楊悟宇 言勐 劉庭君 葛運(yùn)龍

摘要：為解決傳統(tǒng)模擬射擊系統(tǒng)有線通信方式布線復(fù)雜、通信聯(lián)絡(luò)易受阻的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一款由STC15系列單片機(jī)控制的基于nRF24L01無(wú)線通信模塊的CQB單兵無(wú)線通信系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)^[1]，有效地改進(jìn)了傳統(tǒng)模擬射擊系統(tǒng)的通信系統(tǒng)，使之更好的滿足實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練要求，對(duì)提高軍警實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練水平有較大作用。

關(guān)鍵詞：CQB;單片機(jī);nRF24L01無(wú)線模塊

傳統(tǒng)模擬射擊系統(tǒng)通過(guò)模擬實(shí)戰(zhàn)環(huán)境使參訓(xùn)人員有親臨實(shí)戰(zhàn)的體驗(yàn)，可較好的培養(yǎng)參訓(xùn)人員的戰(zhàn)場(chǎng)意識(shí)，提高軍警實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練水平^[2]。但在模擬對(duì)抗訓(xùn)練過(guò)程中，單兵模擬作戰(zhàn)裝具若采用有線通信方式，其布線復(fù)雜的缺陷會(huì)嚴(yán)重影響參訓(xùn)人員的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作;通信線路的磨損容易導(dǎo)致通信聯(lián)絡(luò)不暢。這些問(wèn)題都極大的影響著參訓(xùn)人員的實(shí)戰(zhàn)體驗(yàn)，降低了實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練效果。

本文基于STC15系列單片機(jī)和nRF24L01無(wú)線通信模塊，設(shè)計(jì)了一款無(wú)線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)節(jié)省了布置電線的所需的空間，且具有電路簡(jiǎn)單、功耗小、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)^[3]，能較好的克服有線通信方式的弊端。

一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由總控模塊和信息通信模塊兩部分構(gòu)成，應(yīng)用STC系列單片機(jī)作為主控模塊，nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊作為通信模塊，ESP8266無(wú)線收發(fā)模塊作為爆炸物感應(yīng)模塊，引入按鍵開關(guān)、蜂鳴器、4位撥號(hào)開關(guān)和發(fā)光二極管等元件組成集體控制、聲光報(bào)警、信號(hào)顯示、身份設(shè)定功能模塊，選擇LM1117-3.3V電壓轉(zhuǎn)換模塊組成電源轉(zhuǎn)換模塊。

1、總控部分方案設(shè)計(jì)

總控部分由STC15W204S單片機(jī)主控模塊、nRF24L01無(wú)線通信模塊、集體控制按鍵模塊、信號(hào)顯示模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊組成。各模塊功能介紹如下：

①STC15W204S單片機(jī)主控模塊負(fù)責(zé)根據(jù)程序設(shè)計(jì)，完成對(duì)各模塊的協(xié)同控制。②nRF24L01無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)發(fā)送集體控制（“集體死亡”或“集體復(fù)活”）指令。③集體控制模塊用于控制通信模塊發(fā)送集體控制指令。④信號(hào)顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示集體控制指令的發(fā)送情況。⑤電源轉(zhuǎn)換模塊將5V直流電源轉(zhuǎn)換為5V和3.3V電源，為各硬件模塊提供電源。

2、信息通信模塊方案設(shè)計(jì)

信息通信模塊由STC15W408AS單片機(jī)主控模塊、nRF24L01無(wú)線通信模塊、ESP8266爆炸物感應(yīng)模塊、聲光報(bào)警模塊、身份設(shè)定模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊組成。各模塊功能介紹如下：①STC15W408AS單片機(jī)主控模塊主要負(fù)責(zé)將接收的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行分析與綜合處理。②nRF24L01無(wú)線通信主要負(fù)責(zé)接收集體控制指令和實(shí)時(shí)發(fā)送參訓(xùn)人員傷害信號(hào)及碰撞保護(hù)狀態(tài)。③ESP8266爆炸物感應(yīng)模塊通過(guò)配對(duì)ESP8266模塊發(fā)送的無(wú)線信號(hào)，模擬接收爆炸裝置發(fā)出的固定信號(hào)，以達(dá)到對(duì)模擬爆炸物爆炸范圍內(nèi)進(jìn)行傷害判定的目的。④聲光報(bào)警模塊通過(guò)蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲和光信號(hào)，以達(dá)到傷害報(bào)警的目的。⑤身份設(shè)定模塊用于設(shè)定裝備編號(hào)。⑥電源轉(zhuǎn)換模塊將5V直流電源轉(zhuǎn)換為5V和3.3V電源，為各硬件模塊提供電源。

二、軟硬件設(shè)計(jì)

1、硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件總體電路設(shè)計(jì)時(shí)，總控模塊和信息通信模塊分別以STC15W204S和STC15W408AS單片機(jī)主控模塊電路為核心，將各自功能電路和單片機(jī)的接口連接在一起。nRF24L01無(wú)線通信模塊電路和ESP8266爆炸物感應(yīng)模塊電路的電源接在3.3V電源上，其它電路的電源接在5V上。整體電路圖如圖（1）所示：

2、軟件設(shè)計(jì)

主程序主要是提供整個(gè)系統(tǒng)功能的邏輯執(zhí)行流程，完成初始化操作并將各個(gè)模塊子程序有效的銜接起來(lái)。本節(jié)區(qū)分總控模塊和信息通信模塊分別介紹其主程序流程。

（1）總控模塊主程序設(shè)計(jì)?？偪啬K以STC15W204S單片機(jī)為控制核心，具體的初始化過(guò)程如下：①使按鍵開關(guān)處于斷開狀態(tài)。②禁止接收指示燈和發(fā)射指示燈工作。③配置無(wú)線模塊的0通道用于發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)置射頻頻率為2.4G。④開啟定時(shí)器0并將其工作方式選擇方式1，設(shè)置定時(shí)時(shí)間為10ms。初始化完成后，主程序在whie（1）的循環(huán)體中，循序檢測(cè)集體控制按鍵的狀態(tài)。當(dāng)集體死亡或者集體復(fù)活按鍵按下時(shí)，無(wú)線通信模塊發(fā)送對(duì)應(yīng)集體控制信號(hào)，信號(hào)顯示燈亮0.5秒。

（2）信息通信模塊主程序設(shè)計(jì)。信息通信模塊以STC15W408AS單片機(jī)為控制核心，初始化過(guò)程如下：①開定時(shí)器0并將其工作方式設(shè)置為方式1，設(shè)置定時(shí)時(shí)間為10ms。②定義串行通信工作方式為方式1;啟動(dòng)定時(shí)器2并選擇定時(shí)器2為波特率發(fā)生器，設(shè)置其時(shí)鐘為晶振頻率。③開啟碰撞保護(hù)，向模擬人體靶輸出無(wú)傷害信號(hào)。④讀取4位撥號(hào)開關(guān)狀態(tài)，獲取本裝備身份編號(hào)。⑤配置無(wú)線模塊的0通道同時(shí)用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)置射頻頻率為2.4G。初始化完成后，主程序在whie（1）的循環(huán)體中，在接收到集體復(fù)活指令后執(zhí)行以下程序：讀取無(wú)線通信模塊接收數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行身份驗(yàn)證，將接收數(shù)據(jù)的身份編碼與本裝備身份編號(hào)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)身份驗(yàn)證通過(guò)時(shí)，下步判斷碰撞保護(hù)標(biāo)志位狀態(tài)，若碰撞保護(hù)為解除狀態(tài)，判定輸出傷害有效，根據(jù)傷害編碼輸出對(duì)應(yīng)傷害;當(dāng)身份驗(yàn)證不通過(guò)或者碰撞保護(hù)為開啟狀態(tài)時(shí)，判定輸出傷害無(wú)效，輸出無(wú)傷信號(hào)。本模塊中信號(hào)顯示通過(guò)定時(shí)器0中斷實(shí)現(xiàn)，當(dāng)輸出傷害有效時(shí)，控制發(fā)光二極管亮0.5秒;爆炸物感應(yīng)功能通過(guò)串口中斷方式實(shí)現(xiàn)，當(dāng)信息通信模塊上集成的ESP8266模塊檢測(cè)到該固定信號(hào)，且該信號(hào)持續(xù)500ms，則認(rèn)為手雷在人體靶周邊爆炸，此時(shí)模塊發(fā)送致命傷信號(hào)。

三、結(jié)論

通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的無(wú)線通信系統(tǒng)較好的完成了CQB單兵裝備無(wú)線通信功能，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

參考文獻(xiàn)

[1]陳旦花.單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2012（10）：103-104.

[2]馬聰.基于CPLD的紅外激光模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].天津理工大學(xué)，2016.

[3]陸慧偉，喻聰，楊偉杰，等.基于NRF24L01無(wú)線傳輸?shù)墓卉嚰訜峥刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)[J].輕工科技，2017（10）：81-82.

（作者單位：武警警官學(xué)院）