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論激光探測(cè)系統(tǒng)接口技術(shù)論文
關(guān)鍵詞：激光探測(cè)；接口
摘要：本文論述了激光探測(cè)系統(tǒng)信息接口技術(shù)；討論了激光探測(cè)接口的一般設(shè)計(jì)思想。
1 引言
激光具有波長(zhǎng)單一和良好的方向性，所以和傳統(tǒng)的探測(cè)方法相比，激光探測(cè)具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光告警、激光制導(dǎo)、目標(biāo)識(shí)別等軍事領(lǐng)域，都得到了廣泛應(yīng)用。針對(duì)不同武器系統(tǒng)的需求，激光探測(cè)系統(tǒng)接口呈現(xiàn)出多樣性。
近年來(lái)，隨著應(yīng)用需求和集成化度的增加，激光探測(cè)系內(nèi)部、激光探測(cè)系統(tǒng)和各武器平臺(tái)之間集成了不同廠商的硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，由此帶來(lái)的異構(gòu)性給探測(cè)系統(tǒng)的互操作性、兼容性及平滑升級(jí)能力帶來(lái)了問(wèn)題。
對(duì)激光探測(cè)系統(tǒng)而言，接口技術(shù)的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)。一個(gè)激光探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施，有很大的工作量是在接口的處理上，好的接口設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運(yùn)行效率、升級(jí)能力等，本文以激光探測(cè)系統(tǒng)接口技術(shù)為研究對(duì)象，著重分析其接口技術(shù)類(lèi)型、設(shè)計(jì)考慮因素和驗(yàn)證方法。
2 激光探測(cè)系統(tǒng)幾種主要接口技術(shù)
接口是多要素或多系統(tǒng)之間的公共邊界部分，對(duì)激光探測(cè)系統(tǒng)的接口包括機(jī)械接口、電氣接口、電子接口、軟件接口等，本文著重討論電子接口。按物理電氣特性劃分，常用的激光探測(cè)系統(tǒng)接口類(lèi)型可分為以下幾類(lèi)：
1 TTL電平接口：最通用的接口類(lèi)型，常用做系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間接口信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。驅(qū)動(dòng)能力一般為幾毫安到幾十毫安，在激光探測(cè)系統(tǒng)中主要應(yīng)用是作為長(zhǎng)距離的總線數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的傳輸
2 CMOS電平接口：速度范圍與TTL相仿，驅(qū)動(dòng)能力要弱一些。
3 ECL電平接口：為高速電氣接口，速率可達(dá)幾百兆，但相應(yīng)功耗較大，電磁輻射與干擾與較大。
4 LVDS電平接口：在標(biāo)準(zhǔn)中推薦的最大操作速率是655Mbps，電流驅(qū)動(dòng)模式，信號(hào)的噪聲和EMI都較小。
5 GTL接口電平：低電壓，低擺幅，常用作背板總線型信號(hào)的傳輸，雖然使用頻率一般在100MHz以下，但上升沿一般都比較陡，特別是對(duì)沿敏感的信號(hào)，如時(shí)鐘信號(hào)。
6 RS-232電平接口：為低速串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，電平為±12V，用于DTE與DCE之間的連接。RS-232接口采用不平衡傳輸方式，收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對(duì)于信號(hào)地的電平而言，其共模抑制能力低，傳輸距離近，多用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口通訊。
7 RS-422/RS-485接口：采用平衡方式傳輸，采用差分方式，使其在通訊速率、抗干擾性和傳輸距離較RS-232接口有較大改善。多用于多點(diǎn)接口通迅。RS485電平接口可驅(qū)動(dòng)32個(gè)負(fù)載，忍受-7V到12V共模干擾。
9 光隔離接口：能實(shí)現(xiàn)電氣隔離，更高速率的器件價(jià)格較昂貴。
10 線圈耦合接口：電氣隔離特性好，但允許信號(hào)帶寬有限
11 以太網(wǎng)：經(jīng)常采用的是10Base-T和100Base-T兩種主流標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用激光探測(cè)系統(tǒng)和分系統(tǒng)之間的接口通訊和數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)接口具有性價(jià)比高、數(shù)據(jù)傳輸速率高、資源共享能力強(qiáng)和廣泛的技術(shù)支持等眾多優(yōu)點(diǎn)。
12 USB接口：USB總線接口是一種基于令牌的接口，USB主控制器廣播令牌，總線上的設(shè)備檢測(cè)令牌中的地址是否與自身相符，通過(guò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)對(duì)主機(jī)作出響應(yīng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是安裝配置簡(jiǎn)單。
3 激光探測(cè)系統(tǒng)接口方案設(shè)計(jì)考慮因素
隨著大規(guī)模數(shù)字處理芯片和高速接口芯片的迅猛發(fā)展，激光探測(cè)系統(tǒng)也呈現(xiàn)出智能化、小型化、模塊化的趨勢(shì)。在激光探測(cè)系統(tǒng)中，信息接口的設(shè)計(jì)逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、多節(jié)點(diǎn)、高速等方向展
3.1 接口信號(hào)傳輸中的干擾噪聲
3.1.1 接口信號(hào)傳輸中的主要干擾形式
a)串模干擾：雜散信號(hào)通過(guò)感應(yīng)和輻射的方式進(jìn)入接口信道的干擾。串模干擾的產(chǎn)生原因主要是傳輸中插件等所產(chǎn)生的接觸電勢(shì)、熱電勢(shì)等噪聲引起的。
b)共模干擾：干擾同時(shí)作用在兩根信號(hào)往返線上，而且幅指相同。共模干擾產(chǎn)生的原因，主要是傳輸線路較長(zhǎng)，在發(fā)送端和接收端之間存在著接地的電位差。
3.1.2 接口信號(hào)傳輸中的抗干擾措施
a)傳輸線的選擇
為了抑制由于雜散電磁場(chǎng)通過(guò)電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)進(jìn)入信道的干擾，接口傳輸線應(yīng)盡量選用雙絞線和屏蔽線，并將屏蔽層接地，而且屏蔽層的接地要于激光探測(cè)系統(tǒng)一端浮地的結(jié)構(gòu)形式配合，不要將屏蔽線層當(dāng)作信號(hào)線和公用線。
b)傳輸線的平衡和匹配
采用平衡電路和平衡傳輸結(jié)構(gòu)是抑制共模干擾的有力措施。目前廣泛使用的是差分式平衢性線電路，例如RS-422/RS-485標(biāo)準(zhǔn)串口電路。
接口信號(hào)傳輸時(shí)還要考慮與傳輸線特性阻抗的匹配問(wèn)題。一般長(zhǎng)線傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)器接收器都適用于驅(qū)動(dòng)特性阻抗為50Ω—150Ω的同軸電纜和雙絞線，一般接口接收器的輸入阻抗要比傳輸線的特性阻抗大，因此要設(shè)法將兩者匹配，最好將發(fā)送端和接收端匹配。
控制信號(hào)線的具體配置：控制信號(hào)線要和強(qiáng)電、數(shù)據(jù)總線、地址總線分開(kāi)，盡量選用雙絞線和屏蔽線，并將屏蔽層接地。
c)隔離技術(shù)：電位隔離是常用的抗干擾方法，接口信號(hào)采用光電隔離和電磁隔離可以切斷接口內(nèi)外線路的電氣連接，從而減弱露流、地阻抗耦合等傳導(dǎo)性干擾的影響。 3.2 接口硬件的選擇原則：
3.2.1 為各類(lèi)接口選擇合適的總線接口芯片、接口總線，并設(shè)計(jì)具體的接口電路。
3.2.3 選擇接口芯片時(shí)應(yīng)根據(jù)激光探測(cè)系統(tǒng)CPU/MPU類(lèi)型，總線類(lèi)型／寬度和系統(tǒng)所完成的功能并按照高效、經(jīng)濟(jì)、可靠，方便、簡(jiǎn)單的原則來(lái)確定。
3.2.4 設(shè)計(jì)具體的接口電路應(yīng)具體考慮電源問(wèn)題
3.2.5 數(shù)據(jù)／命令的鎖存和驅(qū)動(dòng)
激光探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部及激光探測(cè)系統(tǒng)和其他系統(tǒng)間實(shí)施數(shù)據(jù)／命令傳輸時(shí)，一般采用數(shù)據(jù)鎖存技術(shù)來(lái)適應(yīng)雙方讀寫(xiě)的時(shí)間要求。
3.3 接口的實(shí)時(shí)性
由于激光探測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求很高，設(shè)計(jì)時(shí)要使時(shí)鐘抖動(dòng)、通道間時(shí)延、工作周期失真以及系統(tǒng)噪聲最小化，所以設(shè)計(jì)接口時(shí)盡量選用高通訊速率和同步工作方式。
接口軟件的設(shè)計(jì)原則
同步通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要充分考慮數(shù)據(jù)流量的控制，最好在數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)每隔一段時(shí)間插入一段空閑時(shí)間，從而保證數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
異步通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要充分考慮合理的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式，可以根據(jù)系統(tǒng)要求選擇冗余校驗(yàn)、校驗(yàn)和、冗余校驗(yàn)的方法。
4 激光探測(cè)系統(tǒng)接口方案設(shè)計(jì)驗(yàn)證
構(gòu)建高速有效的激光探測(cè)系統(tǒng)接口是非常有挑戰(zhàn)性的，并且設(shè)計(jì)者需要在設(shè)計(jì)接口前后就考慮多個(gè)因素，詳細(xì)的系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證都是必須的。
4.1 設(shè)計(jì)前的驗(yàn)證
基于指令集模擬器和硬件模擬器軟硬件模擬技術(shù)是一種高效、低代價(jià)的系統(tǒng)驗(yàn)證方法。接口設(shè)計(jì)軟件采用匯編，C，C++等語(yǔ)言編寫(xiě)，用戶編寫(xiě)的接口源程序經(jīng)過(guò)交叉編譯器和連接器編譯，輸入到軟件指令集模擬器進(jìn)行軟件模擬。而接口硬件驗(yàn)證則采用硬件描述語(yǔ)言如VHDL設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)編譯后由硬件模擬器模擬。但設(shè)計(jì)前的驗(yàn)證也有一定的局限性，比如只能驗(yàn)證數(shù)字接口和驗(yàn)證環(huán)境理想化等缺點(diǎn)。這些都需要設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證
4.2 設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證
最常見(jiàn)的驗(yàn)證方法是制作模擬激光探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部接口和系統(tǒng)間外部接口的通用信號(hào)源，通用信號(hào)源可以模擬探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的如主回波、時(shí)統(tǒng)、顯示、鍵盤(pán)等信號(hào)，也可以模擬輸入外部操控命令，并將激光探測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)、測(cè)量數(shù)據(jù)等信息顯示輸出。
4.3 通過(guò)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，修改設(shè)計(jì)，然后再模擬，最終完成滿足要求的軟硬件接口設(shè)計(jì)。
5 結(jié)束語(yǔ)
隨著大規(guī)模數(shù)字處理芯片和高速接口芯片的迅猛發(fā)展，激光探測(cè)系統(tǒng)也呈現(xiàn)出智能化、小型化、模塊化的趨勢(shì)。在激光探測(cè)系統(tǒng)中，接口的設(shè)計(jì)越來(lái)越重要，但很多技術(shù)人員在做這方面的設(shè)計(jì)時(shí)，往往不注重接口的設(shè)計(jì)工作，缺少對(duì)缺口設(shè)計(jì)的驗(yàn)證工作，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特別是聯(lián)調(diào)工作變得復(fù)雜。
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