任志華，李永紅，岳鳳英

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原 030051）

在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的今天，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)作戰(zhàn)武器的要求越來(lái)越高，功能單一的武器已經(jīng)不能滿足當(dāng)今時(shí)代的要求，因此發(fā)明新型具有更強(qiáng)殺傷力，更高精確度，更快速度的武器成為了迫切需求。從火控系統(tǒng)快速準(zhǔn)確的將信息裝定到艦炮彈藥引信，成為了新型的課題。在分析了目前已有的國(guó)內(nèi)外裝定技術(shù)基礎(chǔ)上，本文提出了一種新型的基于RFID的無(wú)線裝定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)裝定器和裝定接收模塊的微控制器來(lái)控制閱讀器和應(yīng)答器芯片以及發(fā)送天線和接收天線來(lái)完成裝定信息的傳送。

1 無(wú)線裝定系統(tǒng)模型

無(wú)線裝定系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)傳輸信息的通道，因此可以把其抽象為一個(gè)典型的數(shù)字通信系統(tǒng)模型。如圖1所示，該模型由信息源、數(shù)字信道和受信者三部分組成［1］。對(duì)于無(wú)線裝定系統(tǒng)來(lái)講，信源包括信息源和信源編碼，它是系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器，信源編碼用來(lái)對(duì)信息源進(jìn)行編碼，數(shù)字信道是信息的傳輸路徑，其中包括信道編碼、數(shù)字調(diào)制、感應(yīng)耦合回路、數(shù)字解調(diào)、信道譯碼，受信者是整個(gè)裝定系統(tǒng)的裝定目標(biāo)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，該裝定系統(tǒng)就是如何讓信源不失真地通過(guò)數(shù)字信道到達(dá)受信者的過(guò)程。

圖1 無(wú)線裝定系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)模型

2 裝定技術(shù)分析

通過(guò)對(duì)一系列裝定系統(tǒng)的分析可知，要完成無(wú)線裝定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從理論上需要解決兩個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)。

（1）無(wú)線通信技術(shù):因?yàn)檠b定器和裝定接收模塊的單片機(jī)之間要進(jìn)行通信，必須按照通信協(xié)議才能進(jìn)行［2］，所以在裝定數(shù)據(jù)編碼方式選擇、數(shù)字調(diào)制和解調(diào)方式選擇以及數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式選擇上比較重要。該裝定系統(tǒng)的信源編碼采用數(shù)字基帶傳輸，選用NRZ編碼，這種編碼方式速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以保證地面設(shè)備給彈上設(shè)備提供足夠的能量。同時(shí)基帶信號(hào)在無(wú)線信道中傳輸，還必須對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)［3］。因此本文選用2FSK調(diào)制和非相干解調(diào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。為了提高系統(tǒng)可靠性，在RFID系統(tǒng)中引入了具有良好差錯(cuò)控制功能的CRC校驗(yàn)［4］，裝定接收裝置返回的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)校驗(yàn)后通過(guò)RF返回給裝定器，并且通過(guò)上位機(jī)軟件顯示結(jié)果正確與否，如果正確，顯示“CRC OK!”如果不正確，則顯示“CRC Failed!”。

（2）無(wú)線供電技術(shù):根據(jù)RFID基本原理，裝定器和裝定接收模塊之間的能量有兩部分的作用:一部分用于應(yīng)答器和閱讀器之間的通信，另一部分用于給整個(gè)接收裝置工作供電。閱讀器和應(yīng)答器之間的通信所需能量可由閱讀器來(lái)提供，但裝定接收模塊所需能量必須想辦法解決。通過(guò)做大量的研究，本文設(shè)計(jì)了專門的無(wú)線供電模塊來(lái)給裝定接收模塊提供能量。因?yàn)楸疚牡难b定過(guò)程發(fā)生在彈藥裝填過(guò)程中，屬于發(fā)射前裝定，而此時(shí)炮彈引信為無(wú)源的，這就給裝定技術(shù)帶來(lái)一個(gè)新的難題，即需要通過(guò)無(wú)線的方式給接收裝置供電，才能很好地完成裝定。這個(gè)問(wèn)題將在后面做一介紹。

3 裝定系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，該無(wú)線裝定系統(tǒng)由無(wú)線通信模塊和無(wú)線供電模塊組成。無(wú)線通信模塊使用了RFID原理，通過(guò)電磁感應(yīng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。無(wú)線供電模塊使用了Zigbbe通信原理，通過(guò)發(fā)送電磁波來(lái)給整個(gè)接收裝置提供能量。選用 TI公司的單片機(jī) MSP430F249和MSP430F2274分別作為裝定器和裝定接收裝置的核心控制芯片，對(duì)該裝定系統(tǒng)的功能模塊進(jìn)行控制，使用RS422總線實(shí)現(xiàn)火控系統(tǒng)與裝定器之間的全雙工通訊。

系統(tǒng)的有序進(jìn)行都是在核心控制器的控制下完成的。系統(tǒng)上電后，在單片機(jī)MSP430F249的控制下，對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行初始化，初始化完成之后，單片機(jī)等待鍵盤輸入指令，或者火控系統(tǒng)發(fā)送指令，收到指令后，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行LRC校驗(yàn)，如果收到的數(shù)據(jù)正確，首先判斷要執(zhí)行什么操作，確定執(zhí)行的操作后，將數(shù)據(jù)字節(jié)通過(guò)相應(yīng)引腳傳送給閱讀器，閱讀器將數(shù)據(jù)字節(jié)通過(guò)RF發(fā)送給應(yīng)答器，應(yīng)答器執(zhí)行操作后，將返回的數(shù)據(jù)回傳給閱讀器，閱讀器收到數(shù)據(jù)后，在此過(guò)程中MSP430F249一直檢測(cè)相應(yīng)引腳電平的變化，當(dāng)檢測(cè)到相應(yīng)引腳有起始信號(hào)時(shí)，控制同步接收閱讀器返回的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包處理后，通過(guò)相應(yīng)引腳傳到液晶顯示器顯示出來(lái)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

4 無(wú)線供電模塊設(shè)計(jì)

為了通信穩(wěn)定，并且縮短通信時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了無(wú)線供電模塊，如圖3所示，用來(lái)提供裝定接收裝置工作所需的能量。無(wú)線供電模塊使用電磁波能量可以通過(guò)天線發(fā)送和接收的原理設(shè)計(jì)而成，使用微控制器MSP430F2274單片機(jī)來(lái)控制發(fā)送器進(jìn)行工作，它們之間通過(guò)SPI接口進(jìn)行通信。微控制器控制發(fā)送器持續(xù)不斷的發(fā)送電磁波，供電接收模塊將接收到的電磁波通過(guò)供電接收電路轉(zhuǎn)換成電壓，來(lái)給整個(gè)裝定接收裝置提供電壓。

圖3 無(wú)線供電模塊設(shè)計(jì)圖

5 系統(tǒng)模擬仿真分析

無(wú)線裝定系統(tǒng)的主要功能就是通過(guò)無(wú)線通信的方式將火控系統(tǒng)發(fā)送的指令成功地傳給炮彈單片機(jī)，因此，為了方便調(diào)試，本文使用VC［6］設(shè)計(jì)了專門的裝定模塊仿真軟件，用它來(lái)模擬火控系統(tǒng)的功能，給閱讀器單片機(jī)發(fā)送相關(guān)指令。使用該軟件可以通過(guò)接口發(fā)送相關(guān)命令，接收端應(yīng)答器收到指令后，MSP430F2274從XX應(yīng)答器中讀取數(shù)據(jù)，然后通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳送給客戶端單片機(jī)，客戶端單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，將要返回的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給 MSP430F2274，然后MSP430F2274將數(shù)據(jù)寫(xiě)入應(yīng)答器，應(yīng)答器通過(guò)RF將數(shù)據(jù)傳送給閱讀器，閱讀器將數(shù)據(jù)返回給裝定器單片機(jī)MSP430F249，裝定器單片機(jī)MSP430F249通過(guò)串口將數(shù)據(jù)返回到PC機(jī)，然后通過(guò)該仿真軟件將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。

5.1 串口設(shè)置

單擊菜單欄配置，打開(kāi)串口設(shè)置界面，在此界面內(nèi)可以對(duì)串口進(jìn)行相關(guān)配置。具體配置介紹如下:選擇串口號(hào)COM2，設(shè)置波特率9 600 bit/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，并且可以設(shè)置定時(shí)發(fā)送操作。

5.2 無(wú)線通信/測(cè)試部分

菜單欄中選擇無(wú)線通信/測(cè)試，打開(kāi)仿真軟件的主界面，可以看到上面為無(wú)線通信部分，下面為測(cè)試部分，目前該部分還沒(méi)有完善，只是預(yù)留出了選項(xiàng)，今后還需做進(jìn)一步完善。本文裝定系統(tǒng)只用無(wú)線通信部分即可進(jìn)行仿真。無(wú)線通信部分可以用來(lái)檢測(cè)閱讀器和應(yīng)答器是否正常通信，還可以用來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。無(wú)線通信部分有兩個(gè)選項(xiàng)，分別為“連接”和“發(fā)送數(shù)據(jù)”。首先點(diǎn)擊“連接”以檢查裝定器和接收裝置是否正常連接，如果顯示“CRC OK!”這說(shuō)明裝定接收裝置在裝定器的射頻范圍內(nèi)，可以進(jìn)行正常裝定;然后開(kāi)始執(zhí)行裝定功能，在發(fā)送后面的對(duì)話框內(nèi)輸入要發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊發(fā)送，數(shù)據(jù)可以通過(guò)裝定模塊仿真軟件中的RX選項(xiàng)顯示出來(lái)。

5.3 系統(tǒng)仿真界面

圖4所示為裝定系統(tǒng)執(zhí)行裝定功能時(shí)界面。執(zhí)行裝定功能時(shí)，系統(tǒng)發(fā)送了十七個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，其中幀格式結(jié)構(gòu)中包括一個(gè)起始字節(jié)，一個(gè)長(zhǎng)度字節(jié)（不含起始字節(jié)、長(zhǎng)度字節(jié)和LRC校驗(yàn)字節(jié)），一個(gè)命令字節(jié)，兩個(gè)充電時(shí)間長(zhǎng)度字節(jié)，一個(gè)射頻發(fā)送字節(jié)長(zhǎng)度字節(jié)，一個(gè)地址字節(jié)，六個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，兩個(gè)CRC校驗(yàn)字節(jié)，一個(gè)LRC校驗(yàn)字節(jié)，還有一個(gè)停止字節(jié)。從圖可以看到，系統(tǒng)接收到的字節(jié)數(shù)為十五個(gè)，幀格式結(jié)構(gòu)包括一個(gè)前導(dǎo)固定字節(jié)，一個(gè)長(zhǎng)度字節(jié)，一個(gè)默認(rèn)字節(jié)，一個(gè)起始字節(jié)，六個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，一個(gè)地址字節(jié)，兩個(gè)CRC校驗(yàn)字節(jié)，一個(gè)停止字節(jié)。由此可知，該裝定接收裝置在裝定器的射頻范圍內(nèi)，可以很好地完成裝定功能。

圖4 裝定數(shù)據(jù)窗口

圖5所示為裝定系統(tǒng)仿真過(guò)程中，另一臺(tái)PC機(jī)通過(guò)串口助手顯示出來(lái)的接收端收到的數(shù)據(jù)字節(jié)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，我們讓裝定仿真軟件采取定時(shí)發(fā)送的方式，每隔500ms發(fā)送一次，一共通信2526次，誤碼率為0%。這說(shuō)明該裝定系統(tǒng)通信在滿足一定條件時(shí)工作穩(wěn)定可靠。

圖5 裝定系統(tǒng)串口調(diào)試界面

6 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了基于RFID的無(wú)線裝定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和無(wú)線供電模塊的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)仿真調(diào)試軟件的詳細(xì)過(guò)程，一套原理樣機(jī)已經(jīng)基本完成，雖然還沒(méi)進(jìn)行最后的工程化試驗(yàn)，但是通過(guò)與客戶端聯(lián)調(diào)，可以充分驗(yàn)證本裝定系統(tǒng)功能完善，工作可靠、穩(wěn)定，該系統(tǒng)基本達(dá)標(biāo)。

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