余俊斌 嚴(yán)帥 張會(huì)新 劉文怡 趙成城

摘 ?要： 針對(duì)飛行設(shè)備內(nèi)部各種傳感器的數(shù)據(jù)傳輸方式為有線傳輸現(xiàn)狀，無(wú)形中加大了布線安排、體積增大、成本增加以及無(wú)法實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)質(zhì)量低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于CC3200的WiFi數(shù)據(jù)傳輸模塊。該模塊以FPGA作為主控核心單元，并輔以濾波電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，最終通過(guò)CC3200將處理好的數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給控制中心。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果符合具體預(yù)定要求并且性能穩(wěn)定、可靠，沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，現(xiàn)已成功應(yīng)用于某航天測(cè)試系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞： WiFi通信; A/D采集; FIR濾波; FPGA; 航天測(cè)試系統(tǒng); 數(shù)據(jù)傳輸模塊

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915?34; TN925 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2018）10?0063?04

Abstract： In allusion to the problems such as increase of wiring arrangement， volume and cost， inability to obtain data in real time and low data quality with wire transmission as the data transmission mode of various sensors in flight equipment， a new WiFi data transmission module based on CC3200 is designed. The module takes FPGA as the core unit of main control， is supplemented with the filter circuit， analog?digital conversion circuit， and finally sends the processed digital signal data to the control center by means of CC3200. A test was carried out. The test results show that the system can meet the specific predefined requirements， and has stable and reliable performance without data loss. The system has been successfully applied to an aerospace test system.

Keywords： WiFi communication; AD acquisition; FIR filtering; FPGA; aerospace test system; data transmission module

0 ?引 ?言

火箭、導(dǎo)彈等飛行設(shè)備在其起飛階段以及空中飛行過(guò)程中，乃至最終的著落階段的各項(xiàng)參數(shù)都有十分重要的作用[1]。這些參數(shù)囊括了沖擊、過(guò)載、加速度等各個(gè)方面，能否準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)送接收這些參數(shù)，對(duì)飛行設(shè)備起決定性的作用[2]。

目前，飛行裝備中安裝繁多的傳感器，它們同主控單元之間的通信均采用有線的連接方式，并且輸出的模擬量信號(hào)直接傳輸給下面單元。其中的電磁干擾等因素嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)的質(zhì)量。同時(shí)，這種連接方式明顯地增加了設(shè)備的體積和重量，從而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)選型以及燃料消耗，進(jìn)而影響成本。因此，基于目前飛行裝備的數(shù)據(jù)傳輸方式，設(shè)計(jì)一種基于CC3200的WiFi通信模塊來(lái)解決這一問(wèn)題。

1 ?模塊整體設(shè)計(jì)

飛行設(shè)備中各種傳感器提供其檢測(cè)部位的各個(gè)參數(shù)。這些龐大的數(shù)據(jù)由系統(tǒng)控制中心統(tǒng)一接收并匯總分析，然后對(duì)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的操作，同時(shí)將這些參數(shù)存儲(chǔ)并發(fā)往地面總指揮中心。

設(shè)計(jì)中將傳感器模塊產(chǎn)生的0～5 V模擬量電壓先通過(guò)濾波電路后又進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號(hào)，之后傳送給模塊中的數(shù)字處理單元FPGA，待FPGA對(duì)此數(shù)字信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步濾波、編碼之后，通過(guò)FIFO發(fā)送給無(wú)線傳輸芯片CC3200，CC3200將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無(wú)線通信格式并通過(guò)載波發(fā)送出去，具體框圖如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?濾波及模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

目前，傳感器模塊與數(shù)據(jù)采集模塊必定存在一定的距離。所以為了避免傳輸過(guò)程中的電磁干擾，并且根據(jù)試驗(yàn)中選用的三向振動(dòng)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)干擾頻率大部分都大于2 000 Hz，所以采用在A/D轉(zhuǎn)換前加入有源二階低通濾波電路。

三向振動(dòng)傳感器有3路模擬量輸出信號(hào)，所以傳輸模塊中選用的ADS8365芯片保留了3路模擬量輸入，其余3路輸入上拉10 kΩ電阻。由于ADS8365內(nèi)部數(shù)字部分和模擬部分完全隔離，所以模擬部分采用5 V，數(shù)字部分采用3.3 V，并且兩者的地也互相隔離，以免模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)互相干擾。通過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波電路，能夠使得采集到的信號(hào)的噪聲部分有效的消除，提高了信號(hào)的質(zhì)量，具體電路如圖2所示。

2.2 ?WiFi通信模塊設(shè)計(jì)

SimpleLink CC3200是第一款具有內(nèi)置WiFi功能，并集成了高性能 ARM Cortex?M4 內(nèi)核的無(wú)線MCU，使用該芯片便可完成無(wú)線通信開(kāi)發(fā)[3?7]。該芯片由微處理器系統(tǒng)、WiFi網(wǎng)絡(luò)處理系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)三部分組成[3?7]。WiFi網(wǎng)絡(luò)處理系統(tǒng)中有額外的專(zhuān)用的ARM處理器來(lái)負(fù)責(zé)WiFi功能，能夠減少應(yīng)用ARM處理器和WiFi互聯(lián)協(xié)議的繁瑣。并且系統(tǒng)內(nèi)部有專(zhuān)門(mén)的ROM存儲(chǔ)協(xié)議，從而節(jié)省處理器的負(fù)擔(dān)提高系統(tǒng)的可靠性。

CC3200與FPGA的通信采用并行傳輸，并對(duì)FPGA內(nèi)部的異步FIFO直接控制。

2.3 ?數(shù)字信號(hào)處理單元電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用Xilinx公司Spartan3系列FPGA作為主控芯片，F(xiàn)PGA芯片的優(yōu)點(diǎn)在于其內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元可編程性高，便于開(kāi)發(fā)人員的使用與設(shè)計(jì)[3]。FPGA芯片通過(guò)一定的時(shí)序控制ADS8365芯片，使其以固定的采樣率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣得到數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FIR濾波處理，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼處理。最終FPGA將編碼后的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后傳送給CC3200模塊。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?ADS8365的時(shí)序設(shè)計(jì)

ADS8365內(nèi)部包含6個(gè)獨(dú)立的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，它們被分為三對(duì)并與器件內(nèi)部寄存器對(duì)應(yīng)[4]。工作時(shí)，外部的三個(gè)[HOLDX]信號(hào)控制著它們的工作，當(dāng)[HOLDX]置低時(shí)（Δt>40 ns），與之對(duì)應(yīng)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器被初始化，同時(shí)復(fù)位寄存器并重新對(duì)外部模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，最后存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的寄存器之中。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器工作時(shí)需要16個(gè)時(shí)鐘周期，數(shù)據(jù)的讀取需要4個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)這兩個(gè)工作完成時(shí)，ADS8365會(huì)將[EOC]引腳拉低半個(gè)時(shí)鐘周期，與此同時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將會(huì)把[CS]和[RD]引腳置低，便可以讀取到ADS8365并行輸出總線上的數(shù)據(jù)。

3.2 ?CC3200的軟件編寫(xiě)

CC3200的函數(shù)功能的實(shí)現(xiàn)都是采用任務(wù)調(diào)用的方式，從而提高了其對(duì)外部中斷及WiFi網(wǎng)絡(luò)處理子系統(tǒng)的響應(yīng)速率，具有很好的實(shí)時(shí)性[5]。其通信方式選擇使用UART模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)利用CC3200實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的軟件部分是在CCS6.1.0中編寫(xiě)的。其整體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。設(shè)計(jì)中主要完成了待發(fā)送數(shù)據(jù)的解碼校驗(yàn)與再編碼、WLAN終端模式創(chuàng)建與數(shù)據(jù)發(fā)送、指示燈任務(wù)的三個(gè)任務(wù)的編寫(xiě)。

數(shù)據(jù)的解碼校驗(yàn)與再編碼是為了對(duì)FPGA內(nèi)部的異步FIFO進(jìn)行控制，讀取其中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行幀格式分隔和校驗(yàn)，然后將正確的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。CC3200通過(guò)判斷FIFO的空標(biāo)志來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取，當(dāng)FIFO非空時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取工作。其中的764 B為有效數(shù)據(jù)部分，其余為幀格式。具體編碼形式如圖4所示。

WLAN終端模式的開(kāi)啟與數(shù)據(jù)發(fā)送的任務(wù)的軟件代碼編寫(xiě)包括了WiFi子系統(tǒng)初始化、配置、WLAN連接、套接字連接、數(shù)據(jù)傳輸。WiFi子系統(tǒng)的初始化主要是將系統(tǒng)從休眠模式喚醒，并對(duì)使用到的變量進(jìn)行初始化。初始化完成后，啟動(dòng)SimpleLink，檢測(cè)配置芯片的工作模式，若為STA模式，則跳過(guò)配置操作，否則進(jìn)行STA模式配置。然后對(duì)CC3200的連接模式設(shè)置為AUTO+SmartConfig模式。接著清除各種文件和數(shù)據(jù)、斷開(kāi)之前的連接、使能DHCP客戶(hù)端、失能掃描、設(shè)置CC3200的發(fā)射功率最大、設(shè)置WLAN模式為電源管理模式、注銷(xiāo)mDNS服務(wù)器，最后關(guān)斷SL。指示燈任務(wù)的主要作用是用來(lái)檢測(cè)CC3200是否有數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中每個(gè)任務(wù)是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，任務(wù)的執(zhí)行通過(guò)任務(wù)調(diào)度器實(shí)現(xiàn)，并且任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間分配通過(guò)任務(wù)延時(shí)計(jì)時(shí)單元實(shí)現(xiàn)，從而保證任何一個(gè)任務(wù)都能在一定的周期內(nèi)被執(zhí)行到。

4 ?測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)驗(yàn)證的目的是檢測(cè)通信過(guò)程中是否出現(xiàn)丟數(shù)的現(xiàn)象，采用無(wú)線路由器作AP，CC3200作為終端，在實(shí)驗(yàn)室中利用三向振動(dòng)傳感器作為模擬信號(hào)的輸入。圖5為三向振動(dòng)傳感器的參數(shù)設(shè)置界面，在試驗(yàn)中將對(duì)x，y，z三個(gè)方向進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，設(shè)置起始振動(dòng)頻率為20 Hz，截止頻率為2 kHz，加速度起始為1 g，截止為10 g。

WiFi路由器通過(guò)網(wǎng)口調(diào)試助手經(jīng)由網(wǎng)口向計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。在實(shí)際環(huán)境下，20 MB的數(shù)據(jù)的讀取需要4 min 15 s，數(shù)據(jù)傳輸速率為0.078 MB/s。在理論計(jì)算中，傳感器通道的采樣率為10 kbit/s，綜合3路工作的情況，每秒應(yīng)產(chǎn)生60 kB左右的數(shù)據(jù)，由于試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)存在幀計(jì)數(shù)和標(biāo)志位等自定義字節(jié)位，綜合下來(lái)該數(shù)據(jù)接收速率也滿(mǎn)足理論值。圖6為HexEdit軟件的接收數(shù)據(jù)的軟件視圖以及分析結(jié)果。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

目前無(wú)線傳輸技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而且各行各業(yè)目前也在不斷地致力于將現(xiàn)有的有線通信模式逐步改進(jìn)為無(wú)線傳輸模式，以節(jié)約成本，并增加了設(shè)備的應(yīng)用靈活性，飛行器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也逃脫不了這種趨勢(shì)。

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊能夠直接近距離將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)WiFi技術(shù)無(wú)線發(fā)送到控制單元，極大地節(jié)省了飛行系統(tǒng)的空間。同時(shí)通過(guò)硬件和軟件的濾波設(shè)計(jì)以及適當(dāng)?shù)娜蒎e(cuò)算法，使得最終獲取的信號(hào)的質(zhì)量滿(mǎn)足既定要求，現(xiàn)已成功應(yīng)用于某航天飛行測(cè)試項(xiàng)目之中。

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