军用手持式无线通信终端的设计与实现∗

2018-05-29钱灿军曹毓华

舰船电子工程 2018年5期

钱灿军曹毓华

（扬州万方电子技术有限责任公司扬州 225006）

1 引言

随着现代战争的信息化和电子化，功能多样而又实用的手持式无线通信终端日益受到军方的重视。由于该终端能够将卫星定位、地图导航、数据采集、无线传输等功能集成于一体，对于高科技战争中各作战个体至关重要，国外一些国家早已从事相关技术的研究和开发，并将此类产品装备到特定的作战场合［1］。

本文所研究的手持式无线通信终端可以配套应急指挥通信车使用，当应急指挥通信车驻车执行任务时，多个用户分别携带手持式无线通信终端分散作业，能够进行本地定位导航、实时数据采集，并将现场实时态势信息无线传输到应急指挥通信车指控平台，供指挥员决策使用。该终端采用高性能嵌入式工业级处理器Freescale i.MX53构建主控平台，选用嵌入式操作系统Android 7.0，集成了显控模块、GPS/北斗模块、数据采集模块、无信通信模块等，通过软硬件合理设计，满足了作战实际使用需求。

2 终端系统设计

本文研究了一种性能和功能要求都很高的手持式无线通信终端，该终端不仅具备通用手持终端的功能要求，而且还具备定位导航、数据采集和无线通信等功能，能够满足特种应用场合多种通信需要。

终端设计有主控模块、显控模块、GPS/北斗模块、数据采集模块和无信通信模块。主控模块构建系统主控平台，显控模块提供系统显示和按键输入功能。通过地图导航定位软件实现定位导航、态势共享等功能；使用数据采集软件实现现场环境参数、图片图像等实时采集、态势感知功能，与红外热成像结合使用，可在夜间采集现场红外图像，通过图像融合能够实现多源信息采集融合处理功能；采用通用SLIP串口通信协议实现稳定可靠的无线数据通信传输。系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

2.1 主控模块设计

主控模块是基于i.MX53系列处理器的嵌入式系统模块，为嵌入式应用提供可靠的心脏。该模块采用小型化、低功耗的设计风格，同时模块化的设计减轻了开发工作［2］。i.MX平台支持多种系统启动模式，为设计带来更多的灵活性，板载64GB eMMC存储芯片，完美地支持高性能操作系统的同时满足了多媒体系统对存储空间的需求。

该模块可广泛应用于工业控制、多媒体终端、手持设备等领域，是目前业内高端工业级ARM平台。i.MX53系列处理器是Freescale开发的基于ARM Cortex™-A8核的工业级CPU，其理想的性能和超低功耗可满足高端、高级应用的严苛要求。

2.2 显控模块设计

显控模块主要提供屏幕显示和键盘控制功能。

屏幕显示由OLED显示屏实现，同TFT-LCD相比，OLED是主动发光而不需背光源的显示器，具有高对比度、宽视角、高发光效率、快速响应、低工作电压、超轻薄等优势。更重要的是OLED环境适应性要远远优越于液晶显示，可耐受的温度区间达到-40℃～85℃温度范围［3］。因此OLED显示屏用在军用手持式无线通信终端领域具有极大的优势。

2.3 GPS/北斗模块设计

GPS/北斗模块采用CC50-BG卫星导航模块，同时支持BD2 B1和GPS L1两个频点，并行双32通道。模块体积小，系统集成简单方便。主要为手持式无线通信终端提供本地双模定位、实时地图导航功能。CC50-BG卫星导航模块是基于导航SOC芯片ProGee II的一款小体积，多系统、高灵敏度，低功耗，易集成的模块产品，可以实现机动载体的实时高精度三维定位、三维测速、精确授时，广泛应用于航运、公路交通、车载导航、手持及物品跟踪等领域［4］。

2.4 数据采集模块设计

数据采集模块实现对现场环境参数和图片音视频采集功能。现场环境参数包括现场温度、气压、湿度等参数。温度传感器采用智能温度传感器DSI8B20，采集的数据可直接送入微处理器而无需AD转换，能直接读出被测温度［5］。湿度传感器采用HIH3610，是带温度补偿的湿度传感器。气压传感器采用MAX4115AP，是带有片上信号调理及温度补偿功能的绝对压强传感器［6］。音视频采集包括音频采集和图片图像采集，音频采集通过麦克风实现音频输入，图片图像采集通过终端集成摄像头将摄取的图片图像数据经视频压缩处理后传输到应急指挥通信车［7］。

2.5 无线通信模块设计

无线通信模块设计了一个450MHz～460MHz的数字通信收发信道模块，射频收发芯片选用CC1100，主要通过无线信道传输控制命令和数据信息。无线通信模块由功放单元、信道单元及天线单元组成，其原理框图如图2所示。

图2 无线通信模块原理框图

无线通信模块工作在接收时，天线接收空间的信号，经预选滤波器选频后经收发开关切换至收通道，通过balun网络转变为平衡信号后送至I/Q路混频，得到203KHz的I/Q路中频信号，中频信号经A/D转换器送数字解调器进行解调，再经基带信号处理［8］，解扰、解交织、FEC解码，还原发端的数据信息，送往检测终端的无线通信模块微处理器进行显示处理。

无线通信模块工作在发射时，由微处理器发来的数据信息，经信道单元的基带信号处理器进行FEC编码、交织、加扰，送往数字调制器后直接进行上变频。射频信号经balun网络后转变成单端信号，将其送至功率推动单元放大后通过收发开关送给天线发射出去。

3 无线组网通信设计

3.1 组网方式

采用有中心星型网，由主站和从站组成通信系统。本文采用一个主站，带九个从站，主站和各从站通信，从站之间不能相互直接通信，采用分时轮询方式进行通信组网［9］。主站初始化后，设定网络成员数目（1～9），然后分时逐一向各个从站发送询问信息，各从站根据需要，进行相应的命令请求；待主站完成命令的执行，主站回发相应的结果。

3.2 通信状态机

CC1100通过标准的 4线 SPI总线（SI、SO、SCLK、CSn）接口和控制器相连，收发的数据信息、控制命令以及芯片的工作模式的设置、读/写缓存数据、读/写状态寄存器、芯片测试等都通过该接口进行交互［10］。对CC1100状态机的控制就是通过对这些命令寄存器和配置/状态寄存器的读写来实现。片内部分配置/状态寄存器和硬件上测试接口相结合，可完成芯片的测试功能［11］。

图3 无线通信状态机状态转换图

CC1100内置一个可以在不同操作状态（模式）之间转换的状态机［12］。应用该状态机，通过控制器发送控制命令或内部事件的发生来切换至相应的工作状态。其射频控制的状态转换图如图3所示。这里借用系统状态寄存器FSMSTATE中读出的状态字（方括号内的数字）作为各个状态的标识。

3.3 数据帧格式设计

送入无线通信模块数字调制器的数据帧格式如图4所示。原始数据域数据经用户可选择添加的字节长度和地址字节，经无线通信模块的包处理硬件首先进行CRC-16校验并将2字节的校验码添加在数据域后面，其后自动插入前置码序列和同步头，送入数字调制器。

图4 数据帧格式

手持式无线通信终端主站、从站和无线通信模块间传输数据域（用户有效载荷）信息，最长60字节一帧。用户有效载荷帧格式采用SLIP协议，SLIP是一个简单的面向字符的协议，在每个用户信息帧的首尾各加一个特殊的标志字节END，封装成为SLIP帧［13］。标识字节END的编码为（C0H）。

4 终端软件设计

4.1 终端应用软件

终端系统软件可分为地图定位导航、数据采集处理和信息传输交换软件。地图定位导航软件主要提供现场地图、实时导航以及态势处理；数据采集处理软件主要实现现场数据采集，包括通过摄像头采集现场图像数据，并对数据进行信息融合、封包处理；信息传输交换主要实现串口、网口传输及态势信息共享功能，可将现场实时信息无线传输到应急指挥通信车，供指挥员决策使用。

1）地图定位导航软件设计

用户通过GPS/北斗获得当前位置的经纬度、速度、方向、当前所在地区的时间等信息。终端自动计算出目的地与当前用户位置的距离，并计算出到达目的地的最短或最优路径，并在终端态势地图上标出，作为用户的参考前进路线［14］。电子地图上叠加态势表示层实时显示现场态势，态势图元包括位置、报文、音频、视频等信息，并可实现现场态势由应急指挥通信车指控平台转发共享。

2）数据采集处理软件设计

终端具备现场环境数据实时采集功能，可通过USB和串口实时采集现场数据，连接摄像头对态势目标进行图片图像采集，分别在白天和夜晚（通过红外实现）两种场景进行摄取，通过融合处理实现图像融合。通过对态势目标位置和不同场景图片图像进行现场态势采集，从而满足态势感知、多源信息融合处理需求。图片按JPEG编码压缩，图像以H.264格式码流存储和传输。

3）信息传输交换软件设计

信息传输交换包括通信报文、短消息、现场态势等方面信息交互和态势共享，通过终端串口、网口实现数据传输，将现场实时采集信息无线传输到应急指挥通信车指控平台，供指挥员决策使用。终端具备通信报文、短消息编辑、存储、收发等功能，由终端唯一地址识别码进行通信。现场采集态势信息可以通过指控平台实时转发终端位置、图元信息等，实施区域内态势实时信息共享。

4.2 无线通信控制软件

无线通信控制软件为嵌入式软件设计，主要完成原始数据接收和发送、对CC1100初始化及工作参数、波道频率等设置功能。

无线发送：控制程序接收原始数据信息，进行组帧，通过SPI总线发往CC1100的发送FIFO缓冲区，同时控制CC1100的发射状态，进行数据发送。

无线接收：控制程序控制从CC1100的接收FIFO缓冲区中读出数据信息，拆包，还原出发端的数据信息，完成数据传输的接收。

波道设置：控制程序接收手持式无线通信终端的波道设置命令和波道号，控制CC1100内部频率合成器，切换到相应的波道频率上来进行射频信号的收发。无线通信模块可以预置100个波道频率。

控制软件采用C语言和汇编语言混合编程，嵌入到手持式无线通信终端主控芯片软件中，与之一起完成数据信息和控制信息的交互。无线通信控制软件实现如图5所示。

图5 无线通信控制软件实现框图

模块接电初始化后，CC1100参数配置单元完成对CC1100工作寄存器的参数进行配置，串口接收数据处理单元完成对串口接收中断所得的命令、数据进行解析处理，CC1100数据发送单元完成对串口接收的需无线发送的信息进行射频发射处理，CC1100数据接收单元完成对空间无线接收到的信息进行处理［15］，UART0中断服务单元完成对核心模块单元收、发信息传输处理，/INT0中断服务单元完成对CC1100接收到或发送出一帧信息的指示进行处理。

5 终端实现与测试

5.1 终端功能模块实现

通过方案设计、样机设计和样机试制过程，分阶段完成了各功能模块的软硬件设计开发任务，实现了手持式无线通信终端定位导航、数据采集和无线通信等功能，满足了作战场合多种通信需要。图6所示为终端主控模块实物图，图7所示为终端无线通信模块实物图。

图6 终端主控模块实物图

图7 终端无线通信模块实物图

5.2 终端通信距离测试

终端通过波道设置命令“C0H，05H，（CBH，00H，01H，波道号（0～64H）），XOR校验字，C0H”、功率设置命令“C0H，05H，（CAH，00H，01H，功率代码（0～9）），XOR校验字，C0H”、数据发送命令“C0H，字节长度（n），（数据 1，数据 2，…，数据n-1），XOR校验字，C0H”进行无线通信距离测试。

陪试设备采用标通用计算机RS232标准串口外接无线通信模块，38400bps，200ms间隔，采用1.8m折叠天线；手持式无线通信终端采用内置无线通信模块，38400bps，200ms间隔，采用标配短波天线。拉距测试数据记录表如表1所示。

表1 拉距测试数据记录表

通过上述测试，通信距离在1km时通信不丢包，通信距离在2km时设置为中功率、大功率通信不丢所，通信距离在3km时设置为大功率时通信不丢包，满足预定设计要求，整机无线通信设计满足技术指标要求。

5.3 无线通信模块性能指标测试

输出功率测试：终端从天线口通过衰减器连接频谱仪，将无线通信模块设置为大功率发射测试常发状态，测试结果表明，输出功率不低于500mW。

接收灵敏度测试：采用两台终端进行测试，一台作为发射测试终端，另一台作为待测终端。先从发射测试终端天线口连接频谱仪，测试出输出电平值；再将发射测试终端通过可调衰减器连接待测终端，通过调节衰减器衰减量［16］，使得待测终端接收测试数据误包率为1%，通过衰减器的衰减量推算出待测终端天线接收电平，能够满足不高于-80dBm指标要求。

6 结语

本文完成了恶劣环境下终端系统主控模块、显控模块、GPS/北斗模块、数据采集模块和无线通信模块设计，实现了地图导航定位、数据采集处理和信息传输交换软件设计，重点设计了无线通信控制程序，开展了无线组网方式、数据帧格式设计和软件模块化设计。由于时间进度限制，本文所研究的手持式无线通信终端，没有采用GPRS、GSM、4G等移动通信方式，不能与民用领域移动互联，不具备通用性。这主要从军用安全保密需要考虑，将无线通信模块设计为专用无线通信模块，组建专用无线网络，组网通信保密性强。

参考文献

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