基于無(wú)線傳輸?shù)姆植际骄酃忡R檢測(cè)平臺(tái)

邵中年，蔡 寧，王晉安

（1.海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，陜西西安 710054；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽(yáng) 712099）

基于無(wú)線傳輸?shù)姆植际骄酃忡R檢測(cè)平臺(tái)

邵中年1，蔡 寧2，王晉安2

（1.海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，陜西西安 710054；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽(yáng) 712099）

討論了基于無(wú)線傳輸?shù)姆植际骄酃忡R檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)以PC104為控制核心，以近距離的雙向無(wú)線通信模塊ZigBee為數(shù)據(jù)交互通道，借助ZigBee的系統(tǒng)級(jí)芯片CC2530中的內(nèi)嵌式8051控制器搭建數(shù)字-自整角機(jī)軸角轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字-旋轉(zhuǎn)變壓器軸角轉(zhuǎn)換模塊和自整角機(jī)-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，借助TMS320F28335豐富的外圍接口和強(qiáng)大的控制功能搭建轉(zhuǎn)臺(tái)控制模塊，實(shí)現(xiàn)了高可靠性分布式系統(tǒng)的構(gòu)建。詳細(xì)介紹了ZigBee無(wú)線通信模塊的硬件設(shè)計(jì)、軟件流程和測(cè)試結(jié)果。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)能完成某聚光鏡的技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)及系統(tǒng)調(diào)試，提高了部隊(duì)對(duì)該設(shè)備的維修保障能力。

聚光鏡檢測(cè)；分布式；ZigBee無(wú)線通信；CC2530

某聚光鏡是某火炮炮位半自動(dòng)光學(xué)瞄準(zhǔn)裝置，用于跟蹤和瞄準(zhǔn)岸上目標(biāo)、海上目標(biāo)和低速飛行目標(biāo)，以及控制艦炮獨(dú)立完成對(duì)低速目標(biāo)的打擊。隨著部隊(duì)的使用，暴露出該聚光鏡維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜，性能檢測(cè)困難等問(wèn)題，筆者利用分布式系統(tǒng)集中管理分散控制的特點(diǎn)，對(duì)聚光鏡檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，各單元節(jié)點(diǎn)可獨(dú)立運(yùn)行，主控節(jié)點(diǎn)和單元節(jié)點(diǎn)之間采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，使整個(gè)系統(tǒng)對(duì)外是一個(gè)整體。分布式聚光鏡檢測(cè)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，滿足了部隊(duì)對(duì)該聚光鏡性能檢測(cè)及維護(hù)保養(yǎng)的需求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

由于聚光鏡的本體和控制箱分別位于上下兩層的艙外和艙內(nèi)，為設(shè)計(jì)一個(gè)便攜式的測(cè)試平臺(tái)，減少測(cè)試平臺(tái)間的電纜連接，適應(yīng)空間跨度較大的檢測(cè)環(huán)境，聚光鏡檢測(cè)平臺(tái)按功能將整個(gè)系統(tǒng)分成了5個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行單元，單元之間通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)連接。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

聚光鏡有全自動(dòng)和半自動(dòng)兩種工作方式，在半自動(dòng)工作方式下，手動(dòng)扳動(dòng)操縱桿帶動(dòng)聚光鏡高低、方位運(yùn)動(dòng)，高低、方位全角量經(jīng)自整角機(jī)-數(shù)字轉(zhuǎn)換（簡(jiǎn)稱SD）接口模塊處理后，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)送至主控計(jì)算機(jī)，在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示主令信息。同時(shí)主控計(jì)算機(jī)將主令轉(zhuǎn)發(fā)給轉(zhuǎn)臺(tái)控制器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)完成方位運(yùn)轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臺(tái)將架位反饋經(jīng)主控計(jì)算機(jī)發(fā)送給數(shù)字-自整角機(jī)轉(zhuǎn)換（簡(jiǎn)稱DS）接口模塊，經(jīng)DS轉(zhuǎn)換和功率放大后送回聚光鏡。在非半自動(dòng)工作方式下，通過(guò)鍵盤裝定主令信息，主計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將主令信息發(fā)送給數(shù)字-旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換（簡(jiǎn)稱DR）模塊，經(jīng)DR變換和功率放大后替代操縱桿功能。如果是協(xié)調(diào)工作方式，轉(zhuǎn)臺(tái)不動(dòng)，聚光鏡運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)臺(tái)位置。

2 ZigBee技術(shù)及系統(tǒng)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)是以IEEE 802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的雙向無(wú)線通信技術(shù)，具有低功耗、近距離、低復(fù)雜度、自組織、低數(shù)據(jù)速率、低成本、高可靠性、網(wǎng)絡(luò)容量大、兼容性好的特點(diǎn)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可嵌入在各種設(shè)備中［1］。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一序列網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，可支持星型結(jié)構(gòu)、樹(shù)簇結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以包含多個(gè)設(shè)備，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備可分為全功能設(shè)備（FFD）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）兩種，F(xiàn)FD可擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，讓其他的FFD或RFD結(jié)連，形成網(wǎng)絡(luò)，且FFD具有雙向通信功能。而RFD只能作為終端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，接收同網(wǎng)絡(luò)中的FFD信息或向其發(fā)送信息［2］。

本分布式系統(tǒng)中采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?jié)點(diǎn)1為FFD，節(jié)點(diǎn)2～5為RFD。為滿足系統(tǒng)時(shí)序要求，保證信息在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的有效傳輸，選用主從工作模式，節(jié)點(diǎn)1中的PC104通過(guò)串口將需要發(fā)送的指令發(fā)送給無(wú)線通信模塊后，再由無(wú)線模塊按時(shí)序依次發(fā)至各簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)；各節(jié)點(diǎn)接收到指令并完成相應(yīng)任務(wù)后按規(guī)定時(shí)間向節(jié)點(diǎn)1回發(fā)應(yīng)答，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)1未收到相應(yīng)應(yīng)答，需重新發(fā)送一次指令；若連續(xù)5次節(jié)點(diǎn)1未收到相應(yīng)應(yīng)答，無(wú)應(yīng)答的節(jié)點(diǎn)將被剔出網(wǎng)絡(luò)并重新申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。為避免數(shù)據(jù)處理不及時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有緩存隊(duì)列，緩存隊(duì)列中的數(shù)據(jù)采用先進(jìn)先出的管理機(jī)制。

實(shí)際工作時(shí)，系統(tǒng)工作在2.4 GHz ISM頻段，提供250 kbps的數(shù)據(jù)吞吐率，即0.004 ms傳輸1位數(shù)據(jù)。以節(jié)點(diǎn)1為參考，數(shù)據(jù)幀加上協(xié)議棧添加的各層頭信息每次循環(huán)發(fā)出去的數(shù)據(jù)包為150字節(jié)，則發(fā)送或接收一包數(shù)據(jù)需要4.8 ms。節(jié)點(diǎn)1依次發(fā)出指令后，節(jié)點(diǎn)2～5依次間隔5 ms回發(fā)數(shù)據(jù)，完成一次數(shù)據(jù)傳輸所需時(shí)間約為58.4 ms，系統(tǒng)運(yùn)行周期為500 ms，通信時(shí)間占系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的11.68%，系統(tǒng)是可以穩(wěn)定工作的。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)組成

系統(tǒng)硬件平臺(tái)組成如圖2所示。節(jié)點(diǎn)1選用PC104嵌入式計(jì)算機(jī)為檢測(cè)平臺(tái)主機(jī)，主要用于模擬艦炮指揮室對(duì)聚光鏡的操作，通過(guò)無(wú)線通信的數(shù)據(jù)通道對(duì)其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制以及檢測(cè)信息顯示；節(jié)點(diǎn)2為數(shù)字自整角機(jī)轉(zhuǎn)換模塊，該模塊通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收到主機(jī)發(fā)送的轉(zhuǎn)臺(tái)架位反饋后，由數(shù)字-自整角機(jī)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成自整角機(jī)信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大后送至聚光鏡架位反饋?zhàn)哉菣C(jī)；節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)2類似，是將主機(jī)發(fā)送的方位角、高低角信號(hào)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)，并將該信號(hào)經(jīng)功率放大后送至聚光鏡高低方位裝定旋轉(zhuǎn)變壓器；節(jié)點(diǎn)4為自整角機(jī)數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，將聚光鏡的方位高低全角量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)無(wú)線通信發(fā)送給主機(jī)；節(jié)點(diǎn)5由伺服控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行電機(jī)和轉(zhuǎn)臺(tái)組成，用于模擬火炮的隨動(dòng)功能。

本系統(tǒng)中的5個(gè)節(jié)點(diǎn)均采用CC2530F256自帶的2.4 GHz高性能RF收發(fā)器。在RF_N和RF_P這2個(gè)引腳間配上電容、電感以匹配全向性較好的SMA接口的高增益、駐波比小于1.5的天線構(gòu)成無(wú)線通信模塊［3］，電路原理如圖3所示［4］。

3.2 各分布式模塊硬件設(shè)計(jì)

除無(wú)線傳輸模塊外，各節(jié)點(diǎn)借助SOC芯片上的8051內(nèi)核，根據(jù)自身的功能劃分增加不同的外圍電路。節(jié)點(diǎn)1需增加RS485串口通信，用于與PC104通信；節(jié)點(diǎn)2、3、4通過(guò)CC2530F256片上的P0口和P1口分別與DS模塊、DR模塊和SD模塊連接；節(jié)點(diǎn)5通過(guò)CC2530F256片上的串口與伺服控制器上的控制芯片TMS320F28335連接。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)軟件組成

本系統(tǒng)軟件由主控計(jì)算機(jī)控制模塊、轉(zhuǎn)臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)控制模塊、SD轉(zhuǎn)換模塊、DR轉(zhuǎn)換模塊、DS轉(zhuǎn)換模塊5個(gè)節(jié)點(diǎn)各自的軟件共同構(gòu)成，主控計(jì)算機(jī)作為主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)組建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)并模擬艦炮指揮室的控制功能和人機(jī)信息交換功能；其他節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)接收主控計(jì)算機(jī)指令，并完成相應(yīng)的功能。主控計(jì)算機(jī)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與其他各模塊的信息交互和傳輸。在實(shí)際軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，是借助Z- Stack協(xié)議棧軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

用戶實(shí)際開(kāi)發(fā)程序時(shí)，在Z-Stack的核心代碼基礎(chǔ)上需添加用于存放任務(wù)處理函數(shù)的主文件、主文件的頭文件和用于存放任務(wù)處理函數(shù)數(shù)組tasks-Arr［］的操作系統(tǒng)接口文件即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)項(xiàng)目［56］。

4.2 軟件實(shí)現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)1作為主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立一個(gè)Zig Bee星型網(wǎng)絡(luò)，與其他4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在網(wǎng)絡(luò)中起到協(xié)調(diào)器的作用。

主節(jié)點(diǎn)上電后，首先對(duì)CC2530芯片進(jìn)行初始化，其次初始化ZigBee協(xié)議棧，然后搜索空閑信道，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)；然后程序進(jìn)入無(wú)限循環(huán)，如果有節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，主節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器給終端節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址［56］；接到PC104發(fā)出的采集數(shù)據(jù)命令后，主節(jié)點(diǎn)將請(qǐng)求采集數(shù)據(jù)的指令發(fā)送至各終端節(jié)點(diǎn)；然后接收各節(jié)點(diǎn)回發(fā)的數(shù)據(jù)包，通過(guò)串口回發(fā)給PC104進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。主節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖4所示。

節(jié)點(diǎn)2～5為終端節(jié)點(diǎn)，同樣在節(jié)點(diǎn)上電后首先初始化CC2530芯片，其次初始化協(xié)議棧，然后開(kāi)始發(fā)送申請(qǐng)加入臨近網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)，等協(xié)調(diào)器即主節(jié)點(diǎn)允許其加入網(wǎng)絡(luò)并成功加入后進(jìn)入低功耗模式［5］；當(dāng)采集時(shí)間到后采集數(shù)據(jù)并處理后，等待主節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)的指令，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求時(shí)，根據(jù)指令要求回發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后進(jìn)入下一輪的數(shù)據(jù)采集或處理［56］。各節(jié)點(diǎn)模塊軟件流程類似，如圖5所示，但各自的數(shù)據(jù)處理的對(duì)象和過(guò)程有所不同。節(jié)點(diǎn)2是對(duì)DR模塊的數(shù)據(jù)處理，節(jié)點(diǎn)3是對(duì)DS模塊的數(shù)據(jù)處理，節(jié)點(diǎn)4是對(duì)SD模塊的數(shù)據(jù)采集，節(jié)點(diǎn)5是接收位置主令并給出位置反饋。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試

由于本系統(tǒng)選用主從工作方式，所有節(jié)點(diǎn)均與節(jié)點(diǎn)1進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為了測(cè)試所設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍及穩(wěn)定性，讓該分布式系統(tǒng)正常工作，采用串口精靈對(duì)數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量最大的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)1的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)［2］，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)1 Zigbee通信距離及丟包率

表1中的通信距離為節(jié)點(diǎn)1與其他4個(gè)節(jié)點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離。從表1可以看出，節(jié)點(diǎn)1在室內(nèi)／外一定距離內(nèi)的丟包率很小且接收靈敏度很高，通信效果良好。本系統(tǒng)實(shí)際使用時(shí)，由于環(huán)境復(fù)雜，需將各節(jié)點(diǎn)置于艙外，調(diào)整天線方向使之相對(duì)，遠(yuǎn)離各種干擾以保證通信穩(wěn)定性。

5.2 系統(tǒng)功能測(cè)試

各模塊調(diào)試完成后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，可從系統(tǒng)人機(jī)交互界面觀察系統(tǒng)調(diào)試情況。系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖6所示，可從界面上直觀看出操縱桿給出的位置主令、由SD轉(zhuǎn)換模塊得到的聚光鏡實(shí)際位置量和由DS模塊得到的位置反饋；用裝定方式輸入的位置量經(jīng)DR轉(zhuǎn)換模塊代替操縱桿功能，裝定值可和聚光鏡實(shí)際位置做比較；轉(zhuǎn)臺(tái)狀態(tài)和系統(tǒng)通信狀態(tài)可通過(guò)人機(jī)界面觀察到。

6 結(jié)論

筆者討論了基于無(wú)線通信的分布式聚光鏡檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，利用分布式系統(tǒng)模塊化、智能化的特點(diǎn)，以PC104為控制核心，借助CC2530中的內(nèi)嵌式8051控制器構(gòu)建數(shù)字-自整角機(jī)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字-旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換模塊和自整角機(jī)-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，借助TMS320F28335豐富的外圍接口和強(qiáng)大的控制功能構(gòu)建轉(zhuǎn)臺(tái)控制模塊，以近距離的雙向無(wú)線通信模塊ZigBee為數(shù)據(jù)交互通道，實(shí)現(xiàn)了高可靠性分布式系統(tǒng)的構(gòu)建。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)能迅速對(duì)某聚光鏡進(jìn)行離艦檢測(cè)和調(diào)試，并具有友好的人機(jī)交互界面，極大地提高了部隊(duì)對(duì)該設(shè)備的維修保障能力。同時(shí)這種分布式系統(tǒng)可通過(guò)ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，系統(tǒng)架構(gòu)方式也可在別的測(cè)控系統(tǒng)中推廣。

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A Distributed Inspeetion Platform Used in Aiming Deviee Based on Wireless Transmission

SHAO Zhongnian1，CAI Ning2，WANG Jin'an2
（1.Xi'an Military Representative Bureau of Naval Equipment Department，Xi'an 710054，Shaanxi，China；2.Northwest Institute of Mechanical＆Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China）

aiming device inspection；distributed；Zig Bee wireless transmission；CC2530

TM383.4+1

A

1673-6524（2015）04-0064-05

2015- 03- 06；

2015- 06- 30

邵中年（1963－），男，高級(jí)工程師，主要從事艦炮武器系統(tǒng)技術(shù)研究。E-mail：175974681＠qq.com

Abstraet：A discussion is made of the design scheme of the distributed inspection platform with wireless transmission used in aiming device.And a reliable distributed platform was put forward and researched with PC104 being the control core，with short-range wireless communication module ZigBee transfering data，with 8051 MCU core embedded in CC2530 building digital- selsyn conversion，digital- resolver conversion and selsyn angle- digital conversion，and using TMS320F28335 with abundant interface and strong control function to carry out a turn-table control module.The hardware design and software design method of Zig Bee wireless transmission module was presented in detail with the test result given.The practical use of the platform showed that the system had capability to inspect and debug the system with the capability of the equipment maintenance and support of the military improved.