总参谋部第六十研究所 管文辉 樊长虹

基于CAN总线的智能组合靶标

总参谋部第六十研究所 管文辉 樊长虹

本文在研究CAN协议的原理和应用技术的基础上，提出了一种基于CAN总线应用协议的智能组合靶标设计。文中通过分析CAN协议的结构特点和组合靶标的应用需求提出了具体应用层协议和控制策略，有效解决了多靶标组合应用的控制难题。

智能组合靶标；CAN总线；应用层协议；控制策略

1 引言

目前我军小口径武器实弹射击训练中所使用的靶标都是采用单独动作、统一控制这样的模式。随着实战化训练的要求不断提高，例如靶标智能化程度不够高，训练科目不灵活，靶标布设受山地等复杂地形等因素的影响等不足逐步显现出来。这就要求靶标之间也能够进行信息共享与数据传递，需要一种易于在野外环境下实现数据可靠传递的通信方式。

CAN总线是一种支持分布式控制和和实时控制的串行通信总线。由于其在性能、可靠性、抗干扰性方面的突出优势以及传输高速率的特点使之特别适合于在野外环境下进行设备之间的通信。因此采用CAN总线来构建靶标设备之间的通信网络可有效的实现靶标间信息共享和数据传递。本文设计了一种基于CAN总线电路实现同类别设备间通信的靶标设备，并在硬件基础上提出了对应的CAN应用层协议和控制策略。

图1 系统组成图

2 智能组合靶标系统

2.1 系统组成及应用要求

智能组合靶标由两台或以上具有CAN总线接口的靶标组成，靶标之间通过CAN通信线缆进行连接。根据系统应用要求，在组合应用模式下多台同型靶标可组合成一个大型目标，不同型靶标也可通过CAN总线进行设备间通信。如图1所示四台单兵起倒靶标携带正面坦克靶板，组合成为一个坦克目标。根据系统要求，收到电台控制命令后各靶标必须同时执行起靶动作，当任意一个靶标被命中后所有靶标必须一齐倒靶。为保证动作的一致性，各台靶标之间起倒靶动作时间差不超过0.3秒。

2.2 硬件电路组成

由于靶标控制电路核心处理器内部自带了两路CAN控制器，所以外围电路只需增加CAN收发器就可以进行CAN总线通信。在硬件电路上使用CTM8251T作为收发器，这是一款带隔离的通用CAN收发芯片，内部集成了TVS管，可以防止总线上出现的瞬间高压，速率最高可达1M Bit/s，至少可连接110个节点。

在此网络中有一台靶标是主机，其余为从机，由靶标自动检测连接本机通信线缆的航空插头，根据判断航空插头的短路跳线，靶标自动进入主机或从机通信模式。由于每台靶标内均有电台与控制中心进行通信，作为主机的靶标接收控制中心发来的控制命令并将其转换为CAN协议发送至从机，从而实现对从机的控制。如自检发现本机为从机则靶标自动屏蔽电台通信命令，只接收主机从CAN总线发来的控制命令。

图2 电路组成框图

3 应用层协议

应用协议采用CAN2.0B的29 bit标识符的扩展帧格式，它包括通信内容、标识符编码、数据编码3个部分。

3.1 通信内容

在通信内容部分协议中规定了该总线网络中主机和所有从机的通信内容，包括了同种类型靶标间组合应用和不同靶标类型间组合应用所需要的控制命令、控制参数、状态信息等。协议设计时还充分的考虑了系统扩展的需求。

3.2 标识符编码

当多个节点同时向总线发送报文时，优先级低的节点会主动退出发送，只有最高优先级的节点能够发送数据，有效避免了总线冲突，缩短了总线冲突仲裁时间。本协议的29位标识符分为7个部分。

优先级：2位，用于指示报文的优先级。CAN中有4个优先级，0～3，0为最高级，3为最低级。实时控制命令优先级最高为O，而配置参数、状态信息等非实时信息，依照功能的不同定义其优先级为1～3。

功能码：4位，用于指示报文实现的功能。目前分别为起靶、倒靶、触发火工品、查询、复位、状态上传等6种类型功能。接收节点根据功能码进行相应的处理。

目标地址：10位，共可区分1024个靶标设备。当目标地址为1023时即该消息为广播消息。源地址：10位，共可区分1024个靶标设备。应答位：1位，用于指示该消息是否需要应答。

3.3 数据编码

CAN总线的数据传输采用短帧结构，每帧数据最多8个字节。在靶标进行同步起倒靶控制时，这些字节可以定义各靶标同步的时间差。在靶标外接火工品触发单元时，这些字节可以定义火工品的种类和触发延时时间。在回传靶标状态信息时，可以上传靶标的命中成绩，也可以分时上传靶标的经纬度坐标和天文时间。

4 通信及控制策略

以组合靶标的起倒靶控制为例，设计要求4台起倒靶在组合应用时，为保证同步性，各靶标间需同时起靶倒靶，同步起靶倒靶的时间差不大于0.3秒。运行期间任意一靶标被命中，所有靶标一起倒靶。为保证功能的实现，通信控制策略分为组网初始化、协同自学习、起倒靶控制、命中控制等四个步骤。

在组网初始化和协同自学习过程中，各靶标开机后先确定自己是主机还是从机。同时还要进行一次自检运行即起靶、倒靶动作，以统计本机的起靶、倒靶时间。从机将本机编号、起倒靶时间、电池电量等信息周期性上传给主机。主机统计了各从机状态信息并结合本机状态后确认是否适合进行靶标组合应用。如状态符合要求，则对对每台靶标的起倒靶时间和对应编号进行从小到大重新排列，再计算出每台靶标起倒靶的先后次序和延时时间，将此数据存入二维控制数组中等待调用，其控制流程图如图3所示。完成自学习后靶标即等待控制命令。由于组合应用的各靶标是随机抽选的，使用过程中有可能替换新的靶机。这就要求在网络中需要主机及时判断是否有从机退出网络，同时是否加入了新的从机。其实现的具体方式是：所有从机接入网络后即定时上传本机状态数据。主机端周期性的对其进行刷新，如发现新的从机号上传则在控制数组中建立新的数据单元，如某一从机数据连续超过五个查询周期没有数据加以更新，则认为该从机已退出网络，即从数组中删除该从机数据。

图3 系统初始化流程图

当主机接收到起靶命令后，主机即按计算好的次序和各靶标的运行速度，结合主机自身的起靶时间，依次向各从机发送起靶命令，起靶到位后各从机更新本机的运行数据并周期性上传主机。完成起靶动作后各靶机进入命中检测状态，当任一靶机被命中即发生即时消息给主机，主机按照控制命令设定的命中倒靶发数进行统计。当汇总的命中数据达到命中倒靶发数时主机按照各靶标倒靶的运行速度和先后次序发数倒靶命令给各从机。从机依次倒靶完成一次控制。根据控制命令的需要还可在系统中外接声光发烟设备，同样通过CAN总线在倒靶后发送命令点发烟罐，指示命中效果。

图5 各靶标到位时差实测图

图4 运行控制及命中采集流程图

5 试验结果

在实际调试过程中靶标能够按照规定的要求进行组网连接，在10ms的时间内即可完成四台靶标的组网控制。实测数据显示起倒靶过程中各靶标运行时间差在50ms～80ms之间，如图5所示最快到位靶标与最慢到位靶标的时间差为60ms，满足设计指标0.3s的要求。

6 结语

本设计通过对CAN总线通信协议的分析，结合靶标组合应用的特点，提出了一种有效解决多靶标组合应用的方法，并在设计中得以实现。通过CAN总线技术的应用，使得智能靶标不仅在组合应用中显示了良好的适应性，同时还可以与移动靶标同步使用，可以与武器发射模拟器材配合使用，使得靶标的应用范围不断拓宽，假想敌特性模拟更加逼真，为我军训练器材的网络化、智能化发展进行了一次有益的尝试。

[1]周立功.iCAN现场总线原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007,4.

[2]王帮继,刘庆想,李相强,张健穹.CAN总线应用层协议的应用与实现[J].计算机工程与应用,2011,47(20)14-16.