1.引言

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，其在軍事訓(xùn)練器材中的應(yīng)用，發(fā)揮著越來越重要的作用。單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用以光代彈的原理，結(jié)合聲光效果，可逼真的模擬實(shí)際戰(zhàn)場環(huán)境的實(shí)兵對抗，是和平時(shí)期部隊(duì)訓(xùn)練和青少年展開野外拓展對抗游戲的有效器材之一。

圖1 通信單元

圖2 ZigBee通信電路

圖3 通用MAC幀格式

圖4 CC2420初始化流程圖

圖5 數(shù)據(jù)通信流程

單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要由頭盔、背帶和激光發(fā)射機(jī)等3個(gè)部件組成。頭盔具有激光接收和發(fā)煙控制功能；背帶具有激光接收、毀傷模型計(jì)算以及與導(dǎo)控主臺無線數(shù)據(jù)通信功能；發(fā)射機(jī)用于激光發(fā)射控制。3個(gè)部件之間實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)通信是系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。本文主要研究利用ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)各部件之間的數(shù)據(jù)交互。

2.硬件結(jié)構(gòu)

背帶與頭盔、發(fā)射機(jī)之間采用點(diǎn)對多點(diǎn)的通信方式。背帶、頭盔和發(fā)射機(jī)均內(nèi)嵌ZigBee通信單元(圖1)，通信單元由ARM主控芯片、ZigBee射頻無線收發(fā)芯片和2.4GHz天線組成。

通信芯片選用TEXAS INSTRUMENTS公司的CC2420 ZigBee射頻無線收發(fā)器。芯片的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

●射頻單片無線收發(fā)芯片，帶有基帶調(diào)制解調(diào)器，并對MAC(介質(zhì)訪問層)層提供支持；

●直接序列擴(kuò)頻的基帶調(diào)制解調(diào)器，其碼片速率可到2MChips/s，有效數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)250kb/s；

●電流耗損非常低(RX:18.8mA，TX:17.4mA)；

●輸出功率可以通過編程來改變；

●不需要額外的RF開關(guān)和濾波器；

●兩個(gè)(發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū))128Byte的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；

●硬件實(shí)現(xiàn)MAC加密(AES-128)；

●48腳的QLP封裝，7*7mm。

CC2420芯片與ARM主控芯片之間采用SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。FIFOP腳接ARM芯片的外部中斷腳，當(dāng)CC2420芯片接收到有效數(shù)據(jù)后，該引腳置高，ARM芯片產(chǎn)生中斷，進(jìn)行接收數(shù)據(jù)處理。RESTEn腳接ARM芯片的輸出腳，用于對CC2420芯片的復(fù)位。

CC2420芯片的射頻輸入/輸出是差分和高阻抗的，射頻端口最適宜的差分負(fù)載值阻抗為115+j180Ω。單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中使用的天線為2.4GHz的單極天線，因此必須使用非平衡變壓器來增強(qiáng)其性能。圖2所示的射頻輸入/輸出電路由一個(gè)半波傳送天線、C3、L1、L2和L3構(gòu)成，半波傳送天線直接設(shè)計(jì)在印制板上，與電路匹配的天線阻抗為50Ω。

3.軟件設(shè)計(jì)

單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中最多同時(shí)工作的單兵激光模擬器數(shù)量可達(dá)數(shù)千套；每套單兵激光模擬器的背帶與頭盔、發(fā)射機(jī)之間采用點(diǎn)對多點(diǎn)的通信方式，背帶為中心節(jié)點(diǎn)，頭盔和發(fā)射機(jī)為子節(jié)點(diǎn)；各單兵激光模擬器相互之間不能出現(xiàn)數(shù)據(jù)串?dāng)_。因此整個(gè)系統(tǒng)可以看作由幾千個(gè)獨(dú)立的微型通信系統(tǒng)構(gòu)成。

由于ZigBee的IEEE地址有8個(gè)字節(jié)，因此有足夠的容量可以滿足單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對地址唯一性的要求。

3.1 數(shù)據(jù)幀格式

通信數(shù)據(jù)幀采用IEEE 802.15.4通用MAC幀格式，格式見圖3。

1)幀控制域：幀控制域長度為16位，包括定義幀類型、加密、應(yīng)答、目的地址模式和源地址模式等。

本應(yīng)用中幀控制域的定義如下：幀類型為數(shù)據(jù)幀(001)；加密禁止(0)；應(yīng)答允許(1)；目的地址模式為64位IEEE地址(11)；源地址為64位IEEE地址(11)。

2)序列號域：在每個(gè)幀中都包含序列號域，其長度為1個(gè)字節(jié)。每發(fā)送一個(gè)新的幀序列號，值加1。

3)目的PAN標(biāo)識域：目的PAN標(biāo)識域長度為2個(gè)字節(jié)。由于本應(yīng)用中未使用個(gè)人局域網(wǎng)，該值固定為0x0001。

4)IEEE目的地址域：IEEE目的地址域長度為8個(gè)字節(jié)。該地址為數(shù)據(jù)幀的目標(biāo)地址。

在單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中每個(gè)頭盔、背帶、發(fā)射機(jī)的IEEE地址均被設(shè)置唯一的。通過配置CC2420芯片的MDMCTRL0(0x11)寄存器的ADR_DECODE位，可以打開CC2420芯片的硬件地址解碼功能，CC2420芯片可以只接收目的地址與本機(jī)地址相同的數(shù)據(jù)幀。

5)源PAN標(biāo)識域：源PAN標(biāo)識域長度為2個(gè)字節(jié)。由于本應(yīng)用中未使用個(gè)人局域網(wǎng)，該值固定為0x0001。

6)IEEE源地址域：IEEE源地址域長度為8個(gè)字節(jié)。該地址為數(shù)據(jù)幀的源地址。

3.2 通信數(shù)據(jù)流程

單兵激光模擬器的背帶、頭盔和發(fā)射機(jī)的IEEE地址均分別預(yù)先寫入各自的ARM主控芯片，在初始化時(shí)寫入CC2420芯片的內(nèi)部寄存器。CC2420芯片的初始化程序流程圖見圖4。

背帶作為主節(jié)點(diǎn)，與其配套的頭盔和發(fā)射機(jī)的地址預(yù)先保存至背帶的ARM主控芯片中。單兵激光模擬器運(yùn)行后，背帶首先向頭盔和發(fā)射機(jī)發(fā)射設(shè)置指令，頭盔和發(fā)射機(jī)的ARM主控芯片接收到數(shù)據(jù)包后，首先將數(shù)據(jù)包中背帶的64位IEEE地址保存至內(nèi)存中，然后用該地址向背帶回復(fù)應(yīng)答數(shù)據(jù)包。

背帶與頭盔、發(fā)射機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信采用應(yīng)答方式，流程見圖5。

4.結(jié)論

該通信技術(shù)已在單兵激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得了很好的通信效果。經(jīng)實(shí)測單兵激光模擬器3個(gè)部件之間的通信時(shí)延小于100ms；30m范圍內(nèi)200套單兵模擬器同時(shí)工作，相互之間不會出現(xiàn)通信串?dāng)_。

[1]IEEE Std 802.15.4?-2003,IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systemsLocal and metropolitan area networks-Specific requirements Part 15.4:Wireless Medium AccessControl(MAC)and Physical Layer(PHY)Speci fi cations for Low-Rate WirelessPersonal Area Networks(LR-WPANs),IEEE Published by The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc.3 Park Avenue,New York,NY 10016-5997,USA.

[2]王曉海.國外空間激光通信系統(tǒng)技術(shù)最新進(jìn)展[J].電信快報(bào),2006(7):16-21.

[3]陳富強(qiáng).單兵綜合戰(zhàn)術(shù)對抗訓(xùn)練激光模擬系統(tǒng)研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.