宋玉貴，康婷颋

（西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

引 言

在靶場(chǎng)測(cè)試領(lǐng)域，終點(diǎn)效能評(píng)估時(shí)需要對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，天幕靶信號(hào)處理裝置的研究為其帶來(lái)飛躍性的突破。文中采用ZigBee無(wú)線控制模塊［1］，使多套天幕靶之間構(gòu)成一個(gè)局域網(wǎng)。通過(guò)對(duì)局域網(wǎng)絡(luò)的控制完成各個(gè)設(shè)備之間信息的同步通信，從而使得各個(gè)天幕靶之間有良好的信息通道，方便信息的傳輸，從而使得靶場(chǎng)領(lǐng)域外彈道多點(diǎn)測(cè)試和終點(diǎn)效能評(píng)估時(shí)，各天幕靶之間可以進(jìn)行實(shí)時(shí)且可靠地通信，解決了之前長(zhǎng)線傳輸帶來(lái)的噪聲過(guò)大的問(wèn)題以及可靠性過(guò)低的問(wèn)題。測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

整體系統(tǒng)由測(cè)時(shí)系統(tǒng)、ZigBee無(wú)線通信模塊、溫度采集傳感器、電源管理和STC單片機(jī)組成，整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)時(shí)系統(tǒng)將時(shí)間信號(hào)采集好以后暫存在68013的單片機(jī)中，當(dāng)需要將數(shù)據(jù)輸送到上位機(jī)時(shí)通過(guò)I2C總線傳送至STC單片機(jī)內(nèi)，STC單片機(jī)再將數(shù)據(jù)通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)傳送至上位機(jī)，從而工作人員得到測(cè)試數(shù)據(jù)。由此可見(jiàn)，ZigBee無(wú)線通信模塊是整個(gè)系統(tǒng)中尤為重要的模塊。

ZigBee通信的實(shí)時(shí)性以及最大接入點(diǎn)是決定跟蹤系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵［2］，文中主要介紹其組成原理以及軟硬件設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的分析，驗(yàn)證ZigBee無(wú)線通信在距離200m，接入節(jié)點(diǎn)16個(gè)的基礎(chǔ)上，測(cè)試精度提高到0.5μs，并且可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 信號(hào)處理裝置系統(tǒng)圖Fig.1 System of signal processing device

1 基于ZigBee多天幕靶接入的工作原理

測(cè)量彈丸飛行速度是利用天幕靶探測(cè)其到達(dá)空間某一預(yù)訂位置時(shí)刻進(jìn)而得出的，當(dāng)在全彈道測(cè)試中，終點(diǎn)效能評(píng)估時(shí)，具有遠(yuǎn)程控制、可靠性強(qiáng)等新功能的天幕靶是需解決的問(wèn)題。在測(cè)試彈丸飛行速度之前，首先要通過(guò)ZigBee的遠(yuǎn)程控制使得各天幕靶的狀態(tài)參數(shù)，如：亮度、噪聲等調(diào)整到統(tǒng)一的正確的位置；當(dāng)彈丸飛越天幕，記錄其觸發(fā)時(shí)刻信息后，天幕靶信號(hào)處理裝置中的ZigBee無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)就會(huì)將此數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)；當(dāng)某一臺(tái)靶出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，也可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)反饋給上位機(jī)，做出及時(shí)調(diào)整。此外，監(jiān)控各天幕靶信號(hào)處理裝置的電源溫度及電壓的參數(shù)也是通過(guò)此網(wǎng)絡(luò)傳送至上位機(jī)。由此一來(lái)，在終點(diǎn)效能評(píng)估時(shí)可以全程監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否良好，可靠性有了很大的保證。

2 ZigBee無(wú)線控制的設(shè)計(jì)方案

ZigBee無(wú)線通信模塊是整個(gè)信號(hào)處理裝置的重要組成部分，同時(shí)也是決定系統(tǒng)穩(wěn)定性，可靠性能的關(guān)鍵部件。

根據(jù)系統(tǒng)需求的分析，課題采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，少量路由器以及若干網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理工作，而終端設(shè)備把數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)給協(xié)調(diào)者。ZigBee無(wú)線通信的系統(tǒng)效果如圖2所示，在協(xié)調(diào)者的無(wú)線覆蓋范圍之內(nèi)，布置若干網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)［3］，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)傳遞網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器再通過(guò)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（giobal system for mobile，GSM）的遠(yuǎn)程控制傳輸數(shù)據(jù)到服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互相通信以及管理。

圖2 系統(tǒng)效果圖Fig.2 Follower controller design diagram

3 硬件平臺(tái)以及軟件平臺(tái)的選擇

3.1 硬件平臺(tái)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備的通訊模塊的硬件都基本相同，文中采用較成熟的ZigBee開(kāi)發(fā)模塊作為主要電路的借鑒依據(jù)，設(shè)計(jì)課題的硬件設(shè)計(jì)方案。

該ZigBee開(kāi)發(fā)模塊為達(dá)泰電子的DTD253＿EMK和DTD2X3＿EM，主要包括：

（1）DTD253B模塊，其使用2.4GHz的頻段，集成了8051內(nèi)核，方便開(kāi)發(fā)測(cè)試，是整個(gè)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)的核心；

（2）TTL串口以及多個(gè)I／O，A／D接口；

（3）仿真器USB接口，用于跟電腦連接并可以給板子供電，仿真器Debug接口可以對(duì)DTD2X3＿EM模塊進(jìn)行下載調(diào)試等；

（4）集成了溫度傳感器，串口以及模擬A／D電路等，方便用戶的開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)。

（5）獨(dú)立天線，在CC2530片上系統(tǒng)中集成了射頻功能。

其中CC2530是一個(gè)為無(wú)線應(yīng)用設(shè)計(jì)的真正的低能耗無(wú)線片上系統(tǒng)［3］，它的內(nèi)核是加強(qiáng)的8051內(nèi)核，集成了32kB的系統(tǒng)可編程FLASH。

3.2 軟件平臺(tái)

IAR Embedded Workbeneh是IARSystems公司為ARM微處理器開(kāi)發(fā)的一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（下面簡(jiǎn)稱IAREWARM）。比較其他的ARM開(kāi)發(fā)環(huán)境，IAREWARM具有入門容易、使用方便和代碼緊湊等特點(diǎn)。

IAREWARM的C／C＋＋交叉編譯器和調(diào)試器是目前世界最完整的和最容易使用的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具。EW對(duì)不同的微處理器提供相同直觀用戶界面。IAREWARM目前已經(jīng)支持35種以上的8位／16位／32位ARM的微處理器結(jié)構(gòu)。IAREWARM包括：嵌入式C／C＋＋優(yōu)化編譯器，匯編器，連接定位器，庫(kù)管理員，編輯器，項(xiàng)目管理器和C－SPY調(diào)試器。使用IAREWARM的編譯器最優(yōu)化最緊湊的代碼，節(jié)省硬件資源，最大限度地降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

4 ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)

在整個(gè)系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的核心，關(guān)鍵在于IEEE802.15.4／ZigBee協(xié)議的理解和軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，軟件功能結(jié)構(gòu)分別包括：硬件驅(qū)動(dòng)，PHY層，MAC層，NWK層，APL層，系統(tǒng)資源管理和用戶應(yīng)用層［4］。

（1）PHY層的實(shí)現(xiàn)。PHY層主要實(shí)現(xiàn)信道選擇；信道能量檢測(cè)ED；接收包鏈路質(zhì)量LQI的檢測(cè)；空閑信道評(píng)估CCA；無(wú)線信道收發(fā)數(shù)據(jù)PPDU。

（2）MAC層的實(shí)現(xiàn)。MAC層處于NWK層和PHY層之間，它的主要功能如下：處理MPDU數(shù)據(jù)；利用CSAM－CA機(jī)制共享物理信道；數(shù)據(jù)應(yīng)答重傳機(jī)制；DE、ACTIVE和OPRAHN三種掃描機(jī)制；關(guān)聯(lián)和退出關(guān)聯(lián)功能［5］。該層實(shí)現(xiàn)PHY和NWK之間的聯(lián)系，處理來(lái)自這兩層的所有請(qǐng)求。

（3）NWK層的實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)層（NWK）位于媒體訪問(wèn)控制層（MAC）和應(yīng)用層（APL）之間，是ZigBee協(xié)議棧的核心部分［6］，主要功能如下：網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU）處理；組網(wǎng)管理以及路由管理。

（4）系統(tǒng)資源管理。主要包含了存儲(chǔ)空間的管理和定時(shí)器的管理，而存儲(chǔ)空間的管理采用了一種各模塊之間共享緩沖區(qū)的方法進(jìn)行通信，每個(gè)模塊具有一個(gè)執(zhí)行函數(shù)，用于接收來(lái)自底層模塊的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)接收階段，底層模塊將接收到的數(shù)據(jù)幀在本層解析后，將需要向上層模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)存放在共享的接收緩沖區(qū)，同時(shí)通過(guò)全局變量的形式向上層模塊提供指示原語(yǔ)；在上層模塊的執(zhí)行函數(shù)中［7］，首先通過(guò)判斷來(lái)自底層模塊的指示原語(yǔ)確定的方式。

（5）APL層的實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用層技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要包括APS層的APDU包處理、APS層提供的綁定表管理、AF實(shí)現(xiàn)的MSG和KVP數(shù)據(jù)包處理以及ZDO［8］的設(shè)備發(fā)現(xiàn)和服務(wù)發(fā)現(xiàn)。

課題中軟件的設(shè)計(jì)（協(xié)議的實(shí)現(xiàn)）是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的，下面給出一個(gè)應(yīng)用例子的流程圖（見(jiàn)圖3）：

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 The follower chart of software design

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)試的目的是為了檢驗(yàn)整個(gè)天幕靶信號(hào)處理裝置測(cè)試的過(guò)程中通信協(xié)議是否能正常工作，是否可以達(dá)到所要求的通信距離和速率的指標(biāo)，以及通信協(xié)議的抗干擾性。測(cè)試系統(tǒng)中包含兩個(gè)方面，一個(gè)為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集傳感器的模擬數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線通信發(fā)射出去；另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理以及接受終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并顯示在計(jì)算機(jī)上。

測(cè)試結(jié)果為：

（1）當(dāng)室外進(jìn)行通信時(shí)，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并且顯示在計(jì)算機(jī)上；

（2）減少了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中因長(zhǎng)線傳輸造成的噪聲干擾，在GPS共同作用下精度達(dá)到0.5μs；

（3）用路由轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，傳輸距離增加，但性能不穩(wěn)定，需要改進(jìn)。

圖4所示為設(shè)備運(yùn)行中采集到的電壓的狀態(tài)。

圖4 電壓采集圖Fig.4 Voltage collection diagram

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以知道采用ZigBee無(wú)線通信模塊，在全彈道測(cè)試中以及外彈道多點(diǎn)區(qū)截測(cè)速中配合天幕靶的測(cè)時(shí)功能，將多個(gè)天幕靶接入到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)了天幕靶測(cè)時(shí)的實(shí)時(shí)性的要求，使得其在測(cè)量彈丸飛行速度的時(shí)候可將數(shù)據(jù)第一時(shí)間反應(yīng)到專業(yè)人員手上。同時(shí)在測(cè)試的過(guò)程中，對(duì)各天幕靶進(jìn)行狀態(tài)上的監(jiān)控，在出現(xiàn)狀況時(shí)可以及時(shí)的作出調(diào)整，節(jié)省了很多時(shí)間以及彈藥，大量試驗(yàn)驗(yàn)證該設(shè)計(jì)系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。

［1］ 李邦祥，王忠鋒，于海斌.ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用，2005，41（11）：41－43.

［2］ 陳 聰，馮玉林，施惠昌.ZigBee和Wi－Fi的干擾和共存［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，27（18）：3397－3399.

［3］ 張 周，周劍揚(yáng)，門 沫.ZigBee在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.工業(yè)控制計(jì)算，2006，19（2）：7－9.

［4］ 瞿 雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2007.

［5］ 凌志浩.ZigBee無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用研究［J］.華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科版），2006，32（7）：801－805.

［6］ 李湘寧.用于變焦距系統(tǒng)高斯光學(xué)計(jì)算與分析的通用程序［J］.光學(xué)儀器，1993，15（2）：12－15.

［7］ 朱向慶，王建明.ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2006，32（1）：129－132.

［8］ 劉麗鈞，童麗麗.ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)層的路由算法分析［J］.計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，2008，28（Z1）：70－72，90.