邵中年，蔡 寧，王晉安

（1.海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，陜西西安 710054；2.西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099）

基于無線傳輸?shù)姆植际骄酃忡R檢測平臺

邵中年1，蔡 寧2，王晉安2

（1.海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，陜西西安 710054；2.西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099）

討論了基于無線傳輸?shù)姆植际骄酃忡R檢測平臺的設(shè)計方案，該系統(tǒng)以PC104為控制核心，以近距離的雙向無線通信模塊ZigBee為數(shù)據(jù)交互通道，借助ZigBee的系統(tǒng)級芯片CC2530中的內(nèi)嵌式8051控制器搭建數(shù)字-自整角機軸角轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字-旋轉(zhuǎn)變壓器軸角轉(zhuǎn)換模塊和自整角機-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，借助TMS320F28335豐富的外圍接口和強大的控制功能搭建轉(zhuǎn)臺控制模塊，實現(xiàn)了高可靠性分布式系統(tǒng)的構(gòu)建。詳細介紹了ZigBee無線通信模塊的硬件設(shè)計、軟件流程和測試結(jié)果。實踐表明，該系統(tǒng)能完成某聚光鏡的技術(shù)指標檢測及系統(tǒng)調(diào)試，提高了部隊對該設(shè)備的維修保障能力。

聚光鏡檢測；分布式；ZigBee無線通信；CC2530

某聚光鏡是某火炮炮位半自動光學(xué)瞄準裝置，用于跟蹤和瞄準岸上目標、海上目標和低速飛行目標，以及控制艦炮獨立完成對低速目標的打擊。隨著部隊的使用，暴露出該聚光鏡維護保養(yǎng)復(fù)雜，性能檢測困難等問題，筆者利用分布式系統(tǒng)集中管理分散控制的特點，對聚光鏡檢測平臺進行模塊化設(shè)計，各單元節(jié)點可獨立運行，主控節(jié)點和單元節(jié)點之間采用無線網(wǎng)絡(luò)連接，使整個系統(tǒng)對外是一個整體。分布式聚光鏡檢測平臺的實現(xiàn)，滿足了部隊對該聚光鏡性能檢測及維護保養(yǎng)的需求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

由于聚光鏡的本體和控制箱分別位于上下兩層的艙外和艙內(nèi)，為設(shè)計一個便攜式的測試平臺，減少測試平臺間的電纜連接，適應(yīng)空間跨度較大的檢測環(huán)境，聚光鏡檢測平臺按功能將整個系統(tǒng)分成了5個節(jié)點，每個節(jié)點是一個獨立運行單元，單元之間通過無線通信網(wǎng)絡(luò)連接。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

聚光鏡有全自動和半自動兩種工作方式，在半自動工作方式下，手動扳動操縱桿帶動聚光鏡高低、方位運動，高低、方位全角量經(jīng)自整角機-數(shù)字轉(zhuǎn)換（簡稱SD）接口模塊處理后，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)送至主控計算機，在顯示屏上實時顯示主令信息。同時主控計算機將主令轉(zhuǎn)發(fā)給轉(zhuǎn)臺控制器，進而驅(qū)動轉(zhuǎn)臺完成方位運轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臺將架位反饋經(jīng)主控計算機發(fā)送給數(shù)字-自整角機轉(zhuǎn)換（簡稱DS）接口模塊，經(jīng)DS轉(zhuǎn)換和功率放大后送回聚光鏡。在非半自動工作方式下，通過鍵盤裝定主令信息，主計算機通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將主令信息發(fā)送給數(shù)字-旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換（簡稱DR）模塊，經(jīng)DR變換和功率放大后替代操縱桿功能。如果是協(xié)調(diào)工作方式，轉(zhuǎn)臺不動，聚光鏡運動到轉(zhuǎn)臺位置。

2 ZigBee技術(shù)及系統(tǒng)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)是以IEEE 802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)發(fā)展而來的雙向無線通信技術(shù)，具有低功耗、近距離、低復(fù)雜度、自組織、低數(shù)據(jù)速率、低成本、高可靠性、網(wǎng)絡(luò)容量大、兼容性好的特點，主要適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可嵌入在各種設(shè)備中［1］。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一序列網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成，可支持星型結(jié)構(gòu)、樹簇結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以包含多個設(shè)備，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備可分為全功能設(shè)備（FFD）和精簡功能設(shè)備（RFD）兩種，F(xiàn)FD可擔任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，讓其他的FFD或RFD結(jié)連，形成網(wǎng)絡(luò)，且FFD具有雙向通信功能。而RFD只能作為終端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，接收同網(wǎng)絡(luò)中的FFD信息或向其發(fā)送信息［2］。

本分布式系統(tǒng)中采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲，節(jié)點1為FFD，節(jié)點2～5為RFD。為滿足系統(tǒng)時序要求，保證信息在無線網(wǎng)絡(luò)中的有效傳輸，選用主從工作模式，節(jié)點1中的PC104通過串口將需要發(fā)送的指令發(fā)送給無線通信模塊后，再由無線模塊按時序依次發(fā)至各簡化節(jié)點；各節(jié)點接收到指令并完成相應(yīng)任務(wù)后按規(guī)定時間向節(jié)點1回發(fā)應(yīng)答，若在規(guī)定時間內(nèi)節(jié)點1未收到相應(yīng)應(yīng)答，需重新發(fā)送一次指令；若連續(xù)5次節(jié)點1未收到相應(yīng)應(yīng)答，無應(yīng)答的節(jié)點將被剔出網(wǎng)絡(luò)并重新申請加入網(wǎng)絡(luò)。為避免數(shù)據(jù)處理不及時，每個節(jié)點都有緩存隊列，緩存隊列中的數(shù)據(jù)采用先進先出的管理機制。

實際工作時，系統(tǒng)工作在2.4 GHz ISM頻段，提供250 kbps的數(shù)據(jù)吞吐率，即0.004 ms傳輸1位數(shù)據(jù)。以節(jié)點1為參考，數(shù)據(jù)幀加上協(xié)議棧添加的各層頭信息每次循環(huán)發(fā)出去的數(shù)據(jù)包為150字節(jié)，則發(fā)送或接收一包數(shù)據(jù)需要4.8 ms。節(jié)點1依次發(fā)出指令后，節(jié)點2～5依次間隔5 ms回發(fā)數(shù)據(jù)，完成一次數(shù)據(jù)傳輸所需時間約為58.4 ms，系統(tǒng)運行周期為500 ms，通信時間占系統(tǒng)運行時間的11.68%，系統(tǒng)是可以穩(wěn)定工作的。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件平臺組成

系統(tǒng)硬件平臺組成如圖2所示。節(jié)點1選用PC104嵌入式計算機為檢測平臺主機，主要用于模擬艦炮指揮室對聚光鏡的操作，通過無線通信的數(shù)據(jù)通道對其他節(jié)點進行控制以及檢測信息顯示；節(jié)點2為數(shù)字自整角機轉(zhuǎn)換模塊，該模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)接收到主機發(fā)送的轉(zhuǎn)臺架位反饋后，由數(shù)字-自整角機轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成自整角機信號并對信號進行功率放大后送至聚光鏡架位反饋自整角機；節(jié)點3和節(jié)點2類似，是將主機發(fā)送的方位角、高低角信號轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)變壓器信號，并將該信號經(jīng)功率放大后送至聚光鏡高低方位裝定旋轉(zhuǎn)變壓器；節(jié)點4為自整角機數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，將聚光鏡的方位高低全角量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過無線通信發(fā)送給主機；節(jié)點5由伺服控制器、伺服驅(qū)動器、執(zhí)行電機和轉(zhuǎn)臺組成，用于模擬火炮的隨動功能。

本系統(tǒng)中的5個節(jié)點均采用CC2530F256自帶的2.4 GHz高性能RF收發(fā)器。在RF_N和RF_P這2個引腳間配上電容、電感以匹配全向性較好的SMA接口的高增益、駐波比小于1.5的天線構(gòu)成無線通信模塊［3］，電路原理如圖3所示［4］。

3.2 各分布式模塊硬件設(shè)計

除無線傳輸模塊外，各節(jié)點借助SOC芯片上的8051內(nèi)核，根據(jù)自身的功能劃分增加不同的外圍電路。節(jié)點1需增加RS485串口通信，用于與PC104通信；節(jié)點2、3、4通過CC2530F256片上的P0口和P1口分別與DS模塊、DR模塊和SD模塊連接；節(jié)點5通過CC2530F256片上的串口與伺服控制器上的控制芯片TMS320F28335連接。

4 軟件實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)軟件組成

本系統(tǒng)軟件由主控計算機控制模塊、轉(zhuǎn)臺伺服驅(qū)動控制模塊、SD轉(zhuǎn)換模塊、DR轉(zhuǎn)換模塊、DS轉(zhuǎn)換模塊5個節(jié)點各自的軟件共同構(gòu)成，主控計算機作為主節(jié)點負責組建無線通信網(wǎng)絡(luò)并模擬艦炮指揮室的控制功能和人機信息交換功能；其他節(jié)點作為終端節(jié)點接收主控計算機指令，并完成相應(yīng)的功能。主控計算機通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與其他各模塊的信息交互和傳輸。在實際軟件實現(xiàn)時，是借助Z- Stack協(xié)議棧軟件來實現(xiàn)的。

用戶實際開發(fā)程序時，在Z-Stack的核心代碼基礎(chǔ)上需添加用于存放任務(wù)處理函數(shù)的主文件、主文件的頭文件和用于存放任務(wù)處理函數(shù)數(shù)組tasks-Arr［］的操作系統(tǒng)接口文件即可實現(xiàn)一個項目［56］。

4.2 軟件實現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，節(jié)點1作為主節(jié)點負責建立一個Zig Bee星型網(wǎng)絡(luò)，與其他4個終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸，在網(wǎng)絡(luò)中起到協(xié)調(diào)器的作用。

主節(jié)點上電后，首先對CC2530芯片進行初始化，其次初始化ZigBee協(xié)議棧，然后搜索空閑信道，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)；然后程序進入無限循環(huán)，如果有節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)，主節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器給終端節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址［56］；接到PC104發(fā)出的采集數(shù)據(jù)命令后，主節(jié)點將請求采集數(shù)據(jù)的指令發(fā)送至各終端節(jié)點；然后接收各節(jié)點回發(fā)的數(shù)據(jù)包，通過串口回發(fā)給PC104進行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲。主節(jié)點軟件流程圖如圖4所示。

節(jié)點2～5為終端節(jié)點，同樣在節(jié)點上電后首先初始化CC2530芯片，其次初始化協(xié)議棧，然后開始發(fā)送申請加入臨近網(wǎng)絡(luò)的信號，等協(xié)調(diào)器即主節(jié)點允許其加入網(wǎng)絡(luò)并成功加入后進入低功耗模式［5］；當采集時間到后采集數(shù)據(jù)并處理后，等待主節(jié)點請求發(fā)送數(shù)據(jù)的指令，當有數(shù)據(jù)傳輸請求時，根據(jù)指令要求回發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后進入下一輪的數(shù)據(jù)采集或處理［56］。各節(jié)點模塊軟件流程類似，如圖5所示，但各自的數(shù)據(jù)處理的對象和過程有所不同。節(jié)點2是對DR模塊的數(shù)據(jù)處理，節(jié)點3是對DS模塊的數(shù)據(jù)處理，節(jié)點4是對SD模塊的數(shù)據(jù)采集，節(jié)點5是接收位置主令并給出位置反饋。

5 試驗驗證

5.1 無線網(wǎng)絡(luò)性能測試

由于本系統(tǒng)選用主從工作方式，所有節(jié)點均與節(jié)點1進行數(shù)據(jù)通信，為了測試所設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍及穩(wěn)定性，讓該分布式系統(tǒng)正常工作，采用串口精靈對數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量最大的協(xié)調(diào)器節(jié)點1的通信數(shù)據(jù)進行了監(jiān)測［2］，實驗室測試結(jié)果如表1所示。

表1 節(jié)點1 Zigbee通信距離及丟包率

表1中的通信距離為節(jié)點1與其他4個節(jié)點的最遠距離。從表1可以看出，節(jié)點1在室內(nèi)／外一定距離內(nèi)的丟包率很小且接收靈敏度很高，通信效果良好。本系統(tǒng)實際使用時，由于環(huán)境復(fù)雜，需將各節(jié)點置于艙外，調(diào)整天線方向使之相對，遠離各種干擾以保證通信穩(wěn)定性。

5.2 系統(tǒng)功能測試

各模塊調(diào)試完成后進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，可從系統(tǒng)人機交互界面觀察系統(tǒng)調(diào)試情況。系統(tǒng)人機交互界面如圖6所示，可從界面上直觀看出操縱桿給出的位置主令、由SD轉(zhuǎn)換模塊得到的聚光鏡實際位置量和由DS模塊得到的位置反饋；用裝定方式輸入的位置量經(jīng)DR轉(zhuǎn)換模塊代替操縱桿功能，裝定值可和聚光鏡實際位置做比較；轉(zhuǎn)臺狀態(tài)和系統(tǒng)通信狀態(tài)可通過人機界面觀察到。

6 結(jié)論

筆者討論了基于無線通信的分布式聚光鏡檢測平臺的設(shè)計方案，利用分布式系統(tǒng)模塊化、智能化的特點，以PC104為控制核心，借助CC2530中的內(nèi)嵌式8051控制器構(gòu)建數(shù)字-自整角機轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字-旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換模塊和自整角機-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，借助TMS320F28335豐富的外圍接口和強大的控制功能構(gòu)建轉(zhuǎn)臺控制模塊，以近距離的雙向無線通信模塊ZigBee為數(shù)據(jù)交互通道，實現(xiàn)了高可靠性分布式系統(tǒng)的構(gòu)建。實踐表明，該系統(tǒng)能迅速對某聚光鏡進行離艦檢測和調(diào)試，并具有友好的人機交互界面，極大地提高了部隊對該設(shè)備的維修保障能力。同時這種分布式系統(tǒng)可通過ZigBee模塊實現(xiàn)功能擴展，系統(tǒng)架構(gòu)方式也可在別的測控系統(tǒng)中推廣。

（Referenees）

［1］孫韜.基于Zigbee的溫度／濕度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.長沙：國防科技大學(xué)，2009.SUN Tao.Design and implementation of Zigbee based on temperature／humidity monitoring system for wireless sensor networks［D］.Changsha：National University of Defense Technology，2009.（in Chinese）

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［6］樊靜，王建明.基于CC2530的博物館狀況無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子測量技術(shù)，2011，34（6）：105- 109.FAN Jing，WANG Jianming.Design of wireless monitoring system for environment status of museum based on CC2530［J］.Electronic Measurement Technology，2011，34（6）：105- 109.（in Chinese）

A Distributed Inspeetion Platform Used in Aiming Deviee Based on Wireless Transmission

SHAO Zhongnian1，CAI Ning2，WANG Jin'an2
（1.Xi'an Military Representative Bureau of Naval Equipment Department，Xi'an 710054，Shaanxi，China；2.Northwest Institute of Mechanical＆Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China）

aiming device inspection；distributed；Zig Bee wireless transmission；CC2530

TM383.4+1

A

1673-6524（2015）04-0064-05

2015- 03- 06；

2015- 06- 30

邵中年（1963－），男，高級工程師，主要從事艦炮武器系統(tǒng)技術(shù)研究。E-mail：175974681＠qq.com

Abstraet：A discussion is made of the design scheme of the distributed inspection platform with wireless transmission used in aiming device.And a reliable distributed platform was put forward and researched with PC104 being the control core，with short-range wireless communication module ZigBee transfering data，with 8051 MCU core embedded in CC2530 building digital- selsyn conversion，digital- resolver conversion and selsyn angle- digital conversion，and using TMS320F28335 with abundant interface and strong control function to carry out a turn-table control module.The hardware design and software design method of Zig Bee wireless transmission module was presented in detail with the test result given.The practical use of the platform showed that the system had capability to inspect and debug the system with the capability of the equipment maintenance and support of the military improved.