基于无线传输的分布式聚光镜检测平台

邵中年，蔡 宁，王晋安

（1.海军装备部驻西安地区军事代表局，陕西西安 710054；2.西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099）

基于无线传输的分布式聚光镜检测平台

邵中年1，蔡 宁2，王晋安2

（1.海军装备部驻西安地区军事代表局，陕西西安 710054；2.西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099）

讨论了基于无线传输的分布式聚光镜检测平台的设计方案，该系统以PC104为控制核心，以近距离的双向无线通信模块ZigBee为数据交互通道，借助ZigBee的系统级芯片CC2530中的内嵌式8051控制器搭建数字-自整角机轴角转换模块、数字-旋转变压器轴角转换模块和自整角机-数字转换模块，借助TMS320F28335丰富的外围接口和强大的控制功能搭建转台控制模块，实现了高可靠性分布式系统的构建。详细介绍了ZigBee无线通信模块的硬件设计、软件流程和测试结果。实践表明，该系统能完成某聚光镜的技术指标检测及系统调试，提高了部队对该设备的维修保障能力。

聚光镜检测；分布式；ZigBee无线通信；CC2530

某聚光镜是某火炮炮位半自动光学瞄准装置，用于跟踪和瞄准岸上目标、海上目标和低速飞行目标，以及控制舰炮独立完成对低速目标的打击。随着部队的使用，暴露出该聚光镜维护保养复杂，性能检测困难等问题，笔者利用分布式系统集中管理分散控制的特点，对聚光镜检测平台进行模块化设计，各单元节点可独立运行，主控节点和单元节点之间采用无线网络连接，使整个系统对外是一个整体。分布式聚光镜检测平台的实现，满足了部队对该聚光镜性能检测及维护保养的需求。

1 系统总体结构及工作原理

由于聚光镜的本体和控制箱分别位于上下两层的舱外和舱内，为设计一个便携式的测试平台，减少测试平台间的电缆连接，适应空间跨度较大的检测环境，聚光镜检测平台按功能将整个系统分成了5个节点，每个节点是一个独立运行单元，单元之间通过无线通信网络连接。系统的总体结构框架如图1所示。

聚光镜有全自动和半自动两种工作方式，在半自动工作方式下，手动扳动操纵杆带动聚光镜高低、方位运动，高低、方位全角量经自整角机-数字转换（简称SD）接口模块处理后，通过无线通信网络送至主控计算机，在显示屏上实时显示主令信息。同时主控计算机将主令转发给转台控制器，进而驱动转台完成方位运转。转台将架位反馈经主控计算机发送给数字-自整角机转换（简称DS）接口模块，经DS转换和功率放大后送回聚光镜。在非半自动工作方式下，通过键盘装定主令信息，主计算机通过无线通信网络将主令信息发送给数字-旋转变压器转换（简称DR）模块，经DR变换和功率放大后替代操纵杆功能。如果是协调工作方式，转台不动，聚光镜运动到转台位置。

2 ZigBee技术及系统无线传输网络

ZigBee技术是以IEEE 802.15.4协议为基础发展而来的双向无线通信技术，具有低功耗、近距离、低复杂度、自组织、低数据速率、低成本、高可靠性、网络容量大、兼容性好的特点，主要适用于自动控制和远程控制领域，可嵌入在各种设备中［1］。

ZigBee网络由一序列网络节点组成，可支持星型结构、树簇结构和网状结构。一个网络节点可以包含多个设备，在ZigBee网络中设备可分为全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）两种，FFD可担任网络协调器，让其他的FFD或RFD结连，形成网络，且FFD具有双向通信功能。而RFD只能作为终端网络节点，接收同网络中的FFD信息或向其发送信息［2］。

本分布式系统中采用星型网络拓扑，节点1为FFD，节点2～5为RFD。为满足系统时序要求，保证信息在无线网络中的有效传输，选用主从工作模式，节点1中的PC104通过串口将需要发送的指令发送给无线通信模块后，再由无线模块按时序依次发至各简化节点；各节点接收到指令并完成相应任务后按规定时间向节点1回发应答，若在规定时间内节点1未收到相应应答，需重新发送一次指令；若连续5次节点1未收到相应应答，无应答的节点将被剔出网络并重新申请加入网络。为避免数据处理不及时，每个节点都有缓存队列，缓存队列中的数据采用先进先出的管理机制。

实际工作时，系统工作在2.4 GHz ISM频段，提供250 kbps的数据吞吐率，即0.004 ms传输1位数据。以节点1为参考，数据帧加上协议栈添加的各层头信息每次循环发出去的数据包为150字节，则发送或接收一包数据需要4.8 ms。节点1依次发出指令后，节点2～5依次间隔5 ms回发数据，完成一次数据传输所需时间约为58.4 ms，系统运行周期为500 ms，通信时间占系统运行时间的11.68%，系统是可以稳定工作的。

3 系统硬件设计

3.1 系统硬件平台组成

系统硬件平台组成如图2所示。节点1选用PC104嵌入式计算机为检测平台主机，主要用于模拟舰炮指挥室对聚光镜的操作，通过无线通信的数据通道对其他节点进行控制以及检测信息显示；节点2为数字自整角机转换模块，该模块通过无线网络接收到主机发送的转台架位反馈后，由数字-自整角机转换电路转换成自整角机信号并对信号进行功率放大后送至聚光镜架位反馈自整角机；节点3和节点2类似，是将主机发送的方位角、高低角信号转换为旋转变压器信号，并将该信号经功率放大后送至聚光镜高低方位装定旋转变压器；节点4为自整角机数字转换模块，将聚光镜的方位高低全角量转换为数字信号，通过无线通信发送给主机；节点5由伺服控制器、伺服驱动器、执行电机和转台组成，用于模拟火炮的随动功能。

本系统中的5个节点均采用CC2530F256自带的2.4 GHz高性能RF收发器。在RF_N和RF_P这2个引脚间配上电容、电感以匹配全向性较好的SMA接口的高增益、驻波比小于1.5的天线构成无线通信模块［3］，电路原理如图3所示［4］。

3.2 各分布式模块硬件设计

除无线传输模块外，各节点借助SOC芯片上的8051内核，根据自身的功能划分增加不同的外围电路。节点1需增加RS485串口通信，用于与PC104通信；节点2、3、4通过CC2530F256片上的P0口和P1口分别与DS模块、DR模块和SD模块连接；节点5通过CC2530F256片上的串口与伺服控制器上的控制芯片TMS320F28335连接。

4 软件实现

4.1 系统软件组成

本系统软件由主控计算机控制模块、转台伺服驱动控制模块、SD转换模块、DR转换模块、DS转换模块5个节点各自的软件共同构成，主控计算机作为主节点负责组建无线通信网络并模拟舰炮指挥室的控制功能和人机信息交换功能；其他节点作为终端节点接收主控计算机指令，并完成相应的功能。主控计算机通过ZigBee网络实现与其他各模块的信息交互和传输。在实际软件实现时，是借助Z- Stack协议栈软件来实现的。

用户实际开发程序时，在Z-Stack的核心代码基础上需添加用于存放任务处理函数的主文件、主文件的头文件和用于存放任务处理函数数组tasks-Arr［］的操作系统接口文件即可实现一个项目［56］。

4.2 软件实现

在本系统中，节点1作为主节点负责建立一个Zig Bee星型网络，与其他4个终端节点进行数据传输，在网络中起到协调器的作用。

主节点上电后，首先对CC2530芯片进行初始化，其次初始化ZigBee协议栈，然后搜索空闲信道，建立ZigBee网络；然后程序进入无限循环，如果有节点申请加入网络，主节点作为网络协调器给终端节点分配网络地址［56］；接到PC104发出的采集数据命令后，主节点将请求采集数据的指令发送至各终端节点；然后接收各节点回发的数据包，通过串口回发给PC104进行数据分析和数据存储。主节点软件流程图如图4所示。

节点2～5为终端节点，同样在节点上电后首先初始化CC2530芯片，其次初始化协议栈，然后开始发送申请加入临近网络的信号，等协调器即主节点允许其加入网络并成功加入后进入低功耗模式［5］；当采集时间到后采集数据并处理后，等待主节点请求发送数据的指令，当有数据传输请求时，根据指令要求回发相应数据，发送完成后进入下一轮的数据采集或处理［56］。各节点模块软件流程类似，如图5所示，但各自的数据处理的对象和过程有所不同。节点2是对DR模块的数据处理，节点3是对DS模块的数据处理，节点4是对SD模块的数据采集，节点5是接收位置主令并给出位置反馈。

5 试验验证

5.1 无线网络性能测试

由于本系统选用主从工作方式，所有节点均与节点1进行数据通信，为了测试所设计的无线网络的覆盖范围及稳定性，让该分布式系统正常工作，采用串口精灵对数据传输数据量最大的协调器节点1的通信数据进行了监测［2］，实验室测试结果如表1所示。

表1 节点1 Zigbee通信距离及丢包率

表1中的通信距离为节点1与其他4个节点的最远距离。从表1可以看出，节点1在室内／外一定距离内的丢包率很小且接收灵敏度很高，通信效果良好。本系统实际使用时，由于环境复杂，需将各节点置于舱外，调整天线方向使之相对，远离各种干扰以保证通信稳定性。

5.2 系统功能测试

各模块调试完成后进行系统联调，可从系统人机交互界面观察系统调试情况。系统人机交互界面如图6所示，可从界面上直观看出操纵杆给出的位置主令、由SD转换模块得到的聚光镜实际位置量和由DS模块得到的位置反馈；用装定方式输入的位置量经DR转换模块代替操纵杆功能，装定值可和聚光镜实际位置做比较；转台状态和系统通信状态可通过人机界面观察到。

6 结论

笔者讨论了基于无线通信的分布式聚光镜检测平台的设计方案，利用分布式系统模块化、智能化的特点，以PC104为控制核心，借助CC2530中的内嵌式8051控制器构建数字-自整角机转换模块、数字-旋转变压器转换模块和自整角机-数字转换模块，借助TMS320F28335丰富的外围接口和强大的控制功能构建转台控制模块，以近距离的双向无线通信模块ZigBee为数据交互通道，实现了高可靠性分布式系统的构建。实践表明，该系统能迅速对某聚光镜进行离舰检测和调试，并具有友好的人机交互界面，极大地提高了部队对该设备的维修保障能力。同时这种分布式系统可通过ZigBee模块实现功能扩展，系统架构方式也可在别的测控系统中推广。

（Referenees）

［1］孙韬.基于Zigbee的温度／湿度无线传感器网络监控系统的设计与实现［D］.长沙：国防科技大学，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）

［2］罗振华.基于无线传感器网络分布式测量的多目标实时跟踪［D］.广州：华南理工大学，2012.LUO Zhenhua.Multitarget realtime tracking based on distributed measurements of WSNs［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2012.（in Chinese）

［3］吴超.变电站设备状态监测无线传感器网络节点的关键技术研究［D］.南京：南京理工大学，2013.WU Chao.The key technologies research of wireless sensor network node to monitor substation equipment state［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2013（in Chinese）

［4］Texas Instruments.CC2530 user's guide［EB／OL］.［2010- 06- 25］.http：∥focus.ti.com／docs／prod／folders／print／cc2530.html.

［5］李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计［J］.电子设计工程，2011，19（16）：108- 111.LI Junbin，HU Yongzhong.Design of Zig Bee network based on CC2530［J］.Electronic Design Engineering，2011，19（16）：108- 111.（in Chinese）

［6］樊静，王建明.基于CC2530的博物馆状况无线监测系统设计［J］.电子测量技术，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，高级工程师，主要从事舰炮武器系统技术研究。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.