吳蓬勃,楊 斐,李 莉,李學(xué)海

(石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,電信工程系,河北 石家莊 050031)

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·激光應(yīng)用技術(shù)·

基于Zigbee的新型激光模擬對抗訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計

吳蓬勃,楊 斐,李 莉,李學(xué)海

(石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,電信工程系,河北 石家莊 050031)

設(shè)計了一種基于Zigbee的新型激光模擬對抗訓(xùn)練系統(tǒng)。重點介紹了總體設(shè)計思想以及軟硬件實現(xiàn)方案。系統(tǒng)硬件以STM32為核心,通過激光器將經(jīng)過編碼的信號發(fā)送到接收端,利用Zigbee無線模塊實現(xiàn)了總站控制臺、射擊單元和靶位單元的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通?？傉究蓪崟r監(jiān)控訓(xùn)練態(tài)勢、自動識別與評估雙方毀傷情況、實時顯示戰(zhàn)場態(tài)勢,為檢驗訓(xùn)練效果提供了重要科學(xué)手段。

Zigbee；激光；STM32；模擬對抗

1 引 言

傳統(tǒng)的對抗射擊訓(xùn)練系統(tǒng)不能真槍實彈地對抗,很難真實反映火力交戰(zhàn)過程和雙方戰(zhàn)損情況,勝負(fù)往往取決于導(dǎo)調(diào)人員的主觀評判,以致于實戰(zhàn)效果、導(dǎo)調(diào)控制、裁決評估這3個關(guān)鍵問題無法有效解決,對抗結(jié)果難以令人信服。

本文結(jié)合傳統(tǒng)激光模擬對抗訓(xùn)練系統(tǒng)和激光打靶系統(tǒng)的特點,設(shè)計了一種新型激光模擬對抗訓(xùn)練系統(tǒng),既可用于多兵對抗訓(xùn)練,也可用于單兵打靶訓(xùn)練。該系統(tǒng)利用激光發(fā)射與接收來模擬槍支射擊機(jī)理和被命中的戰(zhàn)損狀況,使訓(xùn)練貼近實戰(zhàn)；激光束命中目標(biāo),接收器可自動禁止士兵射擊,并使之倒下,強(qiáng)制被擊中方退出戰(zhàn)斗；士兵可控制自身的接收器躲藏、擺動,模擬真實士兵的動作；總控制臺能通過Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)接收每個激光發(fā)射機(jī)和接收器發(fā)來的數(shù)據(jù)、彈藥存量、戰(zhàn)斗狀態(tài)等信息,使總控制臺可以自動監(jiān)控訓(xùn)練態(tài)勢、自動識別與評估雙方毀傷情況、實時顯示戰(zhàn)場態(tài)勢,為檢驗訓(xùn)練效果提供了重要科學(xué)手段[1-2]。

2 系統(tǒng)總體規(guī)劃

本系統(tǒng)主要包括三個組成部分：兵人射擊單元、兵人靶位單元、總控制臺,如圖1所示。兵人射擊單元和兵人靶位單元分別編號,每個兵人射擊單元對應(yīng)一個兵人靶位單元。其中,兵人靶位單元包括：3個靶位、1個隨機(jī)分配器；總控制臺包括：工控機(jī)、LED顯示屏。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

兵人射擊單元和兵人靶位單元之間、總控制臺與兵人射擊單元或兵人靶位單元之間、總控制臺與LED顯示屏之間均通過Zigbee無線連接,從而構(gòu)建了一個Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)?？偪刂婆_通過串口連接Zigbee協(xié)調(diào)器,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建、兵人射擊單元與兵人靶位單元狀態(tài)采集和指令的發(fā)送(包括廣播方式和點對點方式)。兵人射擊單元和兵人靶位單元均作為Zigbee路由器,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)射、接收、轉(zhuǎn)發(fā)。

本系統(tǒng)最多可供6個士兵對抗訓(xùn)練,也可供單兵打靶訓(xùn)練,還可根據(jù)需要擴(kuò)展對抗單元。

3 硬件單元設(shè)計

3.1 兵人射擊單元

兵人射擊單元主要包括：STM32單元、聲光模塊、Zigbee無線模塊、開關(guān)量檢測單元、電機(jī)驅(qū)動單元等,如圖2所示。

圖2 兵人射擊單元

(1)聲光模塊包括：激光驅(qū)動電路、數(shù)碼管驅(qū)動電路、語音驅(qū)動電路、LED指示燈驅(qū)動電路。(2)Zigbee無線模塊通過串口與STM32通信,實現(xiàn)與兵人靶位單元和總控制臺的無線通信。(3)開關(guān)量檢測單元實現(xiàn)開關(guān)信號的檢測。開關(guān)信號包括：扳機(jī)開關(guān)、槍栓開關(guān)、靶位回轉(zhuǎn)控制開關(guān)(槍支在左右轉(zhuǎn)動時,靶位也做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動,以仿真真實士兵的動作)、靶位躲藏開關(guān)(可控制對應(yīng)靶位的躲藏,防止被射擊)、保險桿電機(jī)限位開關(guān)、腳踏調(diào)節(jié)開關(guān)。(4)電機(jī)驅(qū)動單元實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。電機(jī)包括：槍鎖死電機(jī)、槍回震電機(jī)、升起和趴下電機(jī)、保險桿電機(jī)(保險桿主要用于防止人在趴床升起和降落過程中損傷)和腳蹬調(diào)節(jié)電機(jī)(每個人的身高不同,所以趴床的腳踏板可以根據(jù)需要調(diào)節(jié))。

3.1.1 激光驅(qū)動電路

本系統(tǒng)采用650 nm紅光半導(dǎo)體激光器(后面簡稱LD),工作電流100 mA,工作電壓2.8 V。由于LD是電流注入驅(qū)動,電流穩(wěn)定性直接影響輸出功率的穩(wěn)定性,因此驅(qū)動LD的電流源,要求穩(wěn)定性優(yōu)于10-3。另外,還要求電流源有抗擊浪涌擊穿、斷電保護(hù)等功能,以保證LD安全、可靠的工作。

LD驅(qū)動電路包含四部分：延時開關(guān)電路、電流驅(qū)動電路、保護(hù)電路和調(diào)制信號電路,如圖3所示。延時開關(guān)電路用于延長電源打開或關(guān)閉的時間,防止浪涌擊穿LD。電流驅(qū)動電路結(jié)合來自LD的負(fù)反饋,構(gòu)成高穩(wěn)定恒流源電路。保護(hù)電路用于防止高頻干擾、浪涌,提高LD壽命。調(diào)制信號電路用于產(chǎn)生調(diào)制信號。

圖3 激光器驅(qū)動電路框圖[3-6]

圖4為具體的LD驅(qū)動電路圖。上半部分為延時開關(guān)電路,三極管Q4兩側(cè)的L1、C4、C9和L2、C10、C11為兩個π型濾波網(wǎng)絡(luò)。Q4基極的R12和C15構(gòu)成延時網(wǎng)絡(luò),電源VCC打開時,電容C15充電,經(jīng)過延時后,C15電壓達(dá)到一定值可以使得Q4導(dǎo)通；VCC通過Q4變?yōu)閂CC_LD,開始給LD供電；VCC斷開時,C15放電,經(jīng)過延時后,C15電壓降到一定值使得三極管Q4斷開。設(shè)Q4集電極電壓為Vi,電容C15電壓為Vo,則由電容充電公式Vo=Vi×(1-e-t/RC),可計算出充放電時間。

圖4 激光器驅(qū)動電路圖

在圖4下半部分中,由齊納二極管D7和可變電阻R18構(gòu)成恒流源電路,C19防止可變電阻滑動端在滑動過程中接觸不良從而引發(fā)浪涌。通過采樣電阻R20獲取LD的工作電流,反饋到LM358的反相端與同相端的恒流源比較,當(dāng)兩者不同時,LM358輸出信號控制Q6的導(dǎo)通或截止,從而保證了LD電流的恒定。在半導(dǎo)體激光管LD的右側(cè)管并聯(lián)了一個電容C16,可以濾掉流過LD 電流中的高頻干擾,避免LD由于高頻干擾而受到損壞。同時并聯(lián)一個反向二極管D6,以此來防止激光管兩端受過大的反向電壓而損壞。圖4右下角為調(diào)制電路,STM32產(chǎn)生38 kHz調(diào)制信號,通過MCU_Laser控制三極管Q5的開關(guān),從而控制激光管LD的開關(guān)。

3.1.2 Zigbee無線模塊

本系統(tǒng)的Zigbee無線通信部分,采用了TI公司的Zigbee/IEEE 802.15.4無線射頻收發(fā)器CC2530。該芯片結(jié)合了RF收發(fā)器、增強(qiáng)型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8 kB的RAM和許多其他模塊,功能強(qiáng)大。它能滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。同時CC2530在各運行模式之間轉(zhuǎn)換的時間很短,使其進(jìn)一步降低能源消耗。CC2530無線Zigbee單元的電路,如圖5所示。天線將Zigbee無線信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號,CC2530將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后,轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的邏輯動作,驅(qū)動所連接的執(zhí)行部件動作。

圖5 CC2530無線Zigbee單元電路圖[7]

3.2 兵人靶位單元

一個兵人靶位單元包括一個隨機(jī)分配器以及3個靶位。隨機(jī)分配器通過Zigbee模塊接收總控制臺指令,進(jìn)行數(shù)據(jù)解析后,通過485總線隨機(jī)激活一個靶位；同時也可接收兵人射擊單元指令,控制靶位動作。靶位被擊中后,會將擊中信息通過隨機(jī)分配器的Zigbee模塊反饋到總控制臺。

靶位功能框圖如圖6所示。靶位上帶有兵人模型,兵人模型可升起、可躲藏、可回轉(zhuǎn)、帶有受傷指示燈,同時帶有硅光電池,可接受激光信號。下面著重對激光接收部分的信號調(diào)理電路做具體介紹。

圖6 靶位功能框圖

硅光電池轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、性能穩(wěn)定[8],適用于接收紅光和紅外光,使用的波長范圍為400～1200 nm,峰值波長在800 nm附近。本系統(tǒng)采用的是650 nm的紅光激光器,既適合硅光電池接收,又便于激光槍校準(zhǔn)。

本系統(tǒng)采用的硅光電池,開路電壓為0.5 V,短路電流25 mA。然而硅光電池在日光燈光照射下電壓為0.2 V,如果通過電壓的變化來檢測接收到的信號,則接收靈敏度不高,而且很容易受到外界光線的干擾。所以本系統(tǒng)通過檢測硅光電池的電流變化來接收激光信號,信號調(diào)理電路圖如圖7所示,檢測電流范圍為4～20 mA,對于4 mA以下的電流判斷為背景噪聲。如圖7所示,4～20 mA電流流過采樣100 Ω電阻R1,在R1上會產(chǎn)生0.4～2 V的電壓差。

圖7 信號調(diào)理電路

經(jīng)過運放電路的處理后,通過Vout輸出0.88～4.4 V電壓,送至STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖8為經(jīng)過信號調(diào)理后的激光脈沖信號,當(dāng)沒有激光照射硅光電池時,信號調(diào)理電路輸出為0 V,當(dāng)有激光照射時,信號電壓峰峰值最小為2.6 V,最大為3 V,滿足TTL高電平的要求,所以可以直接被STM32識別并解調(diào)。在圖8中可看出,信號從0～2.6 V,經(jīng)過了40 ms的時間,這是因為,為了模擬真實子彈射出的過程,非射擊狀態(tài)下,激光處于關(guān)閉狀態(tài),僅在開槍射擊時,才打開激光。而激光管在從不亮到點亮?xí)r,需要一定的時延,以保護(hù)激光管,同時也是為了保證信號的可靠傳輸。所以在開槍射擊時,需先將激光管點亮一段時間后,再發(fā)送調(diào)制信號,經(jīng)測試這個時間延時,不會影響到射擊的效果。

圖8 信號調(diào)理后的激光信號

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 軟件工作流程

軟件工作流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)工作流程

圖9中，左半部為預(yù)備階段,首先,總控制臺啟動；如果是初次使用需要先將各個單元進(jìn)行注冊(具體注冊流程見4.2部分)；然后設(shè)置作戰(zhàn)模式；啟動射擊單元；總控制臺隨機(jī)分配射擊單元編號到靶位單元,并啟動靶位單元。圖9右半部分為戰(zhàn)斗階段,首先使能各個射擊單元的槍支,開始進(jìn)入戰(zhàn)斗階段,各個射擊單元可發(fā)射帶有自身編號的激光信號；如果有靶位單元被擊中,則判斷接收到的單元編號與自身被分配的單元編號是否一致,如果編號一致,則判定為“自殺”,對應(yīng)的射擊單元禁止射擊,同時趴床趴下；如果編號不一致,則判定為“命中”；各個射擊單元實時顯示自身射擊成績,同時總控制臺記錄所有射擊單元的成績；如果靶位有一半以上被擊中,則總站重新分配所有靶位編號并激活所有單元。如果射擊時間到,則戰(zhàn)斗結(jié)束,所有單元禁止射擊,LED屏顯示戰(zhàn)斗結(jié)果。

4.2 Zigbee無線模塊軟件設(shè)計

Zigbee無線模塊的主要功能是,自動組建無線網(wǎng)絡(luò),將串口數(shù)據(jù)進(jìn)行無線收發(fā)。要實現(xiàn)自動組網(wǎng)功能,需要先配置1個協(xié)調(diào)器(通過串口連接總站控制臺的工控機(jī)),并設(shè)置PANID號；其他無線Zigbee模塊配置為路由器,加入到協(xié)調(diào)器所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中,協(xié)調(diào)器會為每個路由器設(shè)備分配一個16位的短地址(Short Address)。只要網(wǎng)絡(luò)中不再加入新的路由器或節(jié)點設(shè)備,短地址不會發(fā)生改變。

Zigbee路由器的16位短地址(Short Address)可以作為網(wǎng)絡(luò)中各個設(shè)備通信地址使用。但是具體哪個短地址對應(yīng)哪個單元,協(xié)調(diào)器如何區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)是來自哪個單元的,本系統(tǒng)將Zigbee模塊的短地址和實際物理地址進(jìn)行了綁定,并存儲到STM32的內(nèi)部Flash存儲器中。

Zigbee路由器的Zigbee的短地址與物理地址的綁定過程為：首先進(jìn)行硬件初始化,等待協(xié)調(diào)器工作穩(wěn)定后,讀取Zigbee節(jié)點的PANID和短地址,然后判斷當(dāng)前單元的編號DeviceID是否已配置,如果已配置,則將存儲在STM32 的Flash中的PANID和短地址與當(dāng)前讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,如果數(shù)據(jù)一致,則進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。如果信息不一致,則進(jìn)入DeviceID設(shè)置狀態(tài)。如果DeviceID未配置,則也進(jìn)入DeviceID配置狀態(tài)。通過按鍵輸入設(shè)備的DeviceID,并將PANID、短地址和DeviceID寫入Flash,然后將這些信息發(fā)送到Zigbee協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器存儲每個DeviceID對應(yīng)的短地址,并將接收的數(shù)據(jù)再次反饋到對應(yīng)的Zigbee路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)核實。如果數(shù)據(jù)核實正確,則進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。通過這種方式,實現(xiàn)了短地址與物理地址DeviceID的綁定。協(xié)調(diào)器收到各個路由器反饋的數(shù)據(jù)就可以根據(jù)短地址查找出對應(yīng)的物理地址。

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于Zigbee的無線激光模擬對抗訓(xùn)練系統(tǒng),既可以用于多兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練,也可用于單兵打靶訓(xùn)練。該系統(tǒng)通過Zigbee實現(xiàn)了兵人射擊單元、兵人靶位單元和總站控制臺互聯(lián)互通,兵人射擊單元與對應(yīng)靶位單元的聯(lián)動,總站控制臺可以實時的感知各個單元的戰(zhàn)斗狀態(tài)、獲取戰(zhàn)場數(shù)據(jù),為部隊訓(xùn)練、企業(yè)拓展訓(xùn)練、室內(nèi)運動等領(lǐng)域提供了良好的訓(xùn)練平臺。

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Design of laser simulation tactical training system based on Zigbee

WU Peng-bo,YANG Fei,LI Li,LI Xue-hai

(Shijiazhuang Post & Communication Technology Institutes,Department of Telecommunication Engineering,Shijiazhuang 050031,China)

A new type of laser simulation tactical training system is designed based on Zigbee.The design idea and implementation scheme of software and hardware are mainly introduced.The hardware of the system is based on STM32;the coded signals are transmitted to the receiving terminal by the laser.The interconnection and interworking among the control terminal of master station,the shooting unit and the target unit are achieved based on Zigbee wireless module.The master station can monitor the training situation,automatic identification and assessment of the damage situation,real-time display of the battlefield situation,which provides an important scientific means for the training effect.

Zigbee;laser;STM32;simulation tactical

1001-5078(2015)06-0616-05

河北省科技計劃項目(No.13214710)資助。

吳蓬勃(1980-)，男，講師，碩士，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，光電技術(shù)。E-mail:18931368610@189.cn

2014-09-03;

2014-09-16

TP277

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.06.004