CAN总线技术在激光测距机中的应用
CAN总线技术在激光测距机中的应用
作者:韩春生;张森;连文泽
脉冲激光测距机仪是现代雷达系统的重要组成部分,其工作原理是测距机对目标发射窄脉冲激 光束,节激光到达目标后漫反射回到测距机,被接收器接收。 根据光脉冲在发射点与目标间来回一次所经历的时间间隔,获得目标的距离、速度等信息。随着激光测距机的发展,激光测距机各分机 之间的通讯越来越复杂,需要一种简单、可靠的方 式实现激光测距机各分机间的实时通讯。 由千 CAN总线具有速率高、电磁兼容性好、实时性强等 特点,1对此,CAN总线在航空、工业控制、军事哼领域已经得到了广泛应用。本文着重介绍了基于 CAN总线通讯的激光测距机各分机的软硬件实现。
2 硬件设计
2. I 脉冲激光测距机组成
脉冲激光测距机,通常由信息处理机、激励源、发射机、接收机及光学部分组成。 其工作过程为:首先巾光学系统瞄准目标,系统接口发送测距 命令到信息处理机,信息处理机控制激励源发射, 激励凅为发射机提供能显,发射机发射激光,激光 照射到目标后返回接收机,接收机接收返回的激 光并转换为电信号传给信息处理机,信息处理机 韶算出距离信息并发送到系统接口。
其中信息处理机、激励源和接收机电路设计 是本文讨论的重点。 工程中,除了以上关系外,信 息处理机还需要对其他分机的状态进行检测,3个 分机间的距离长达50 m, 并且所有的信息传 递都是模拟信号,由此带来3个问题:
(I)长线传输波形变形,
影响测距精度;
(2)激励源是强电磁干扰源,影响分机间信息传递的准确度;
(3) 各分机间接口关系复杂,不利于分机的改进与创新。
以激励源增加高压检测为例,需要更改 3 处硬件:激励源增加检测功能及输出端口;增加至少1根信号线到信息处理机;信息处理机增加一个输入端口。 这样更改的成本大,可行性不强。
针对以上问题,开发了基于CAN总线的激光测距机。
该设计的3 个分机,均有CAN总线接口,其中接收机内置测距电路。 该设计的优点如下:
(1)接收机与信息处理机的传递是数字信号, 因此不会由于距离的原囚,影响测距精度;
(2)由于CAN总线物理上具有很高的抗电磁干扰能力,并且由千CAN总线的每帧信息都有 CRC校验,囚此其传输信息的可靠性是极高的;
(3) 各分机的接口关系简单,所有的分机都挂在CAN总线上。 如同样是增加激励源高压检测, 其硬件改动只需在激励源分机内部增加高压检测功能。
在软件通讯协议上作适当调整,激励源将相应的信息通过CAN总线打包发送到信息处理机即可。
2.2 信息处理机组成
信息处理机的主要功能为:具有与系统的通讯功能;对其他分机进行控制并实现测距的功能; 对其他分机状态进行状态采集的功能。实现CAN总线通讯常用的器件有控制器SJAl000, 但是其集成度不够高,增大了设计的 体积和增加了成本。 本方案选用的设计是基千XP公司LPC2I19芯片的设计,其内建CAN控制器。
2.3 接收机组成
接收的主要功能为:将发射和返回时刻的激 光信号转化为电信号;通过精确测时功能实现测距;将自身的状态及距离信息通过CAN总线打包 发送至信息处理机。与LPC2119与LPC2114一样能够实现满足激光测距机要求的精确测时功能。
2.4 激励源分机组成
激励源的主要功能为:响应信息处理机指令, 按照严格的时序为发射机提供高电压大电流脉冲能星;对自身重耍参数进行检测;将自身的状态通过CAN总线打包发送至信息处理机。激励源由两部分组成,一部分是时序电路,一 部分是高压电路。 LPC2119电路替代了原激励源 的时序控制电路,由于LPC2119具有20MHz以上 的引脚操作速度和高达17 ns的精确延时,其产生 的时序精度比原时序板提高了 5 倍。
2.5 CAN总线接口
CAN接口部分包括LPC2119 (内置CAN控制器)、光电耦合器和总线收发器。 为了提高系统的抗干扰能力,LPC2119引脚TXI ,RXl与收发器TJA1050并不是直接相连的,而是通过高速光耦6N137后与TJA1050相连,保证了稳定性和安全性。 CAN 总线收发器选 用TJA1050, 由于TJA1050 采用了先进的 SOI (silicon on insulator)技术,因此抗电磁干扰性能得到提高。
2.6 基千LPC2119设计的特点
LPC2119 是基于ARM7TDMI -STM微控制 器1J '带有128 KB嵌入的高速flash存储器 ,实行流水线作业,提供EMBEDDED ICE逻辑,支持片上断点和调试点,具有先进的软件开发和调试环境。 基于LPC2119的设计具有体积小巧,功能完备、性能强大 ,性价比高的优点。 其原因如下: 首先,LPC2119 具有最高 60 MHz内核的运行速度;其次,LPC2119单片 机内置 很多功能强大的模块,如32位定时 器、 10位 ADC、CAN控制器(符合CAN规范CAN2.0B,IS011898 -1; 波特率可达1 Mbps)看门狗等,这些功能模块使分机的硬件设计得以大大简化;第二,基于LPC2119的CAN通讯部分,面积缩小到了4 cm x5 cm, 使其很容易嵌入到其它印制板内部。
3 软件设计
软件的编程环境为ADSI.2, 通过支持实时在线仿真的JTAG接口写入LPC2119。 软件运用模块化设计方法,采用汇编语言与C语言混合编写。程序通讯部分包括:初始化模块、数据接收校块和数据发送模块。
3. I 初始化模块
3. 1. I 波特率 初始化
LPC21 l 9的CAN 波特率 设计需要考虑晶振、微处理器的VPB时钟频率和总线时序寄存器的预分频寄存器 。如:使用16 MHz晶振, VPB 时钟也 设定为16 Hz,CANBTR寄存器设为Oxl c仪0001可得到500 Kbps的波特率。
3. I. 2 端口初始化
LPC2119的引脚都是复用的,需要通过软件对其进行配置 ,使相应的引脚实现CAN 总线功能。 LPC2119芯片共有2个CAN控制器和总线, 设计中采用CANI通道,具体设置如下:"PCONPI =OxOl < <13;PINSEL1 &= ~(Ox03 < < 18); PINSELI I= (OxOl < < 18);"。这样将CANI 控制器 引脚可实现CAN通讯。
3. 1. 3 验收滤波初始化
LPC2119分两种芯片即00版和01版 。此两种芯片的CAN的通道分别是从0和1开始。通过封装也可以识别,如LPC2119/FBD64/00代表00版。00版的地址OxEOOOC020的最低位尤记忆功 能。为了编程方便,可在软件上由以 下程序自动识别版本。通过对 CAN验收过滤器的初始化,其全局验 收过滤器可识别几乎所有总线的11和29位Rx标识符。与SAJIOOO不同,LPC2119可以 实现复杂的验收滤波,其全局验收过滤器模块 包含一个2 KB 的RAM,通过软件处理可在RAM中存放5个标识符表格。 整个RAM可容纳I 024个标准标识符或512个扩展标识符或两种类型混合的标识符。
本设计中采用11位的标准标识符 ,每帧可收或发送 8个字节数据。 总线每秒可最大承载2 500 帧标准帧,其完全可以满足设计 对信息容拭和实 时性的要求。
3.2 接收模块
接收可采用查询或中断的方式,其使用方法灵活。
3.3 发送模块
在总线访问期间,标识符定义一个静态的(固定的)报文优先权。标识符越小的报文,拥有越高 的优先权5」。只要总线空闲,任何单元都可以开始发送报文。如果两个或两个以上的单元同时开 始传送报文,那么就会有总线访问冲突,通过使用 了标识符的逐位仲裁可以觥决这个问题。仲裁是巾硬件自动完成的,因此程序中可以随时发送报文,其具体的语旬为:CANl TFil = (6<<16); CANl TIDl = CJB_ID; CANl TDAl = Datal; CANlTDBl = Data2; CANl CMR = Ox21;
4 结束语
基千该设计的激光测距机,已经应用到了某型号雷达上。在复杂的电磁环境下,各个分机通过CAN总线稳定的进行了长达50m的可靠通讯, 其结构简单、成本低,可靠性高的特点得到了很好体现。LPC2119芯片通过对测距模块和CAN控制 器模块的集成,简化了电路设计,降低了成本,并提高了系统的可靠性。本设计在保证系统可靠工 作和降低成本的条件下,具有实时性和可扩展性 等特点。
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