浅谈车辆综合电子系统

1、浅谈车辆综合电子系统1、绪论装甲车辆综合电子系统是当今武器装甲车辆的重要技术，是把电子信息技术 融合到传统的装甲车辆中形成装甲车辆综合电子系统，是当前世界各国竞相开展的一项重要工作，是未来装甲车辆提高综合效能，实现数字化战场的基础。战场 数字化的未来将取决于军用车辆电子的功能， 更为重要的是取决于车辆电子学的 发展潜力。电子化综合技术是建立以计算机为核心， 以数据总线为纽带，把乘员、车辆 各子系统及整个战场指挥控制系统有机联系在一起的综合体系。车辆综合电子系统把自动目标探测和目标跟踪火控系统、 炮控系统、车辆辅助防御系统、通信和 定位导航系统、车辆状况（油料、弹药储备、故障、火灾等）监测、故障

2、诊断系统、 人机接口装置、自动化管理模块等系统综合成有机的整体。 这一技术的应用使装 甲车辆的作战能力有了大幅度提高，提高了装甲车辆操作自动化的程度和指挥控 制能力.装甲车辆综合电子系统是应用现代计算机数字集散控制、分布式系统控 制和管理、系统优化设计、总线通信控制等高新技术，对现代装甲车辆中的信息 采集、处理、传输与显示系统、目标探测与跟踪系统、稳定瞄准系统、操瞄系统、 炮控系统、火控解算系统及车辆行驶控制系统 （传行操系统卜定位与导航系统、 防护系统、电源分配与管理系统等，实施集中管理，分散控制，分配与协调各分系 统的功能，进行全系统工况监控及故障定位，故障隔离，保证车辆电子、电气系统 始

3、终处于最佳的工作状态，提高战车的总体作战效能，并通过车际指控系统提高 装甲车辆在集成作战环境中的协同作战能力。 装甲车辆电子综合系统是通过信息 共享,达到功能综合，使车内的子系统性能提高，从而使坦克的总体性能和作战效 能倍增.除了提高传统的火力，防护和机动性能外，它还加强了车内的指挥控制 能力。这是未来武器系统的重要性能，是今后战争中体系对抗的基础，是用高新 技术改造和发展武器的主要技术途径。从国外的情况看，各装甲车辆生产国家从20世纪70年代开始投入大量人力、 物力进行装甲车辆综合电子系统的研制，经过20多年的努力，美国的M1A2装甲车 辆、法国的勒克莱尔装甲车辆、英国的挑战者装甲车辆、德国

4、的豹2装甲车辆及 日本的90式装甲车辆已开始装备部队.2、综电系统的发展与关键技术综电系统的发展充分利用了 20世纪70年代以来的微电子技术、计算机技术、 数字通信技术、图像处理技术、传感器技术等新技术成果，形成了以车辆电子学 为理论基础，多路总线传输为核心，强调车内、车际信息传输的新型装甲车辆， 使得这些装甲车辆的综合作战效能取得根本性飞跃。从坦克电子系统的发展过程 来看，经历了以下阶段，形成了不同阶段的电子系统概念。 走过了分离设备电子 系统、局部综合电子系统、综合电子系统三个阶段过程 .1）分离设备电子系统分离设备电子系统是第一代坦克采用的电子系统。当时，数字计算机技术尚未用于坦克电子系

5、统，电子设备是为完成某一功能而独立设置的。因此 ，各电子 设备是分离存在的。大多数设备或子系统完成单项功能， 独立运行工作，少数设备或子系统通过电缆相互连接后，进行信号交连。在设计时，按专业化的功能进行系统设计。子系统的信息获取、传输、处理、使用等环节，均围绕着某一功能 自成体系，这种专业化的功能子系统采用独立分散结构。而后，采用自下而上的 组合方法，将各个自成体系的功能子系统以电缆相互连接，完成全系统所需的全部功能.由于它按专业化功能设计子系统，其追求的目标是某一子功能具有高性 能和高精度.传统的坦克电子系统因缺乏全系统效能的统一考虑，所以难以兼顾 体积、重量、成本、性能、价格、功能等约束条

6、件，难以实现全系统的优化.具有代表性的产品是 20世纪60至70年代生产的T59、T60、T72、M48、M60等 坦克所装备的电子系统。传统的坦克电子系统的基本特征是：由专业化的功能子 系统组成，采用独立分散式结构；资源大多不能共享，不可相互调配使用；采用自下而上的装配式设计方法。2）局部综合电子系统它是第二代坦克电子系统。当时，数字计算机技术已用于坦克电子系统。 特 别是以大规模集成电路为基础的微型计算机的出现，使坦克电子系统的技术水平得到大幅度地提高，不少数字式电子子系统应运而生。但是由于当时的微型计算 机集成度低并且成本高，不可能在坦克中大量使用。因此，出现了单项复杂功能一 体化的子系

7、统。其设计思想是充分发挥计算机的作用，将单项的复杂功能看成一 个整体，进行功能一体化设计、资源统一配置，实现了子系统的功能综合化。这 种坦克电子系统的特点是实现了局部综合化，各子系统可以独立工作，但子系统内 设的设备却难以独立工作，数字计算机技术、信号处理技术、半导体集成电路技 术已用于子系统.具有代表性的子系统有：M60A3坦克、豹1A4坦克装备的电子系 统。综合火力控制系统：它实现坦克的多种武器、多种战斗工作方式的综合火力控制。将目标搜索、跟踪、火力控制解算、作战操作控制综合在一起。综合导 航系统：利用惯性导航和GPS导航功能，由计算机将两个导航系统综合为一个 导航系统。典型的坦克电子系统

8、有：美国M1A2、德国豹2、俄罗斯T80、英国挑战者、意大利公羊1、以色列梅卡瓦等坦克所装备的电子系统。3）综合电子系统它是第三代坦克电子系统。随着微型计算机技术、数据通信技术的高度发展， 特别是超大规模集成电路和超高速集成电路的出现，使坦克电子系统的功能，都能用计算机实现数字化。这种数字化发展趋势为以多路传输总线技术为基础的综 合电子系统的出现创造了条件。多路传输总线技术的发展和微型计算机价格的降 低为坦克综合电子系统奠定了基础.在这种情况下，使得将坦克作战任务所需的 全部功能作为一个整体来设计坦克电子系统成为可能。可以从统一实现全部功能 的角度，进行资源的统一配置、统一调用，资源共享.系统

9、可以进行重构。大量使 用计算机和计算机网络技术，使全系统充分实现数字化.这时，全系统的功能相互融合，难以分离。就实现单项功能的子系统而言，如坦克火力控制系统和导航 系统等，具概念发生了深刻的变化.从硬件上讲，它们原来所具有的独立实体设 备，现在变成了在计算机网络上运行的应用软件；这些软件可能存贮于若干块插 件内而附于某些计算机中。也就是说，火力控制和导航等系统将从硬件上失去独 立性，不再是独立完整的硬件系统。为了满足坦克日益增加的作战功能，仅用增加单元电子设备数量和提高其性 能的办法是不行的。因为电子设备数量受坦克内空间、系统可靠性和效费比的制 约。为了保证单元电子设备的多功能性、 通用化及信

10、息的综合利用，则必须寻求 既满足功能要求，又减少单元设备数量，并降低价格、降低功耗、减小体积的方法.随着微电子技术、多路传输总线技术、软件技术的发展，使坦克电子设备动 态重构成为可能，从而形成了坦克综合电子系统，坦克综合电子系统与传统的坦 克电子系统有很大区别。坦克电子系统的基本特征是：全部功能一体化；资源共享（包括：软件、硬件、 信息等）,统一配置和调配使用；采用自顶而下设计方法；采用数字技术和多路传 输总线技术.它统筹安排系统的全部任务，进行系统的任务划分和功能分解，追求 的目标是坦克的综合作战效能最优化。现代坦克的作战能力取决于坦克的车辆系 统、火力系统和电子系统的综合性能。而未来坦克的

11、作战能力将更多地取决于坦 克电子系统对坦克作战行动、火力控制、通讯指挥和主动防御等方面的保障能力。 坦克综合电子系统往往要一体化地考虑以下主要功能：雷达数据处理与传输、目标探测/瞄准稳定跟踪、微光夜视/红外热像、GPS综合导航定位、多武器管理 及火力控制解算、短波和超短波通信、敌我识别、威胁告警、综合电子显示、自 动装填控制、电源系统管理/控制和分配、发动机系统控制、电液自动操纵、全 系统管理及系统余度/重构管理、车辆状态参数记录、系统自检测、维修自检测 等。综合电子系统白相关技术有：综合电子系统的关键技术、综合电子系统的支 持技术和综合电子系统的管理与开发技术。（1）综合电子系统的关键技术。

12、这里所述的综合电子系统的关键技术，主要 讲系统综合技术，不包括子系统方面的技术。归纳起来分为五方面，具体是：综合 电子系统的计算机管理技术；综合显示和综合控制技术；多路传输总线技术；传 感器与执行/控制机构的数字化（系统自检测（BIT）和内在自动测试设备（ATB支 持技术。（2）开发综合电子系统的支持技术.开发综合电子系统的支持技术，是有关综 合电子系统研制手段和支持设施的相关技术。归纳起来分为五方面，具体是：动态模拟设施；总线实验室和总线通信软件包；综合显示与综合控制仿真评价系统； 子系统模拟器和激励器；（ATE设备（自动检测设备）0（3）综合电子系统的管理与开发技术。车辆综合电子系统的开发

13、与管理集理 论、方法、技术、管理于一体，工程设计时应采用科学的设计方法和进行系统地 管理，设计和管理应考虑以下各个因素：自顶向下的设计方法；？乘员操作程序 设计;ICD接口控制技术；MECA+BIT+ATE勺设计方法；（工程化的软件开发和管 理办法；）各级AIS和ATP质量控制方法.装甲车辆综合电子系统应用现代高新技术对战斗车辆的各分系统实施集中 管理、分散控制，协调各分系统功能，进行全车的工况监控及故障定位、故障隔 离,提高武器平台的作战效能。通过车际信息系统，提高武器平台在数字信息化 战场中的适应能力。陆军数字化是信息时代陆军现代化的发展方向，在现代的装甲部队中，信息化和机械化在装备中得到

14、高度统一.一方面，信息化必须以机械化 装备为载体、为平台；另一方面，机械化装备，如坦克、步战车、自行火炮、侦察车、指挥车、通信车以及数字式指挥自动化系统等，要在信息化的带动下， 通过建设数字化装备，为合成作战、体系对抗的建设要求提供装备基础。军事技 术的创新，推动了武器装备跨越式地向前发展。3、关于信息的理解和消息传输技术分析3.1信息要理解信息，首先需要搞清楚什么是数据。数据 ，是指有意义的实体，涉及事物的形式。而信息则包括这些数据的内容和解释 .我们可以从以下几个方面来 加深对信息的理解：1）信源数字模型信源的几种可能的状态及这些状态的出现概率组成了信源数学模型。2）自信息（信源）状态Ui

15、发生后所含有的信息量称为自信息。它反映了状态Ui发生前的不确 定性。完全消除不确定性所需的信息3）信息嫡自信息的数学期望称为信息嫡。即信源发生后，每个状态所提供的信息量。 它反映了信源输出前平均不确定性，也称为先验嫡 .4）后验嫡信宿在接收到输出状态后，关于信源的平均不确定性称为后验嫡。5）条件嫡后验嫡在输出状态集中求期望，得到条件嫡.这个条件嫡表示在输出端（信 宿）收到全部输出状态集合后，对于输入端（信源）的状态集尚存在的不确定性 （疑义度）.它是由于干扰（噪声）引起的。6）信道模型信道的数字模型的三元组为信源输入状态集，信宿输出状态集、信道的传输 概率.反映信道的输入与输出的关系。7）信道

16、容量对于给定信道的互信息，一定存在一种概率分布 ，使得互信息达到最大。这 个最大的互信息称为信道容量。关于信息，我们更多地是关注于信息量。信息量是个很抽象的概念。我们常常说信息很多，或者信息较少，但却很难说 清楚信息到底有多少。比如一本五十万字的中文书到底有多少信息量。 直到1948 年，香农提出了 “信息嫡”的概念，才解决了对信息的量化度量问题。一条信息的信息量大小和它的不确定性有直接的关系.比如说，我们要搞清楚一件非常非常不确定的事，或是我们一无所知的事情，就需要了解大量的信息. 相反，如果我们对某件事已经有了较多的了解，我们不需要太多的信息就能把它 搞清楚。所以，从这个角度，我们可以认为

17、，信息量的度量就等于不确定性的多 少。那么我们如何量化的度量信息量呢？我们来看一个例子，马上要举行世界杯 赛了。大家都很关心谁会是冠军.假如我错过了看世界杯，赛后我问一个知道比 赛结果的观众“哪支球队是冠军” ？他不愿意直接告诉我，而要让我猜，并且我每 猜一次，他要收一元钱才肯告诉我是否猜对了 ，那么我需要付给他多少钱才能知 道谁是冠军呢？ 我可以把球队编上号，从1到32,然后提问：”冠军的球队在 1-16号中吗？”假如他告诉我猜对了，我会接着问：“冠军在18号中吗？"假 如他告诉我猜错了，我自然知道冠军队在9-16中。这样只需要五次， 我就能 知道哪支球队是冠军。所以，谁是世界杯冠

18、军这条消息的信息量只值五块钱。当然，香农不是用钱，而是用“比特”（bit ）这个概念来度量信息量。一个比特是一位二进制数，计算机中的一个字节是八个比特。在上面的例子中，这 条消息的信息量是五比特。（如果有朝一日有六十四个队进入决赛阶段的比赛，那么“谁世界杯冠军”的信息量就是六比特，因为我们要多猜一次）。信息量的比特数和所有可能情况的对数函数log有关。（log32=5, log64=6）。3。2消息传输技术分析信息传输是基于传输方向、多里复用技术、同步方式以及差错控制技术四种 技术上的.3。2。1传输方向介绍基于总线的通信中数据通常是在两个站(如终端和微机)之间进行传送，按 照同一数据流的方向

19、可分为3种基本传送模式，即单工、半双工和全双工信息传 送.1、单工传送当数据的发送和接收方向固定，采用单双工通信方式。2、半双工通信方式同一根传输线既作输入又作输出时，虽然数据可以在两个方向上传送，但通 信双方不能同时收发数据，这样的传送方式是半双工制。采用半双工时，通信系 统每一段的发送器和接收器都要通过收/法开关接收到通信线上，进行方向的切 换，因此会产生时间延迟。3、全双工传送数据的发送和接收分流分别由两根不同的传输线传输， 通信双方能同时进行 发送和接收操作，此传送方式就是全双工模式。在全双工方式下，通信系统的每 一端都设置了发送器和接收器。全双工方式无需进行方向的切换，这适合有时间

20、延误的交互式应用。3.2。2多路复用技术介绍总线多路复用技术主要包括时分多路复用、 频分多路复用、波分多路复用以 及码分多路复用等。频分复用是用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个 频带.因此，频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源 .时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧。每一个时分复用的用 户在每一个帧中占有固定序号的时隙。波分复用是光的频分复用。光纤技术的应用使得数据传输速率空前提高.码分复用是另一种共享信道的方法。通过这种方式 ，可以在同样时间内使用 同样频率进行通信。3。2.3同步方式及差错控制技术介绍1、同步方式：在传送数据信号时，接收端必须有与

21、数据位脉冲相同频率的 时钟来逐位的将数据读入寄存器。这种在接收端使数据位与时钟在频率和相位上 和发送端保持一致的机制称为同步。实现这种同步的技术称为同步方式.根据在接收端获取同步信号的方法不同，同步方式分为异步传输方式和同步传输方式。2、差错控制技术：数字信号在通信系统中传输时，由于系统特性不理想和 信道中有噪声干扰，从而引起数字信号波形的失真，在接收判决时可能误判而造 成误码.为了减少错误，人们需要利用差错控制的方法来提高信号传输的可靠性 和准确度。利用差错控制编码来控制传输系统的传输差错的方法称为差错控制方法。差错控制编码按照能发现错误和能纠正错误分为检错码、纠错码两类.检错码只发现错误，

22、而不能纠正错误。纠错码不仅能发现错误，而且能自动纠正错误。根据 检错码和纠错码的结构不同形成了不同的差错控制方式，其基本工作方式可分成 自动请求重发方式、前向纠错方式、混合纠错方式、信息反馈方式。(1)自动请求重发方式：利用检错编码，使得在系统的接收端编码器能发现错误，但不知道差错的确切位置，无法自动纠正，所以使用自动请求重发工作 方式。(2)前向纠错方式：利用纠错编码，使得在系统的接收端译码器能发现错误 并能准确地判断差错的位置，从而自动纠正它们。(3)混合纠错方式：在该方式中，发送端发送不仅能监测错误，而且能够 在一定程度内纠正错误的编码，接收端译码器收到码组后，首先检验传输差错的 情况，

23、如果差错在纠错能力以内，则自动进行纠错。如果错误超过了纠错能力， 只能进行错误检测。通过反馈信道给发送端发送一个反馈信息， 请求重发出错的 码组。(4)信息反馈方式：在发送端检测错误。该方式的工作过程为发送端不对 信息进行差错编码，而是直接将用户信息传送给接收端；接收端收到信息后，将它们存储起来，再将其通过反馈通道送回发送端 .常用的检错码型有奇偶校验码、循环码、包比码、矩阵校验码、正反码、线 性分组码和卷积码等。4、1553B和CAN总线传输协议解析4。1 1553B总线传输协议解析1553B总线又称MILSTD1553曲线，是美国军方专为飞机上设备制定的一种 信息传输总线标准，也就是设备间

24、传输的协议。而每个国家根据本国的情况，并 参考美国的标准制定出自己的总线协议。 而相关的公司又根据本同的协议标准开 发出相应的总线接口模块。1553B数据总线具有双向输出特性，实时性和可靠性高，广泛应用在当代的 运输机和相当数量的民航客机以及军用飞机上，航天系统也广泛的应用这一总 线。1553B总线能挂31个远置终端，1553B总线采用指令/响应型通信协议，信 息格式有BC到RT； RT到BG RT到RK广播方式和系统控制方式；传输媒介为 屏蔽双绞线，1553B总线耦合方式有直接耦合和变压器耦合；1553B总线为多冗余 度总线型拓扑结构。1553B总线系统主要由3部分组成：总线控制器 BQ远程

25、终端RT;数据总 线 Data Bus。1553B总线的工作频率是1 Mb/s 。采用曼彻斯特II码，半双工工作方式。 采用这种编码方式是因为适用于变压器耦合，由于直接耦合不利于终端故障隔 离，会因为一个终端故障而造成整个总线网络的完全瘫痪，所以其协议中明确指出不推荐使用直接耦合方式。主要的硬件部分为总线控制器(BC)、远端终端(RT)和可选用的总线监控器 (MT .一般情况下，这3部分通过1个多路总线接口( MBI)来完成.可把MBI 嵌在计算机内.该总线有10种消息格式。每个消息至少包含2个字，每个字有16 个消息位，1个奇偶校验位和3个位长的同步头，所有的消息字都采用曼彻斯特 II码构成

26、。1553B数据总线用的是指令/响应型通信协议.他有3种类型的终端，分别 为：(1 )总线控制器(BC):他是在总线上惟一被安排为执行建立和启动数据传输 任务的终端。(2)远程终端(RT):是用户子系统到数据总线上的接口，他在 BC的控制下 提取数据或吸收数据。（3）总线监控器（M» 他“监控”总线上的信息传输，以完成对总线上的数 据源进行记录和分析，但他本身不参与总线的通信.综合起来1553B总线有以下几个特点：一是实时性好，1553B总线的数据传输率为1Mbps,每条消息最多包含32个 字，传输一个固定不变的消息所需时间短。数据传输速率比一般的通讯网高。二是合理的差错控制措施和特

27、有的方式命令，为确保数据传输的完整性， 1553B采用了合理的差错控制措施一一反馈重传纠错方法。当BC向某一 RT发出一个命令或发送一个消息时，终端应在给定的响应时间内发回一个状态字，如果传输的消息有错，终端就拒绝发回状态字，由此报告上次消息传输无效。而特有 的方式命令不仅使系统能完成数据通讯控制任务，还能检查故障情况并完成容错 管理功能。三是总线效率高，总线形式的拓扑结构对总线效率的要求比较高，为此1553B对涉及总线效率指标的某些强制性要求如命令响应时间、消息间隔时间以及每次消息传输的最大和最小数据块的长度都有严格限制。四是具有命令/响应以及“广播”通讯方式，BC能够以“广播”方式向所有

28、RT发送一个时间同步消息，这样总线上的所有消息传输都由总线控制器发出的 指令来控制，相关终端对指令应给予响应并执行操作.这种方式非常适合集中控制的分布式处理系统.但1553B总线价格高昂，限制了它在工业领域的普遍性应1553B总线消息传输机制：1553B总线上的信息是以消息（Message）的形式 调制成曼彻斯特码进行传输的。每条消息最长由32个字组成，所有的字分为三类：命令字、数据字和状态字。每类字的长度为 20位，有效信息位是16位，每 个字的前3位为单字的同步字头，而最后1位是奇偶校验位。有效信息（16位） 及奇偶校验位在总线上以曼彻斯特码的形式进行传输 ，传输一位的时间为1 S（即 码

29、速率为1MHz）同步字头占3位，先正后负为命令字和状态字，先负后正为数 据字。在这三种类型的字中，命令字位于每条消息的起始部分，其内容规定了该 次传输的具体要求。状态字只能由 RT发出，它的内容代表RT对BC发出的有效 命令的反馈。BC可以根据状态字的内容来决定下一步采取什么样的操作.数据字 既可以由BC传输到某RT,也可以从某RT传输至BC,或者从某RT传输到另一 RT, 它的内容代表传输的数据。1553B总线上消息传输的过程是：总线控制器向某一终端发布一个接收 /发 送指令，终端在给定的响应时间范围内发回一个状态字并执行消息的接收/发送.BC通过验收RT回答的状态字来检验传输是否成功并做后

30、续的操作。4。2 CAN总线传输协议解析4。2.1CAN总线的特性CAN总线是一种有效支持分布式控制或实施控制的串行通信网络，它的通信速率可达1Mb/s（直线距离40m）,应用范围遍及高速网络到低成本的多线路网络. 其主要特性如下：多主站依据优先权进行总线访问；多路传输接收；无破坏性的基于优先权的仲裁；借助接收滤波的多地址帧传送；远程数据请求；配置灵活； 全系统数据相容性；错误检测和出错信令；发送期间丢失仲裁或由于出错而遭破 坏的帧可自动重发送；暂时错误和永久性故障节点的判别及故障节点的自动脱 落。CAN系统内任意两个节点之间的最大传输距离与其通信速率有关，一般来说，通信速率越高，传输距离越短

31、.4.2。 2CAN总线的分层结构及帧格式分层结构CAN总线是一种现场总线，具有简化的网络结构，符合ISO的OSI的网络模 型，它采用CSMA/CD、议及非破坏性优先权的为仲裁规范实现对媒体的访问。 按 照OSI基准模型，划分为两层结构：数据链路层和物理层。按照 IEEE802。2和 802。3标准，又可进一步划分。(1)数据链路层逻辑链路控制子层实施帧接收滤波、超载通告和恢复管理。媒体访问控制子层进行数据封装/拆装、帧编码(填充/解除填充)、媒体 访问管理、错误检测、出错标定、应答、串行化 /解除串行化。CANa据链路传输，即CAN总线以报文为单位进行数据传输，节点对总线的 访问采用位仲裁方式。报文起始发送节点标识符分为功能标识符(如传感器信号) 和地址标识符(如控制单元节点地址)。CAN&议的最大特点是打破了传统的节点地址编码方式，而扩展了对通信数据块进行编码的方式。采用这种方法不同节点可同时接收到相同的数据。数据标 识符可用11位或29位二进制码表示，即可定义211或229个不同的数据类型， 这对于未来更复杂的控制网络也足够了 .标识符的值越小，数据帧的优先级越高。 通过数据链路控制，每个接收器通过帧接收滤波确定此帧数据是否有效.CAN控制器监听总线电平决定发送或接收是否有效，实际控制