無線差分水平儀設(shè)計?

王鵬超 劉愛東

（海軍航空大學(xué)兵器科學(xué)與技術(shù)系 煙臺 264001）

1 引言

艦船作為海上活動平臺安裝有各種精密的武器裝備、電子設(shè)備及導(dǎo)航設(shè)備等［1］。為保證艦船正常航行和各種武器設(shè)備有效使用，要求各裝備保持良好的安裝精度。但海上環(huán)境惡劣，艦船在航行中受溫度、負(fù)載、風(fēng)浪等影響，船體難免發(fā)生變形［2］，為保證艦上設(shè)備正常工作，需要定期對安裝面與主慣導(dǎo)之間的相對水平度進(jìn)行測量、對準(zhǔn)。系泊階段，由于船體搖擺，如果無法保證水平度同步測量，將會引起數(shù)據(jù)的誤差。國內(nèi)大多通過對講機(jī)喊話同時讀數(shù)，比較兩者之差，測出設(shè)備相對于基準(zhǔn)平臺的水平度［3］，這種方法對操作人員素質(zhì)有很高要求，且隨機(jī)性較大。

本文設(shè)計了一種基于ZigBee 技術(shù)的無線差分水平儀，利用無線傳輸代替人工數(shù)據(jù)交流，并配合軟硬件設(shè)計，保證數(shù)據(jù)同步測量，滿足相對水平度測量要求。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

無線差分水平儀由數(shù)據(jù)采集端、無線通信網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)三部分組成，采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1。

圖1 差分水平儀組成

硬件上將兩臺青島前哨精密儀器有限公司的WL/AL 9 電子水平儀作為數(shù)據(jù)采集端，利用WL/AL 9電子水平儀測量基準(zhǔn)面水平度，通過RS232串口實(shí)現(xiàn)與無線通信網(wǎng)絡(luò)終端的數(shù)據(jù)傳輸。無線通信網(wǎng)絡(luò)分為終端和協(xié)調(diào)器兩部分，由CC2530 片上系統(tǒng)芯片、收發(fā)天線、系統(tǒng)時鐘構(gòu)建硬件平臺［4］，利用CC2530芯片內(nèi)部的RF收發(fā)器測量時延數(shù)據(jù)，結(jié)合時鐘實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步測量，終端通過RF 收發(fā)器接收命令并發(fā)送數(shù)據(jù)［5］。協(xié)調(diào)器通過R F收發(fā)器發(fā)送命令并接收各終端節(jié)點(diǎn)發(fā)回的數(shù)據(jù)。利用筆記本電腦作為上位機(jī)，通過FT232串口轉(zhuǎn)USB 芯片與協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互［6］，進(jìn)行命令控制和數(shù)據(jù)分析處理。

無線差分水平儀軟件主要包括三部分：上位機(jī)程序、協(xié)調(diào)器程序和終端程序。上位機(jī)發(fā)送開始數(shù)據(jù)測量命令到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到命令后依次給各終端發(fā)送開始時延測量命令，同時啟動時鐘，測得時延差并寫入開始數(shù)據(jù)測量命令幀，發(fā)送給終端，終端按照命令幀要求延時時延差時間后，將開始測量命令發(fā)送給水平儀，水平儀工作，傳回測量數(shù)據(jù)，由終端傳給協(xié)調(diào)器再傳給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示水平度差值。

3 通信協(xié)議幀格式設(shè)計

本文共設(shè)計有四種類型的幀，即延時命令幀、測量命令幀、延時數(shù)據(jù)幀和測量數(shù)據(jù)幀，通信協(xié)議幀由幀頭、功能類型、內(nèi)容類型、幀校驗(yàn)和幀尾五部分組成。

3.1 延時命令幀

延時命令幀的目的是測量協(xié)調(diào)器與終端間的數(shù)據(jù)傳輸時間，進(jìn)一步得到時延差。由于協(xié)調(diào)器以廣播方式向終端發(fā)送命令，因此需要標(biāo)注本命令幀的目標(biāo)終端。其幀格式如圖2。

圖2 延時命令幀格式

1）“@”為固定的幀頭，1字符。

2）“C”和“S”代表該幀為延時命令幀，2字符。

3）“目標(biāo)編號”設(shè)定給終端AB 發(fā)送（“1”為給終端A，“2”為給終端B）。

4）FCS兩個字符為幀校驗(yàn)字符。

5）“*”和“CR”代表幀結(jié)束，2字符。

3.2 開始/停止測量命令幀

通過發(fā)送開始/停止測量命令幀控制水平儀開始或停止數(shù)據(jù)測量，并且控制需要延時的終端延時等待相應(yīng)時間，以保證水平儀同時進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。幀格式如圖3。

圖3 上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)測量命令幀格式

1）“@”為固定的幀頭，1字符。

2）“C”和“D”代表該幀為數(shù)據(jù)測量命令幀，2字符。

3）“參數(shù)設(shè)定”設(shè)定終端AB 進(jìn)行延時等待1個字符、等待時間4 個字符、開始停止數(shù)據(jù)采集1個字符，共6個字符。

4）FCS兩個字符為幀校驗(yàn)字符。

5）“*”和“CR”代表幀結(jié)束，2字符。

3.3 延時數(shù)據(jù)幀

延時數(shù)據(jù)幀用于回應(yīng)延時命令幀，終端接收到延時命令幀后立即回復(fù)延時數(shù)據(jù)幀，以完成傳播時間測量，為確定來源，延時數(shù)據(jù)幀包含發(fā)送該數(shù)據(jù)幀的終端編號。為保證傳播時間準(zhǔn)確性，進(jìn)行多次測量，延時數(shù)據(jù)幀又包含延時數(shù)據(jù)編號，標(biāo)注是第幾次測量的延時數(shù)據(jù)幀。其幀格式如圖4。

圖4 延時數(shù)據(jù)幀格式

1）“@”為固定的幀頭，1字符。

2）“D”和“E”代表該幀為數(shù)據(jù)幀，2字符。

3）“延時數(shù)據(jù)”包括終端A B 標(biāo)識、延時數(shù)據(jù)編號，共兩個字符。

4）FCS兩個字符為幀校驗(yàn)字符。

5）“*”和“CR”代表幀結(jié)束，2字符。

3.4 測量數(shù)據(jù)幀格式

測量數(shù)據(jù)幀將水平儀測得的數(shù)據(jù)發(fā)送回數(shù)據(jù)處理模塊，并附有數(shù)據(jù)序號和數(shù)據(jù)來源的水平儀標(biāo)號。其幀格式如圖5。

圖5 水平儀發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式

1）“@”為固定的幀頭，1字符。

2）“D”和“T”代表該幀為數(shù)據(jù)幀，2字符。

3）“發(fā)送數(shù)據(jù)”包括水平儀測量數(shù)據(jù)4字符、水平儀編號1 字符、測量數(shù)據(jù)的序號3 字符，共8 個字符。

4）FCS兩個字符為幀校驗(yàn)字符。

5）“*”和“CR”代表幀結(jié)束，2字符。

3.5 校驗(yàn)方法

為了減少和避免信息編碼傳輸和存取過程中隨機(jī)性的錯誤對測量的影響，需要對數(shù)據(jù)編碼采用校驗(yàn)。本設(shè)計采用奇校驗(yàn)方法，就是在每一個傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后面加一個檢驗(yàn)位，傳輸數(shù)據(jù)時實(shí)際數(shù)據(jù)中1 的個數(shù)為偶數(shù)時，校驗(yàn)位就是1；實(shí)際數(shù)據(jù)中的1的個數(shù)為奇數(shù)時，校驗(yàn)位就是0。在接收數(shù)據(jù)時只需要檢查1 的個數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)，若為奇數(shù)則傳輸正確，否則傳輸錯誤［7］。

4 數(shù)據(jù)采集端

數(shù)據(jù)采集端主要實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)面和安裝面水平度的測量。

4.1 數(shù)據(jù)采集端硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集端由兩臺青島前哨精密儀器有限公司電子水平儀組成，通過RS232串口與無線通信網(wǎng)絡(luò)終端有線連接。該水平儀測量范圍為0 ～±500 mm/m，分辨力可以達(dá)到0.01 mm/m，在測量范圍內(nèi)示值誤差為±（1+A×2%）［8］。

4.2 水平度測量方法

兩臺水平儀分別測量基準(zhǔn)面和安裝面水平度，為差分處理提供數(shù)據(jù)。在測量前先將兩臺水平儀放置在基準(zhǔn)面上進(jìn)行相對零度的調(diào)整，再將水平儀一臺置于主慣導(dǎo)基準(zhǔn)面，另一臺置于安裝面進(jìn)行測量。水平儀只能測量一條直線的水平度，測量水平度時需要對水平儀進(jìn)行轉(zhuǎn)動，由線到面得到平面的水平度，在無線差分水平儀工作時，水平儀采用“米字型”測量法。以基準(zhǔn)面為例，在基準(zhǔn)面上建立平面直角坐標(biāo)系，X 軸正方向指向艦首，在水平儀上也建立平面直角坐標(biāo)系，X 軸正方向指向水平儀把手前部。在工作時，時刻保持兩個坐標(biāo)系XOZ 面平行，如圖6，測量一段時間后將兩臺水平儀同時以原點(diǎn)為圓心順時針轉(zhuǎn)45°，如圖7，再進(jìn)行測量。重復(fù)上述操作操作，直至水平儀坐標(biāo)系與基準(zhǔn)面坐標(biāo)系重新重合，完成整個測量過程。

圖6 兩坐標(biāo)系重合

圖7 水平儀坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)

5 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)

無線傳輸網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)命令、數(shù)據(jù)傳輸和傳輸時延的測量。

5.1 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

無線傳輸網(wǎng)絡(luò)利用ZigBee 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建傳輸網(wǎng)絡(luò)［9］，利用CC2530 芯片內(nèi)部的RF 收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)及命令的傳輸，并配合時鐘模塊實(shí)現(xiàn)傳輸時延測量。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)分為終端和協(xié)調(diào)器兩部分，終端利用RS232 串口傳輸芯片實(shí)現(xiàn)與水平儀的數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)調(diào)器利用FT232實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互［10］。

5.2 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

5.2.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器發(fā)送延時測量命令給終端A 并觸發(fā)協(xié)調(diào)器內(nèi)部時鐘，等待接收到終端回令后記錄時間，得出傳輸時延，停止時鐘，若在一定時間內(nèi)沒有收到回令，則協(xié)調(diào)器重新發(fā)送延時測量命令直至收到回令，在向終端B 重復(fù)上述步驟。在延時測量時對每一條傳輸線的延時進(jìn)行10 次測量取平均值，作差得到延時差，將二分之一的延時差寫入數(shù)據(jù)測量命令幀里，然后向兩個終端發(fā)送數(shù)據(jù)測量命令，等待接收終端回傳的數(shù)據(jù)。如圖8。

5.2.2 終端軟件設(shè)計

終端在接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的延時命令后向協(xié)調(diào)器立即回復(fù)指令，在接收到數(shù)據(jù)測量命令后，對命令進(jìn)行分析觸發(fā)終端內(nèi)部的時鐘進(jìn)行延時等待，在延時等待結(jié)束后向水平儀發(fā)送開始數(shù)據(jù)采集命令，并將會收到的測量數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器［11］。如圖9。

圖8 協(xié)調(diào)器程序流程圖

圖9 終端程序流程圖

6 上位機(jī)

上位機(jī)完成時延和停止數(shù)據(jù)測量命令幀的發(fā)送、同步數(shù)據(jù)的處理和水平度差值顯示功能，以個人筆記本為硬件平臺，通過USB與協(xié)調(diào)器有線數(shù)據(jù)傳輸。

上位機(jī)軟件通過控制協(xié)調(diào)器向終端發(fā)送開始延時測量命令、停止數(shù)據(jù)測量命令，在接收到回傳數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，除去超出量程的數(shù)據(jù)，找到相對應(yīng)的兩個來自不同終端的同時刻數(shù)據(jù)進(jìn)行作差，并將差值結(jié)果顯示在筆記本上。如圖10。

圖10 上位機(jī)程序流程圖

7 系統(tǒng)測試

由于艦艇空間復(fù)雜，設(shè)備分布又較為分散，位于艦艇不同位置處的終端與協(xié)調(diào)器之間通信效果具有顯著區(qū)別［12～13］。主要分為終端與協(xié)調(diào)器可以通視和不可通視兩大類。為了測試系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性和同步性效果，在模擬環(huán)境下對丟包率、誤碼率和傳輸時延穩(wěn)定性進(jìn)行了測試［14］。

終端分別在通視50m、有墻壁遮擋10m 和有墻壁遮擋30m 的位置向協(xié)調(diào)器等時間間隔發(fā)送1000個數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器對丟包率、誤碼率和傳輸時延穩(wěn)定性進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在三種情況下數(shù)據(jù)包都能準(zhǔn)確到達(dá)，丟包率、誤碼率均為0，但時延誤差有明顯差異。為使結(jié)果便于觀察，圖11 中只顯示前20次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

結(jié)果顯示通視情況下效果最好，誤差可精確到3ms，有墻30m 情況最差。但三種情況下誤差都在6ms范圍內(nèi)，滿足艦艇相對水平度測量需求。

圖11 時延誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

8 結(jié)語

本文利用ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，提出一種新的水平度差分標(biāo)校方法［15］。設(shè)計了無線差分水平儀的總體方案，選擇了相對實(shí)用的組網(wǎng)方案和幀格式，提出傳輸延遲測量方法、實(shí)現(xiàn)了在誤差允許范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的同步。降低了相對水平度測量工作對操作人員的依賴程度，為操作人員提供了極大地便利，與傳統(tǒng)水平對準(zhǔn)相比，在方便程度、測量效率等方面都有很大的改善。下一階段研究工作主要將實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)、更復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸，并進(jìn)一步提高同步精度。