李 云,冯永浩,王延伟

(空军工程大学电讯工程学院,西安 710077)

1 引 言

短波通信由于其传输距离远、设备简单、建站迅速、机动灵活,已成为军用无线电通信的重要手段之一。但短波通信易受电离层影响,为保证通信效果一般需要方向性较强的天线,这样,在作战指挥所中,常需要设置多部短波电台面向多个方向通信,而集中配置电台又造成指挥所易于暴露,受到攻击,为此,应使短波通信设备收、发分离设置,尽量隐蔽,提高短波无线电通信在信息传输中的可靠性和抗毁性,或对指挥所短波无线电通信网中的众多电台实施远程集中控制,把电台置于远离指挥所的地方。一般大功率短波电台采用收、发分离配置,通过远程遥控使用电台,小功率短波电台基本是收发一体,虽然短波电台都具备遥控功能,但基本是一对一使用,有些遥控距离较近,还不满足安全防护要求,同时电台使用效率也较低。为此,研究具备交叉控制功能且作用距离较远的短波电台集中遥控系统十分必要。

由于控制局域网 (CAN)总线技术具有通信速率高、开放性好、纠错能力强、作用距离远等特点[1],越来越多地应用于各种控制系统中,已从汽车电路控制向各个领域扩展,如航空模块化综合系统的控制总线[2]、厂级生产监控[3]或设备远程监控等[4],并逐渐把CAN总线运用与以太网相结合[5],而在通信设备方面,针对CAN总线技术的应用相对较少,因此,根据通信设备在控制、监测等方面的需求,探索利用CAN总线技术,对增强通信设备组织、管理能力具有积极意义。

2 短波电台集中遥控系统功能与结构

2.1 系统功能

短波电台集中遥控系统(以下简称系统)设计实现16个遥控终端对16部短波电台实施多种方式的遥控和通信,其具备的主要功能为:

(1)电台控制数据的传输;

(2)16个遥控终端对16部电台交叉遥控,电台接口适配器可根据不同型号的电台进行配置,实现对不同型号电台的集中控制与使用;

(3)各遥控终端可完成对所选择使用电台的波道、工作种类、收发转换、频率、调谐等的控制;遥控终端可遥控电台的交流开关机;

(4)可进行主机对各个电台实时状态的监视,并具有故障的声光告警和故障隔离功能;

(5)具备热备份工作方式;

(6)具有掉电后数据自动恢复功能。

2.2 系统结构

短波电台的集中遥控系统由16部遥控终端、1部中心交换主机、16部短波电台,通过相应的电台接口适配器以无屏蔽双绞线连接起来,如图1所示。

图1 短波电台集中遥控系统组成结构图Fig.1 Block diagram of the concentralized remote control system of HF radio

系统中主要传输数据和音频两类信号。从电台接收的话音通过电台接口单元音频线路传送到中心交换主机,中心交换主机完成话音的交换,并将交换后的话音送往相应的遥控终端,实现电台到遥控终端音频电路的话音通信。对电台接口单元和中心交换主机控制数据的传送采用CAN总线来完成,遥控终端、中心交换主机和电台接口单元作为总线网络的节点挂接在CAN总线上,如图2所示,通过CAN总线接收和发送控制数据。当用户需要对所选用的电台实施控制时,通过遥控终端键盘发布指令,遥控终端将该指令发送到CAN总线上,传送给中心交换主机,由中心交换主机完成音频电路的交换连接,然后遥控终端再发送一组命令到电台接口单元,并通过电台接口单元实现对电台的控制。

图2 CAN节点及连接关系Fig.2 CAN node and connective relation

3 系统设计

短波电台遥控系统主要由遥控终端、主机、电台接口3部分组成,在硬件设计中,主要采用模块化的设计思想,软件设计是用MCS-51汇编语言进行编程实现。

3.1 主机

中心交换主机相当于系统话音网络的交换机,完成遥控终端到电台之间话音的交换功能。它将来自不同电台的话音线路按照遥控终端用户的要求同来自不同的遥控终端的话音线路相连接,形成一条“电路交换”的线路,从而完成话音的交换功能。中心交换主机的软件流程如图3所示。当中心交换主机启动时,主机首先进行自身的初始化和检测,读出EEPROM中上一次关机前主机所处的状态,并根据其内容恢复其状态。自检完成以后,主机对网络进行轮询,查找当前在线活动的遥控终端或电台接口单元节点,并根据轮询的结果更新网络状态。当自检和网络轮询完成之后,主机进入待命状态。

在待命状态下,当CAN控制器接收到数据时,它会向单片机发送一中断信号,促使主机对接收的数据进行处理,单片机根据接收到的命令,接通或断开相应的连接,同时送出收发控制信号以控制音频电路收发状态的转换。在接通或断开相应连接的同时,也改变EEPROM中的数据内容,以保持其内容与网络当前的状态一致,并将当前的状态送显示电路显示。

图3 主机软件流程Fig.3 Host computer software flowchart

3.2 遥控终端

遥控终端相当于电台的一个远程控制器,它由控制电路和音频电路两部分组成,如图4所示。单片机接收来自键盘的控制信息,经过程序的处理以图形文字的方式在液晶屏上显示,同时利用CAN总线控制器和CAN总线收发器通过总线向中心交换主机和所要控制的电台接口单元发送控制数据命令,从而完成对电台的控制。当用户按下话筒上的PTT键要发送话音时,遥控终端会向主机和电台接口单元发送命令,使其转换到发射状态;反之,当用户话音发送完毕时(松开PTT键),遥控终端又会发送命令到主机和电台接口单元,使它们恢复到接收状态。液晶显示器主要用来作为人机交互的界面,显示遥控终端、电台和总线网络当前的状态,如所选的电台号、电台的工作频率、波道、工作状态、收发状态和故障告警等信息。

图4 遥控终端原理框图Fig.4 Schematic block diagram of remote control terminal

3.3 电台接口单元

电台接口单元起到总线网络与电台之间的桥梁作用,它接收来自网络的命令并根据命令来控制电台。它由控制电路和音频电路两部分组成,如图5所示。

图5 电台接口原理框图Fig.5 Schematic block diagram of transmitter-receiver interface

当电台接口单元接收到来自某一遥控终端的控制命令时,单片机通过相应处理,将其转换为电台可接收的命令,经过RS-232电平转换电路变为电台可接收的电平,通过串行口送给电台实现对电台的控制。当电台接口单元接收到查询命令时,接口单片机就将电台当前的状态数据打包成帧,通过总线将数据送回到遥控终端。

4 CAN节点硬件设计

系统的遥控终端、主机、电台接口是作为总线网络的节点挂接在CAN总线上,数据的发送和接收都是通过CAN控制器完成的。系统CAN总线控制节点框图如图6所示,其中具体功能电路由遥控终端、主机、电台接口各自的功能决定。在设计中,以8位单片机AT89C51为核心,选用SJA1000作为CAN控制器,负责与微处理器之间的状态、控制和命令信号的交换,并承担网络通信的控制任务。CAN总线收发器使用了CAN控制器接口芯片P82C250。为了增强控制节点的抗干扰能力,防止线路间串扰,SJA1000通过光耦HCPL2630与P82C250相连,从而使总线上各个CAN节点之间实现隔离,以保护CAN控制器。

图6 CAN控制节点框图Fig.6 Block diagram of controller node

当单片机有数据需要发送时,它先将数据写入CAN控制器的发送缓冲区,然后对其发送一“发送”命令,CAN控制器就将发送缓冲区中的内容成帧打包,并以串行序列的形式发送出去。不论发送成功与否都对单片机发送一中断,以供单片机实时掌握CAN控制器和网络当前的状态。当CAN控制器接收到总线上发来的数据时,先将其存入接收缓冲区,并对单片机发送一中断,单片机根据中断读出CAN控制器内部接收缓冲区中的数据,并根据所读得的数据进入相应的中断服务程序,完成相应的功能。

5 结束语

CAN总线是一种生命力强大的现场总线技术,它一出现便很快地应用到社会生产的各个领域,成为了现场总线的一大分支。将CAN总线技术用于短波电台集中遥控系统中,使多个控制模块通过CAN控制器挂接到总线上,形成多主机局部网,实现了多个遥控终端对多部短波电台的综合远程通信控制,运用灵活,遥控距离可达10km,获得了满意的效果。因此,利用CAN总线技术,把传统意义上仅单台使用的短波通信电台,集成为具备交换能力的通信系统,增强了电台使用效率,提高了通信可靠性和安全性。

本遥控系统实现了16个遥控终端对16部短波电台实施遥控通信,电台与遥控终端之间采用CAN总线进行连结,传输控制数据,通过对电台控制指令的分析,结合CAN通信协议,做到了对电台使用控制功能的完全替代;利用专线传输话音,采用模拟交换技术实现遥控终端话音线路与电台话音线路的连接,较好处理了电台控制选择与话音一致对应问题,电台使用正常。

今后,可进一步研究利用CAN总线技术,将不同类型和体制的电台综合运用或远程控制,把CAN总线技术与通信电台综合管理相结合,使通信电台实现信息化管理。

[1] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,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] 杨斌,李阜东.CAN总线在航空模块化综合系统中的应用[J].电讯技术,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] 蔡连君.基于CAN总线的生产监控系统研究[J].通信技术,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,刘电霆,覃嘉恒.基于CAN总线与以太网的注塑机远程监控系统[J].机械制造与自动化,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] 艾树峰.基于89C51单片机以太网-CAN网关的接口设计与实现[J].电讯技术,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)