周彩親 李世中

【摘要】本文介紹了一種基于STC12C5410AD的侵徹試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)主要包括信號(hào)采集、無線發(fā)送、無線接收、數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。將采集到的數(shù)字信號(hào)接入STC12C5410AD，再通過nRF905無線模塊進(jìn)行發(fā)射，利用相同的模塊進(jìn)行接收，接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】侵徹試驗(yàn);nRF905模塊;數(shù)據(jù)采集

引言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步促使地下防御設(shè)備的性能越來越完善，從而帶動(dòng)對(duì)侵徹的毀傷效果的研究。侵徹主要是通過彈頭鉆入或穿透物體達(dá)到對(duì)隱蔽性目標(biāo)的有效摧毀。對(duì)彈丸侵徹過程的研究受到各個(gè)國家的重視。硬目標(biāo)侵徹試驗(yàn)中對(duì)各種動(dòng)態(tài)參數(shù)的記錄，對(duì)研發(fā)高性能的彈藥有重要意義。目前，主要通過彈載記錄儀實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下試驗(yàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)，試驗(yàn)結(jié)束后回收存儲(chǔ)器，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)，進(jìn)行分析和處理。

本文設(shè)計(jì)了一種基于STC12C5410AD的遠(yuǎn)距離侵徹試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，試驗(yàn)過程中避免了找回存儲(chǔ)器的麻煩，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)操作，保證了數(shù)據(jù)的快捷獲取。

1.總體結(jié)構(gòu)

硬目標(biāo)侵徹試驗(yàn)環(huán)境相當(dāng)惡劣，過載高、速度大、沖擊大。確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確完整的接收，系統(tǒng)必須可靠地啟動(dòng)發(fā)射和接收，不干擾導(dǎo)彈的正常工作。本系統(tǒng)將發(fā)射裝置裝在彈尾，彈接觸目標(biāo)后發(fā)射裝置開始工作。

本系統(tǒng)前端利用傳感器采集原始信號(hào)，送入STC12C5410AD后經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換處理后，單片機(jī)控制nRF905無線模塊將采集到的信號(hào)發(fā)射出去，遠(yuǎn)距離的nRF905模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收處理后，單片機(jī)的串口將試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，方便數(shù)據(jù)的顯示、分析和存儲(chǔ)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

以STC12C5410AD為核心器件，設(shè)計(jì)了復(fù)位電路、晶振電路、在線下載電路、穩(wěn)壓電路及其與nRF905的連接電路。軟件方面給出了發(fā)射和接收的程序流程。用紐扣鋰電池為發(fā)射端系統(tǒng)供電，功耗低。nRF905完成數(shù)據(jù)的編碼，調(diào)制和發(fā)射。

2.硬件設(shè)計(jì)

由宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5410AD單片機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期的兼容8051內(nèi)核單片機(jī)，速度高，功耗小。其主要性能特點(diǎn)如下：增強(qiáng)型1T流水線/精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)8051CPU;對(duì)于5V單片機(jī)工作電壓為5.5V-3.4V，對(duì)于3V單片機(jī)工作電壓為3.8V-2.0V;支持ISP/ASP，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序而無需專用編程器;I/O口可設(shè)置成準(zhǔn)雙向口/弱上拉、推挽/強(qiáng)上拉、僅為輸入/高阻、開漏四種模式。STC12C5410AD單片機(jī)中包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、EEPROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、I/O接口、UART接口和中斷系統(tǒng)、SPI接口、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、PWM（或捕捉/比較單元）以及硬件看門狗、電源監(jiān)控、片內(nèi)RC振蕩器、MAX810專用復(fù)位電路等模塊。圖2所示為發(fā)送端單片機(jī)外圍電路和nRF905芯片電路。發(fā)送端單片機(jī)的外圍電路，包括晶振電路、復(fù)位電路、MAX232電路、穩(wěn)壓電路。單片機(jī)通過RxD和TxD引腳連接MAX232，實(shí)現(xiàn)程序的在線下載。CSN、MOSI、MISO、SCK用于連接nRF905無線發(fā)射模塊的SPI接口，AD_IN用于接收待發(fā)射的信號(hào)。

三端穩(wěn)壓集成電路LM7805只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。其使用很少的外圍元件組成穩(wěn)壓電源，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。

利用nRF905無線收發(fā)芯片設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)的無線通信傳輸模塊，完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。nRF905的指令操作簡(jiǎn)單，外圍器件少，抗干擾能力較強(qiáng)。而且體積較小，對(duì)使用空間要求比較低。芯片內(nèi)置調(diào)制器、頻率合成器、功率放大器、晶體震蕩器等模塊，在433MHz、868MHz和915MHz的ISM頻段工作。50kbps的傳輸速率，高效GSFK調(diào)制，適合工業(yè)控制場(chǎng)合。內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制。模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)，提供中斷指示，可直接與各種單片機(jī)相連接使用，軟件編程方便。1.9V～3.6V的工作電壓范圍，待機(jī)模式下電流僅為12.5μA，-40℃～+85℃的工作溫度范圍。通過SPI接口與單片機(jī)連接。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技術(shù)。ShockBurst技術(shù)使nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，而不需要昂貴的高速M(fèi)CU來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理/時(shí)鐘覆蓋。ShockBurst工作模式的提點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC，電流消耗低。

nRF905芯片VCC腳接電壓范圍為3.3V～3.6V之間，超過3.6V會(huì)燒毀模塊。除VCC和接地端，其余腳都可以直接和普通的5V單片機(jī)IO口直接連接。芯片主要工作在典型ShockBurst TX模式、典型ShockBurst RX模式、掉電和SPI模式、STANDBY和SPI模式四種工作模式。前兩個(gè)是活動(dòng)模式，后兩個(gè)是節(jié)電模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP的值來設(shè)定。

3.軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的發(fā)送流程為：在試驗(yàn)過程中，單片機(jī)接收到傳感器采集到的信號(hào)，經(jīng)處理后，通過SPI接口，按時(shí)序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給nRF905，在通信協(xié)議和器件配置時(shí)確定SPI接口速率;單片機(jī)置高TRX_CE和TX_EN，將nRF905設(shè)置為發(fā)送模式;nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)（自動(dòng)開啟射頻寄存器，對(duì)數(shù)據(jù)加字頭和CRC校驗(yàn)碼進(jìn)而打包，發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)發(fā)送完后置高數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳）;如果AUTO_RETRAN被置高，nRF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低;當(dāng)TRX_CE被置低，nRF905發(fā)送完成，自動(dòng)進(jìn)入空閑模式。

系統(tǒng)的接收流程為：接收端單片機(jī)置高TRX_CE，同時(shí)置低TX_EN， nRF905為接收模式;nRF905在650us后不斷監(jiān)測(cè)，等待接收數(shù)據(jù);當(dāng)監(jiān)測(cè)到同頻段載波時(shí)，置高載波檢測(cè)引腳;接收到相匹配的地址時(shí)，置高AM引腳;接收到一個(gè)正確的數(shù)據(jù)包后，nRF905自動(dòng)移去字頭、地址和校驗(yàn)碼，置高DR引腳;單片機(jī)置低TRX_CE，進(jìn)入空閑模式;通過SPI口單片機(jī)以一定速率把數(shù)據(jù)移到單片機(jī)內(nèi);接收完所有的數(shù)據(jù)，置低DR和AM引腳。接收成功后，單片機(jī)可以通過串口把數(shù)據(jù)保存到計(jì)算機(jī)上。

4.試驗(yàn)驗(yàn)證

本系統(tǒng)采用STC12C5410AD作為主控器，nRF905作為無線發(fā)送接收模塊，工作頻段433MHz。通過串口調(diào)試助手將接收到的數(shù)據(jù)顯示出來。將發(fā)射端和接收端相距50米，發(fā)送端單片機(jī)控制無線模塊發(fā)射自加數(shù)據(jù)，接收端單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后通過串口在計(jì)算機(jī)上保存、顯示。如圖3所示。該系統(tǒng)在靜態(tài)試驗(yàn)中能比較好的接收到無線信號(hào)。

圖3 上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)

5.結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)在侵徹試驗(yàn)彈載存儲(chǔ)器回收難的問題，本文將RF射頻技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，提出一種基于射頻傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低?，F(xiàn)階段該系統(tǒng)在普通環(huán)境中可以傳輸，但對(duì)于存在各種干擾、過載高的環(huán)境系統(tǒng)還需要再改進(jìn)。

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