一種嵌入式航海數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)計

黃孝平

(南寧學(xué)院機電與質(zhì)量技術(shù)工程學(xué)院，廣西 南寧530200)

0 引 言

近些年，分布式信號處理系統(tǒng)、Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)以及并行計算的發(fā)展，使得小型化分布式的無線傳感網(wǎng)絡(luò)［1-2］(WSN)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。另一方面，雖然分布式的無線傳感網(wǎng)絡(luò)在電源供應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都進行了深入研究，但是其對于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量［3］(QoS)仍然有較大的改進空間，如對數(shù)據(jù)采集精度、采集覆蓋率以及采集系統(tǒng)的延遲時間等都有更高的要求。

艦船雷達是其航海重要輔助設(shè)備，其信號采集的及時性、準確性、高精度性直接關(guān)系到船艦的位置測定、運行中的碰撞、海面浮標的觀測、以及與岸線的方位和距離等一系列目標參數(shù)，同時船艦數(shù)量的增加以及海面復(fù)雜多變的氣候，更迫切的需要獲知船艦周邊的障礙物信息［4-5］以及當前的氣候條件。所以，對船艦雷達數(shù)據(jù)的采集成為航海安全的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)采集的實效性以及精確性也是船艦避免碰撞自動化系統(tǒng)的重要性能指標。

本文在分析了航海雷達數(shù)據(jù)特性以及最新的無線傳感器組網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的組網(wǎng)方式以及采集匯聚算法，并基于DSP 芯片設(shè)計了嵌入式航海雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最后通過仿真，證明了該傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組網(wǎng)方式以及對應(yīng)的算法滿足雷達數(shù)據(jù)采集對實時性要求。

1 雷達數(shù)據(jù)采集整體系統(tǒng)

1.1 雷達數(shù)據(jù)采集原理

一個完整的雷達數(shù)據(jù)采樣經(jīng)過高頻采樣、量化、編碼、A/D 轉(zhuǎn)換最終經(jīng)由無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸。

式(1)是雷達數(shù)據(jù)采樣最常用的平頂采樣［6］，其中采樣脈沖寬度為τ，H(w)為采樣濾波器的頻域卷積值。經(jīng)過式(1)采樣后數(shù)值雖然在時間序列上是離散，但是在幅值上還是連續(xù)的，通過式(2)進行映射:

1)量化后信號與噪聲比和參數(shù)N (量化間隔數(shù))的平方成正比。

2)使用式(2)的過程中，通過信號的幅度范圍以及信噪比參數(shù)確定N的選擇。

3)當量化參數(shù)N 確定后，隨著信號幅值的降低，對應(yīng)的信噪比惡化與量化精度的降低。

量化后需要對其進行編碼，本文使用雙極性編碼，公式如下:

其中vout為對應(yīng)的量化信號an編碼后的輸出，最后經(jīng)過雙積分型A/D 轉(zhuǎn)換器得到最后幅度與時序的離散信號，雙擊分形A/D 轉(zhuǎn)換器原理如圖1所示。

圖1 A/D 轉(zhuǎn)換器模擬圖(雙積分型)Fig.1 Structure of A/D (double integral)

雙擊分A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入信號進行2 次積分，將模擬信號轉(zhuǎn)換為二進制控制的數(shù)字信號。雙積分型A/D 轉(zhuǎn)換器具有輸出信號精度高、且有較強的抗噪聲性能，由于本文海面噪聲、氣候條件、以及反射折射等干擾，所以選用此類型A/D 轉(zhuǎn)換器。

1.2 雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收從船艦信息控制中心發(fā)送的控制信息，并根據(jù)此信息按照不同的方式讀取傳感器經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，并最終將所有信息發(fā)送到信息控制中心，整個船艦控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 船艦信號采集控制總系統(tǒng)Fig.2 Ship data acquisition and control system

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是信息控制融合中心數(shù)據(jù)獲取準確信息的關(guān)鍵性所在，數(shù)據(jù)采集的精度以及傳輸性能決定了整個控制系統(tǒng)對船艦的指揮速度與準確性。

2 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)的匯聚算法

2.1 線性WSN 網(wǎng)絡(luò)雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

線性WSN 網(wǎng)絡(luò)雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)抽象圖如圖3所示。

圖3 單節(jié)點WSN數(shù)據(jù)采集邏輯圖Fig.3 Logic diagram of WSN data acquisition based on single node

1)假設(shè)現(xiàn)在有2 組艦艇，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，信息控制中心與2 組艦隊等距離，并且2 組艦隊船艦數(shù)量相等，設(shè)都為N，每個艦船間距為30 m，則整個艦隊的信息控制網(wǎng)絡(luò)的總長度為60 km。

2)2個節(jié)點之間使用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)組成一個自適應(yīng)系統(tǒng)(Ad hoc)。傳輸協(xié)議使用通用的801.11 協(xié)議族。

3)數(shù)據(jù)采樣使用式(1)中的平頂采樣，經(jīng)過量化后使用雙極性編碼方式，最終同樣采用雙極性A/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為離散數(shù)字型號。

4)2 組船艦中每4個節(jié)點組成一簇。

5)整個雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為接收傳感器數(shù)據(jù)前的控制階段、接收傳感器數(shù)據(jù)采集階段以及采樣后傳輸階段。

6)在控制階段，采集系統(tǒng)根據(jù)信息中心發(fā)送給控制系統(tǒng)中的控制位進行初始化。在第2 階段，每組船艦的每個雷達節(jié)點產(chǎn)生一定長度頭部傳控信息(8 kb)，在經(jīng)由匯總節(jié)點組成簇數(shù)據(jù)，并分別傳送各自的控制系統(tǒng)。

2.2 采集系統(tǒng)初始階段

在本系統(tǒng)中，采集系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)前，需要先接收控制系統(tǒng)發(fā)送的控制信息進行初始化，其目的在于節(jié)點之間的干擾信息以及用于對前采集數(shù)據(jù)的反饋，接收控制信息的初始化模型如圖4所示。

圖4 匯聚算法初始化及自檢邏輯圖Fig.4 Logic diagram of initialization stage of data aggregating algorithm

匯總節(jié)點A 持續(xù)接收控制系統(tǒng)發(fā)送的控制探測幀(BPF)，此后開始根據(jù)控制信息選擇接收相應(yīng)節(jié)點的數(shù)據(jù)采集信息，直到接收到最遠端節(jié)點的反饋幀。其中控制幀(BPF)攜帶了選取節(jié)點的簇號，允許的最大節(jié)點ID和當前節(jié)點CN 號。

之后，匯總節(jié)點以一定的數(shù)據(jù)格式，如遞推方式對節(jié)點ID，CN 以及簇號依次進行計算，并記錄下此刻接收節(jié)點的功率等級，直至達到規(guī)定的最大等級數(shù)。

本系統(tǒng)采用了對節(jié)點ID 進行動態(tài)調(diào)整的方式，這樣有效的降低了信號發(fā)射器的耗能量，下面講述基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)匯聚算法的數(shù)據(jù)采集階段。

2.3 匯聚算法的數(shù)據(jù)采集階段

系統(tǒng)初始化階段完成后，進入到接收雷達信號的采集階段，這一階段的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 匯聚算法數(shù)據(jù)采集階段邏輯圖Fig.5 Logic diagram of data acquisition stage of data aggregating algorithm

本系統(tǒng)中，我們假設(shè)一簇包含4個節(jié)點，則一組艦隊簇的數(shù)量為M=N/4 ，N 為一族艦隊總的節(jié)點數(shù)。則可以推算第j 簇中所包含的4個節(jié)點的序列號為:ID=(j－1)×4+1～j ×4，j=1，2，3…M。

下面介紹給出匯聚算法數(shù)據(jù)采集階段的詳細方案，步驟如下:

1)每一簇中的各節(jié)點作為一個整體，同一時刻采樣自身的有效數(shù)據(jù)幀。

2)匯總節(jié)點收到有效數(shù)據(jù)幀時，判斷它們的簇序號CN 是否相同，若相同，并且節(jié)點ID 號相匹配，則匯總節(jié)點反饋給控制系統(tǒng)采樣信號正確，否則對接收信息過濾處理。

3)對于簇中的各個節(jié)點，收到匯總節(jié)點反饋的信號匯聚簇信息，解析其中的控制信號量，以便在控制下一次數(shù)據(jù)匯聚幀信息。

4)關(guān)于針對節(jié)點的糾錯處理，對簇號為j 中的各節(jié)點ID=(j－1)×4+1～j ×4，j=1，2，3…M 在沒有接收到同一個簇號中比自身ID 大的相鄰節(jié)點發(fā)送的匯聚糾錯幀信息時，啟動自身定時器Time。在定時器有效時間內(nèi)，如果還沒接收到，則標記自身節(jié)點實效。

本采集系統(tǒng)的控制信息不在針對整個系統(tǒng)中的單節(jié)點進行控制，而是對艦隊進行編號，并進行分簇處理，上述步驟可以推測，在同一簇中的艦隊，只要其中2個或以上雷達數(shù)據(jù)匯總節(jié)點成功接收，即不影響整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度，有效的增加了系統(tǒng)的糾錯能力。

3 基于DSP的嵌入式系統(tǒng)及仿真分析

3.1 DSP 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)基于型號為TMS320VC5402DSP 作為采集系統(tǒng)的核心處理器以及信號控制器，系統(tǒng)的A/D 轉(zhuǎn)換器采用低噪聲源模數(shù)轉(zhuǎn)換，型號為A/D380，采用雙極性四階差分調(diào)制器轉(zhuǎn)換模擬脈沖信號。通過DSP的數(shù)據(jù)采集信號經(jīng)過串口接發(fā)起(異步)16D340 進行處理的接收發(fā)送，整個嵌入式仿真圖如圖6所示。

圖6 基于DSP的嵌入式仿真系統(tǒng)Fig.6 Embedded simulation system based on DSP

由圖6 可知，A/D 轉(zhuǎn)換器以及DSP 對數(shù)字信號的采樣處理是針對整個簇匯聚信號的實時處理，有效降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。3.2 節(jié)將設(shè)置一定的簇數(shù)以及每個簇中節(jié)點數(shù)，對系統(tǒng)進行仿真。

3.2 仿真結(jié)果及分析

用于仿真的參數(shù)如表1所示，并且對參數(shù)的設(shè)置滿足無線傳輸模型［7-8］。表中衰落參數(shù)Ω 是此仿真模型相對節(jié)點距離的衰減，其滿足標準方差方程。

表1 仿真參數(shù)的設(shè)置Tab.1 Simulation parameters

系統(tǒng)設(shè)置每簇4個節(jié)點到達匯總節(jié)點所用時間為t。通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)衰落的傳輸速率為R。則t可用式(3)表示:

當R=300 kb，通過上式可得出t=0.047 5 s。

圖7 為顯示了隨著R的變化，基于DSP的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對每簇匯聚數(shù)據(jù)的處理時間變化率。

圖7 達到匯總節(jié)點匯聚時間曲線圖Fig.7 Curve graph of convergence time arrived sink node

圖7 可看到在實際應(yīng)用中，雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無線傳輸速率R=500 kb 附近，則針對每簇匯聚數(shù)據(jù)的接收時長僅為0.1 s 左右。

另外一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能參數(shù)是對于整個模型的數(shù)據(jù)采集最大延遲時間，在本算法中，即為距離最大的簇中每個節(jié)點到達匯總節(jié)點的幀延遲，用Td表示。在本仿真中，節(jié)點之間的距離設(shè)為30 m，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效傳輸速率平均為500 kb左右，則整個數(shù)據(jù)系統(tǒng)的采集延遲最大僅為1.5 min。最大數(shù)據(jù)延遲仿真如圖8所示。

4 結(jié) 語

圖8 系統(tǒng)最大延遲時間Fig.8 The maximum delay time of this system

本文在研究了以往航海艦隊雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組網(wǎng)以及邏輯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上。利用簇的概念，設(shè)計了一種針對船艦編隊的數(shù)據(jù)采集匯聚算法。簇中的船艦節(jié)點之間使用無線網(wǎng)絡(luò)感應(yīng)，成為整個采集系統(tǒng)的一個簇節(jié)點，而每組艦隊的匯聚節(jié)點針對每簇匯聚數(shù)據(jù)進行采集匯總，最后設(shè)計了基于DSP的嵌入式仿真系統(tǒng)，通過驗證，證明了系統(tǒng)對于整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚時間以及最大延遲時間得到有效提高，有效驗證了本組網(wǎng)方式以及匯聚算法對整個船艦雷達系數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效性。

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