岳 瑤，張 瑜，劉雙峰

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051)

為了衡量大當(dāng)量戰(zhàn)斗部的殺傷力，需要沖擊波測試系統(tǒng)來測量這類武器的空氣靜爆威力，沖擊波測量目前常用的方法主要是存儲測試法［1－2］，但是沖擊波超壓測試系統(tǒng)中，由于測試節(jié)點眾多并且呈輻射狀分布，傳統(tǒng)采用人工方法對各個測試節(jié)點分別上電的方式，不僅準(zhǔn)備工作量大、布置現(xiàn)場花費時間長，并且對于本身能量有限的電池供電的測試系統(tǒng)來說，造成了大量的能量浪費。在文獻［3－4］中提出了一種無線式的沖擊波超壓測試系統(tǒng)，但是該方案中無線模塊往往使用封裝好私有通信協(xié)議的無線芯片，雖然使用簡便但是功能較為單一，尤其是在網(wǎng)絡(luò)拓撲方式上缺乏靈活性，通常使用星型組網(wǎng)方式由1 km之外的中心節(jié)點進行周期性重復(fù)廣播發(fā)送命令，在實際靶場測試中，由于過遠的傳輸距離和重復(fù)性的廣播，無法保證令所有測試節(jié)點同時觸發(fā)，偶爾會出現(xiàn)未觸發(fā)成功的節(jié)點。因此，本文基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的Zigbee協(xié)議設(shè)計了專用于沖擊波超壓測試的一種無線通信協(xié)議，該協(xié)議能夠根據(jù)沖擊波超壓測試的實際需求，很好地解決了終端節(jié)點和時基節(jié)點的同步上電問題，通過分析所測的數(shù)據(jù)可以得出沖擊波波陣面由爆心至測試節(jié)點的近似時間，具有一定的參考意義。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

沖擊波超壓測試系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如圖1所示。

信號的采集與存儲電路是整個測試系統(tǒng)的核心。整個系統(tǒng)的邏輯時序控制芯片采用FPGA，傳感器選擇PCB公司的113B28型號的ICP壓電式壓力傳感器。A/D模塊采用14 bit A/D轉(zhuǎn)換器AD7484，最高采樣頻率為3 MHz，可以滿足系統(tǒng)工作的最高采樣頻率 1 MHz。光纖模塊采用OCB6343/OCB2343型收發(fā)合一模塊，可以有效地防止外界噪聲導(dǎo)致系統(tǒng)誤觸發(fā)以及外界噪聲疊加在信號中進入 A/D 采集電路中［5－6］。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計總體框圖

無線通信模塊選擇具有低功耗、低成本特點的ZigBee芯片CC2530。無線模塊的作用主要是完成控制中心與終端測壓節(jié)點之間的無線命令傳輸，從而對終端測壓節(jié)點進行參數(shù)設(shè)置和無線上電。

2 無線模塊

2.1 硬件構(gòu)成

無線模塊主要由射頻芯片CC2530和射頻前端芯片CC2591組成，該模塊的各項參數(shù)特點如表1所示。

表1 無線模塊各個參數(shù)

2.2 誤碼率仿真

CC2530的 Zigbee技術(shù)基于 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz物理層使用了16相準(zhǔn)正交調(diào)制，即使用DSSS(直接序列擴頻)技術(shù)將原始比特流映射成準(zhǔn)正交PN序列然后通過O-QPSK(偏移－四相相移鍵控)調(diào)制方式，再將調(diào)制信號混頻到2.4 GHz頻段進行發(fā)送和接收。CC2530內(nèi)部編碼及調(diào)制部分流程圖如圖2所示［7］。

在MATLAB中對調(diào)制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行仿真，得到了使用DSSS和O-QPSK調(diào)制的信號在加性高斯白噪聲信道(AWGN)中的誤比特率(BER)和信噪比(Eb/N0)的關(guān)系［8－9］，如圖 3 所示，從圖中可以看出，在信噪比20 dBm時誤比特率只有不到10－5。

圖2 CC2530內(nèi)部信號編碼及調(diào)制方式

圖3 OQPSK在AWGN信道中誤碼率仿真

2.3 信道建模

為了得到2.4 GHz無線信號在平坦陸地上LOS(Line of Sight)視距傳輸?shù)膿p耗，在比較了傳統(tǒng)的無線近地傳播模型(自由空間模型、Plane-Earth模型和Egli模型)后，基于實測數(shù)據(jù)，得到了一種基于單斜率模型的改進型——雙斜率模型［10］:

其中L(d)為收發(fā)點距離d時的鏈路損耗，db突變點距發(fā)送點的距離，ε1ε2為均值為零標(biāo)準(zhǔn)差為σ1和σ2的高斯隨機變量，具體各個參數(shù)值詳見文獻［10］。

接收節(jié)點接收到的信號強度為:

Gt和Gr分別為發(fā)送端和接收端的天線增益，這里都使用3 dBi的增益天線。Pr(dBm)隨傳輸距離的變化情況如圖4所示。

圖4 接收功率Pr(dBm)與距離(m)的關(guān)系

2.4 實地測試

為了測試無線模塊的實際性能，選取了一條平直空曠的公路，并且在行人較少的時間段進行測試，天線高度為距離地面1 m，發(fā)送和接收天線之間視距傳輸，測試丟包率如下表2所示。

表2 測試距離和丟包率

當(dāng)接收端存在誤碼時，校驗和判斷錯誤并且自動丟棄該數(shù)據(jù)包，所以數(shù)據(jù)包越大，有可能產(chǎn)生的丟包率也就越大，由表中可以看出，當(dāng)距離為100 m時，沒有丟包產(chǎn)生，300 m時能夠以極低的丟包率傳輸，700 m時的丟包率雖然達到4.8%，但是在對于傳輸速率要求不高的情形時，可以通過丟包重傳的方式，來穩(wěn)定地進行通信。當(dāng)距離達到900 m時，信號能量衰減所產(chǎn)生的丟包率已經(jīng)很高。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無線通信協(xié)議

為了保證測試人員的安全，系統(tǒng)設(shè)計要求控制中心距離爆心1 km的范圍之外，而過遠的距離會導(dǎo)致信號的大幅度衰減和嚴重的誤包率，因此需要一個中繼節(jié)點，來延長并保證信號強度。由測試數(shù)據(jù)分析，選取匯聚節(jié)點到中繼節(jié)點間的距離為700 m，中繼節(jié)點距爆心的距離為300 m。系統(tǒng)節(jié)點分布如圖5所示。

圖5 無線控制系統(tǒng)分布示意

此無線上電觸發(fā)系統(tǒng)使用一種類似星形的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，總共分為三個工作流程。

流程一:對應(yīng)圖5中①。控制中心通過串口將終端節(jié)點編號幀和上電配置幀傳輸至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將其單播至中繼節(jié)點，中繼節(jié)點接收成功并向匯聚節(jié)點回饋ACK應(yīng)答幀，否則發(fā)送失敗，匯聚節(jié)點通過ARQ(自動請求重傳)模式重新發(fā)送。

流程二:對應(yīng)圖5中②和③。中繼節(jié)點接收到來自匯聚節(jié)點的命令幀后，向終端測壓節(jié)點和時基節(jié)點廣播一次上電配置幀，上電配置幀包括觸發(fā)電平和采樣頻率的配置。終端測壓節(jié)點和時基節(jié)點成功接收后，開啟內(nèi)部計時器同時向中繼節(jié)點回饋ACK應(yīng)答幀。

流程三:對應(yīng)圖5中④。中繼節(jié)點接收到所有終端節(jié)點和時基節(jié)點的ACK應(yīng)答幀后，即認為所有節(jié)點上電成功，并將成功幀單播至匯聚節(jié)點。否則認為上電失敗，中繼節(jié)點向匯聚節(jié)點發(fā)送失敗幀，同時向終端測壓節(jié)點廣播下電命令幀，終端測壓節(jié)點復(fù)位至低功耗空閑模式同時時基節(jié)點計時器清零。

本方案使用的無線廣播同步模式類似于RBS(Reference Broadcast Synchronization)同步算法，當(dāng)廣播范圍相對較小，電磁波的傳播速度約為光速，誤差的來源主要是接收時間的不確定性，其誤差范圍在 10 μs ～ 60 μs［11］。

3.2 超壓到達時間

終端測壓節(jié)點用來記錄沖擊波超壓數(shù)據(jù)，在無線觸發(fā)上電前，處于低功耗空閑模式，系統(tǒng)處于接通電源態(tài)，但未開始循環(huán)采樣，處于待采樣狀態(tài)。當(dāng)終端測壓節(jié)點通過無線接收到上電配置幀后，對FPGA進行參數(shù)配置同時開啟內(nèi)部計時器，延遲5 s后關(guān)閉無線模塊防止爆轟區(qū)對測試電路的影響，并進入2 MB的負延遲循環(huán)采樣狀態(tài)，待沖擊波超壓信號到來后，存儲8 MB超壓數(shù)據(jù)和2 MB的負延遲到FLASH中，采樣結(jié)束并停止內(nèi)部計時器，系統(tǒng)進入低功耗待讀數(shù)狀態(tài)。

時基節(jié)點被安置在距離爆心不遠處，此節(jié)點使用光敏傳感器來觸發(fā)定時結(jié)束，記錄起爆點的爆炸時刻，通過終端節(jié)點計時模塊的計時時長減去時基節(jié)點的計時時長，可得到?jīng)_擊波波陣面?zhèn)鞑ブ两K端節(jié)點的近似時間。

4 實驗結(jié)果

為了測試該系統(tǒng)的性能，選取一爆炸試驗場地對測試系統(tǒng)進行1 kg TNT實驗，選取3個終端測試節(jié)點和1個時基節(jié)點分別安置于距離爆心4 m的圓弧上，無線控制中心位于距爆心1 km的遠處，中繼節(jié)點距離爆心300 m。

實驗數(shù)據(jù)通過MATLAB整理［12］如圖6所示，三個節(jié)點的超壓峰值到達時間分別是6.716 ms、6.388 ms、6.428 ms，各測點測得的時間不確定度在0.3 ms以內(nèi)，對于研究沖擊波波陣面的傳播到達時間，具有一定的參考意義。

該方法通過設(shè)計了合理的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議，并將時基節(jié)點和計時模塊引入測試系統(tǒng)，利用了無線廣播低延遲的同步特性，提高了系統(tǒng)整體上電的同步性和可靠性并且降低了準(zhǔn)備階段的節(jié)點功耗，得到了波陣面?zhèn)鞑ブ两K端測試節(jié)點時間的近似值，而且測試節(jié)點越多，越能顯示出無線組網(wǎng)的優(yōu)越性，具有一定的應(yīng)用價值。

圖6 實驗結(jié)果

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