽δ懿牧显诠馔ㄐ胖械膽?yīng)用，光纖的損耗、色散、非線性等光學(xué)性能的研究，新型光子器件在光通信中的應(yīng)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