基于CAN總線的模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引 言

　　在軍隊(duì)的訓(xùn)練項(xiàng)目中CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，野戰(zhàn)的射擊姿勢(shì)訓(xùn)練是一個(gè)重要的部分。要求學(xué)員對(duì)在復(fù)雜環(huán)境中突然出現(xiàn)的目標(biāo)，能夠根據(jù)距離遠(yuǎn)近和目標(biāo)大小等特點(diǎn)迅速作出判斷

，并采用正確姿勢(shì)擊中目標(biāo)。這樣的項(xiàng)目若進(jìn)行實(shí)彈訓(xùn)練，則對(duì)環(huán)境要求高，比較難以找到封閉的訓(xùn)練場(chǎng)地;進(jìn)行小組配合訓(xùn)練時(shí)，人員危險(xiǎn)較大;而且，需要人工統(tǒng)計(jì)打靶結(jié)果，不利于橫縱向比較和訓(xùn)練效果分析。

　　為此，本文設(shè)計(jì)了基于紅外接收管和激光發(fā)射器的激光靶模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，以靶面上安裝紅外光敏接收元件的光電靶代替?zhèn)鹘y(tǒng)的靶子，將紅外激發(fā)射光器安裝在步槍頭部，激光發(fā)射開關(guān)安裝在槍機(jī)上，扳動(dòng)槍機(jī)則發(fā)射一次激光脈沖代替子彈，此激光脈沖擊中光電靶時(shí)將被靶上由單片機(jī)構(gòu)成的檢測(cè)器檢測(cè)到，單片機(jī)計(jì)算出擊中的行列坐標(biāo)，通過CAN現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上顯示打靶成績(jī)，并對(duì)訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和管理，從而構(gòu)成了完整的模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)。

       2 系統(tǒng)功能與硬件設(shè)計(jì)

　　激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要由監(jiān)控計(jì)算機(jī)或筆記本電腦、通訊模塊和光電靶3大部分構(gòu)成，其中計(jì)算機(jī)放置在訓(xùn)練場(chǎng)地起點(diǎn)

或中心，由訓(xùn)練的指揮人員操作和控制;光電靶已經(jīng)按與實(shí)際尺寸的70%比例縮小，光電靶按訓(xùn)練要求在訓(xùn)練場(chǎng)地隨機(jī)布置，距射擊者行進(jìn)路線前方或兩側(cè)40至100米范圍內(nèi)，裝在傳統(tǒng)的起倒靶支架上，由起倒靶支架控制。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

　　計(jì)算機(jī)為主控制單元，監(jiān)測(cè)著100m范圍內(nèi)的射擊情況

，采用通訊總線與光電靶上的智能單元進(jìn)行通訊。其中的應(yīng)用程序由VB編寫，因?yàn)閂B作為一種可視化編程語言具有簡(jiǎn)單易學(xué)、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，可以在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出易于操作、界面友好的應(yīng)用程序，而且VB有專用的通訊控件，可以可靠的實(shí)現(xiàn)通訊功能。

　　通訊模塊負(fù)責(zé)幫助計(jì)算機(jī)進(jìn)行CAN總線的通訊。

　　光電靶由通訊板和檢測(cè)板2大部分組成。由于實(shí)際訓(xùn)練中要求目標(biāo)的大小和形狀都有不同，就使得靶子的形狀不一致，因此設(shè)計(jì)了幾種標(biāo)準(zhǔn)形狀的檢測(cè)板，根據(jù)每個(gè)光電靶子外形的不同進(jìn)行拼裝，以滿足訓(xùn)練的需要www.cechina.cn，最大的一塊光電靶需要由4塊形狀不同的檢測(cè)板組成。

　　檢測(cè)板結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，檢測(cè)板上正面每隔2cm放置一個(gè)光電二極管，若光電二極管被擊中則導(dǎo)通，單片機(jī)檢測(cè)到被擊中點(diǎn)坐標(biāo)后控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，通過485串行總線發(fā)送到通訊板，由通訊板負(fù)責(zé)統(tǒng)一將整個(gè)光電靶的擊中信息和工作情況傳送給通訊模塊。

　　每塊個(gè)光電靶都由多個(gè)檢測(cè)板構(gòu)成，為了提高系統(tǒng)效率，加入一塊通訊板，負(fù)責(zé)整理本光電靶信息，統(tǒng)一與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通訊板主要就是統(tǒng)計(jì)并計(jì)算本靶的打中點(diǎn)坐標(biāo)送到上位機(jī)，接受上位機(jī)的消息后傳給檢測(cè)板，使得同一靶子中多塊檢測(cè)板同步動(dòng)作;其次還有故障檢測(cè)的功能。通訊板與檢測(cè)板之間要求通訊即時(shí)、可靠，用485串行總線進(jìn)行工作。這樣的結(jié)構(gòu)使單個(gè)光電靶工作相對(duì)獨(dú)立，方便以后系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展。通訊板的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

       3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 CAN總線的通訊設(shè)計(jì)

　　3.1.1 CAN 總線簡(jiǎn)介

　　控制器局部網(wǎng)（CAN——Controller Area Network）是一種現(xiàn)場(chǎng)總線，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。它以半雙工的方式工作，同一時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，多個(gè)節(jié)點(diǎn)接受信息，可以實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)目煽啃?。在各種現(xiàn)場(chǎng)總線中，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活方便而在工業(yè)控制和車輛中得到廣泛應(yīng)用。

　　CAN總線的信息存取采用廣播式的存取工作方式，信息可以在任何時(shí)候由任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送到空閑的總線上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的CAN總線借口必須接受總線上出現(xiàn)的所有信息，因此各接點(diǎn)都設(shè)置由一個(gè)接收寄存器，接收寄存器首先將信息接收，然后根據(jù)接收信息的標(biāo)示符決定是否讀取信息包中的數(shù)據(jù)，即判定是否使用這一信息。CAN總線協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)就是廢除了傳統(tǒng)的地址編碼，代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。CAN總線面向數(shù)據(jù)而不是面向節(jié)點(diǎn)，采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，假如和減少設(shè)備不影響系統(tǒng)的工作。因此，基于CAN總線的射擊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際要求增加或減少光電靶的數(shù)量。

　　CAN總線每幀收發(fā)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，因而不存在占用總線時(shí)間過長(zhǎng)的問題，可以保證通信的實(shí)時(shí)性，通信速率最高可達(dá)1Mb/s（通信距離40m時(shí)），通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（傳輸速率為5kb/s）.通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。

　　3.1.2 CAN總線通訊的實(shí)現(xiàn)

　　在本系統(tǒng)中，采用PHILIPS公司的SJA1000芯片，通過對(duì)SJA1000的位定時(shí)寄存器進(jìn)行設(shè)置來實(shí)現(xiàn)不同通信波特率的要求，CAN總線的通信撥特率與通信距離有密切的關(guān)系，距離越短，允許的波特率越高，反之亦然。系統(tǒng)采用多主方式工作，其任意節(jié)點(diǎn)任意時(shí)刻都可向總線發(fā)送信息，各節(jié)點(diǎn)通過ACR、AMR進(jìn)行報(bào)文濾波。

　　監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以對(duì)各光電靶進(jìn)行以下2種操作：查詢光電靶工作是否正常;回信確認(rèn)已經(jīng)收到光電靶的檢測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)每隔固定時(shí)間就進(jìn)行一次查詢光電靶工作是否正常的操作，確保光電靶在線并且工作正常。當(dāng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)收到光電靶的擊中信息后，向光電靶回信確認(rèn)已經(jīng)收到檢測(cè)數(shù)據(jù)，然后光電靶的通信板刪除擊中點(diǎn)坐標(biāo)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，避免通信過程中數(shù)據(jù)丟失的情況，確保通信的可靠性。

　　光電靶需要向監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送以下3種內(nèi)容的數(shù)據(jù)：本靶的板子工作均正常且未被擊中;打中信號(hào)與擊中點(diǎn)橫縱坐標(biāo);出錯(cuò)信號(hào)和出錯(cuò)板的板號(hào)。程序流程圖如圖4所示。

　　在CAN的技術(shù)規(guī)范中，規(guī)定了CAN在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層上的標(biāo)準(zhǔn)，用戶在設(shè)計(jì)通信軟件時(shí)，必須線根據(jù)需求設(shè)計(jì)合適的CAN總線通信協(xié)議，才能完成準(zhǔn)確可靠的傳輸。在本系統(tǒng)中，根據(jù)需要制訂通訊協(xié)議如下：

　　addr+cmnd+data…+data+chkxor;

　　其中：addr——發(fā)送方的地址編碼;

　　cmnd——命令碼;

　　data——數(shù)據(jù);

　　chkxor——異或校驗(yàn)碼;

　　在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)區(qū)只有發(fā)送方地址編碼，沒有接收方地址編碼，這是由本系統(tǒng)的特點(diǎn)決定的。各光電靶只需要與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通訊，相互之間沒有聯(lián)系，所以監(jiān)控計(jì)算機(jī)接收總線上的所有信息，其他各節(jié)點(diǎn)通過各自驗(yàn)收濾波器過濾無用信息。

　　3.2 系統(tǒng)檢測(cè)與485通訊部分軟件設(shè)計(jì)

　　光電靶上的通訊板與檢測(cè)板通過485總線以主從方式通訊，通訊板為主機(jī)，檢測(cè)板為從機(jī)，二者以查詢方式聯(lián)系。通訊板與檢測(cè)板通訊框圖如圖5所示。

　　系統(tǒng)初始化完畢后

，通訊板首先查詢一塊檢測(cè)板的狀態(tài)，檢測(cè)板受到查詢信息后，將擊中點(diǎn)坐標(biāo)送回通訊板，若沒有被擊中，則回應(yīng)信號(hào)，表示自己工作正常且沒有被擊中。通訊板收到檢測(cè)板回應(yīng)信號(hào)后，先分析信息類型，如果回應(yīng)信號(hào)表明檢測(cè)板工作正常且沒有被擊中，則通訊板直接查詢下一檢測(cè)板。如果回應(yīng)信號(hào)為擊中點(diǎn)坐標(biāo)，則通訊板此基礎(chǔ)上查詢其他檢測(cè)板，統(tǒng)一計(jì)算打中區(qū)域的中心點(diǎn)坐標(biāo)并送到上位機(jī)。若通訊板在發(fā)出查詢信號(hào)100ms后仍沒有收到這塊檢測(cè)板的回應(yīng)，表示這塊檢測(cè)板工作出現(xiàn)錯(cuò)誤，通訊板查詢下一塊檢測(cè)板。

　　若一塊檢測(cè)板連續(xù)3次沒有回應(yīng)通訊板的查詢信號(hào)，則通訊板向上位機(jī)發(fā)送信息說明這塊檢測(cè)板工作錯(cuò)誤。

4 結(jié)束語

　　軍用射擊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)已在實(shí)際訓(xùn)練中投入運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果表明本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性高，測(cè)量點(diǎn)準(zhǔn)確，運(yùn)行可靠，得到很好的訓(xùn)練效果，應(yīng)用前景廣泛。