爆炸冲击波超压无线数据传输系统设计

马游春，叶思楠，郭 鑫，陈韶康

（中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051）

在现代战场和各类军事行动中，爆炸冲击波是评估炸弹威力的一个关键物理量[1]，存储测试法具有测试装置体积小、耐恶劣环境、无需测试引线、不易受爆炸破片影响等优点，被广泛应用于野外爆炸冲击波测试现场[2]。对于该测试方法，通常在爆炸试验场布置众多冲击波超压记录仪装置，而传统冲击波超压记录仪只配有串口[3]，操作人员需在试验前亲临试验场逐个对测试装置的启动、参数设置、系统复位等进行配置[4]，爆炸后再次到试验场利用上位机软件逐个读取记录仪数据进行分析，耗费大量的人力。因此在原有冲击波超压记录仪的基础上，设计出一套稳定并且方便快捷的无线数据传输方案显得极为重要。

在选用无线数据传输技术方面，无线网桥（wireless bridge）传输速率高、发射功率较大、传输距离远[5]。考虑到在冲击波超压数据吞吐量较大、爆炸场终端与现场设备距离较远，无线网桥成为了实现无线传输功能最理想的设备。

因此，本文在传统冲击波超压记录仪基础上，设计了基于FPGA 的串口-网口数据转换模块使其接入以太网，并搭建由无线网桥、PC 机、记录仪装置和串口-网口转换模块组成的无线传输系统进行测试。该系统在传输距离不超过1500 m 时获得3 Mbps 的稳定传输速率，且该系统具有布放灵活、成本经济等特点，大大减轻了对记录仪数据读取的工作量。

1 系统总体设计

爆炸冲击波超压数据无线传输系统主要包括终端和现场设备两部分，图1 为系统工作示意图。在带有网口的PC 机上部署爆炸冲击波超压测试上位机，负责对冲击波超压记录的控制与数据回传；冲击波超压记录仪连接串口-网口数据转换模块接入以太网，所设计的冲击波超压数据无线传输系统的终端与现场设备之间采用无线网桥通信方式进行数据传输。

图1 系统工作示意图Fig.1 System working diagram

2 关键模块设计硬件设计

2.1 串口-网口数据转换模块

串口-网口数据转换主要实现网口接收控制命令，转换为串口数据对记录仪进行控制；串口接收由记录仪存储的冲击波超压信息，转换为网口数据包发送给上位机。该模块由FPGA 主控、RS422 接口芯片、以太网数据收发芯片、RJ45 以太网接口等功能模块组成，其电路结构框图如图2 所示。

图2 电路结构框图Fig.2 Circuit structure block diagram

FPGA 主控采用XILINX 公司推出的高性能ARTIX-7 系列XC7A100T-2FGG484I 芯片，主频可达200 MHz[6]。运用其中的一路USART 通道与RS422接口芯片连接；FPGA 内部包含了以太网MAC 控制层，使用以太网控制芯片实现物理层数据收发。

网口主要由物理层接口（PHY）与MAC 控制器构成，以太网芯片选择Realtek 公司的10/100 M 的物理层收发芯片RTL8201CP，本文配置100 M 的传输速率，该芯片保持IEEE802.3 规范标准支持MII模式[7]，使用该模式与FPGA 相连实现以太网数据发送和接收，具体原理图如图3 所示，并且通过RJ45网口与无线网桥相连，图4 为RJ45 接口电路。

图3 RTL8201CP 模块电路Fig.3 RTL8201CP module circuit diagram

图4 RJ45 接口电路Fig.4 RJ45 interface circuit diagram

因为目标装置为RS422 公头，所以需要设计RS422 接口电路，其电路如图5 所示。为了简化电路和降低设计成本，RS422 接口芯片选择低功耗收发芯片MAX3490EESA，全双工，波特率可达12 Mbps，具有静电放电（electro-static discharge，ESD）保护功能，发送器输出、接收器输入保护功能。输出的差分信号Rx+、Rx-、Tx+、Tx-分别对应图中的A、B、Z、Y，组成母头与记录仪装置的公头相连。

图5 RS422 接口电路图Fig.5 RS422 interface circuit diagram

2.2 无线网桥模块

无线网桥模块作为无线链路的实现方式，负责对上位机和串口-网口数据转换中继进行桥接。冲击波超压系统工作时数据最大吞吐量为3 Mbps，且考虑到系统后续维护与可扩充性，选取了一款百兆与千兆兼容的网桥。经过各项参数对比最终选用了TR2405G 型号无线网桥作为桥接工具。

无线网桥传输过程为透明传输，在无线网桥发射端和接收端配对好确保在同一条链路，使串口-网口数据转换模块和PC 机处于同一网段，用户无需关心网桥之间的底层。

3 关键模块软件设计

3.1 串口-网口数据转换模块

设计了由FPGA 控制串口、UDP/IP 网口数据的接收与发送，同时设计使用SD 卡启动程序、存储IP地址，方便后续对IP 地址修改。

该模块上电后，会读取SD 卡存储的BOOT 文件启动整个系统。系统工作后，会读取SD 卡中提前存储的IP 地址传送给网口的相关模块。当串口接收到数据后，会判断是否接收到1024 字节，若接收到则启动网口数据发送，若没接收到，则判断是否超过10 ms 未接收数据，若超过10 ms 未接收到数据也启动网口数据发送，将接收到的串口数据以网口数据发送。当网口接收数据时，接收完一帧数据，解析其数据，取出有效数据后启动串口发送。该模块软件工作流程如图6 所示。

图6 系统工作流程Fig.6 System working flow chart

3.2 无线网桥模块

TR2405G 型号无线网桥以5.8 GHz 作为载波频段，理论带宽可达867 MHz。该网桥在进行多链路组网时，不同的链路处在不同的信道，各个信道之间无相互冲突。网桥匹配时通常设置为一对一模式，将需要匹配的网桥同时开启，用网线将接收网桥和电脑相连，登录Web 管理界面可实时查看网桥的匹配状态、当前信道质量、频谱干扰、当前数据吞吐量等各项工作参数。该型号无线网桥参数如表1所示。

表1 无线网桥参数Tab.1 Wireless bridge parameters

4 测试结果与分析

4.1 测试平台搭建

冲击波超压无线数据传输系统硬件包括：冲击波超压记录仪、数据线、串口-网口数据转换模块、网线、网桥和PC 机等。系统实物图如图7 所示，左侧为终端，右侧为现场设备，将系统硬件按照通信关系正确连接各个模块。具体硬件连接步骤如下：

图7 系统实物图Fig.7 Physical system diagram

（1）冲击波超压记录仪通过数据线与串口-网口数据转换模块连接；

（2）串口-网口数据转换模块通过网线连接网桥；

（3）远程终端PC 机通过网线连接网桥。

然后进行软件设置，无线数据传输系统软件包括：虚拟串口软件USR-VCOM.exe 和爆炸冲击波超压测试系统软件。将2 个软件安装在PC 机上，并对软件进行参数设置，具体步骤如下：

（1）在虚拟串口软件USR-VCOM 添加对应冲击波超压记录仪中继的虚拟串口，如图8 所示，目标IP 地址192.168.1.102 为串口-网口数据转换模块本机地址；

图8 添加虚拟串口Fig.8 Adding a virtual serial port

（2）对添加的虚拟串口设置虚拟地址，如图9所示；

图9 设置虚拟地址Fig.9 Setting a virtual address

（3）设置爆炸冲击波超压测试系统软件，端口号设置为虚拟串口软件USR-VCOM 所添加的虚拟串口COM3，如图10 所示。

图10 终端虚拟串口参数设置Fig.10 Set terminal virtual serial port parameters

4.2 传输距离测试

完成系统硬件搭建与软件设置后，为了保证本系统在真实爆炸场环境中能够正常工作，需要对无线网桥的传输距离进行测试，选择空旷的地点，建立信号强度和最长稳定通信距离之间的对应关系。由记录仪串口发送速率为3 Mbps 的数据流，通过上位机软件控制无线读取记录仪时间为80 ms，多次测试取平均值，计算测试结果如表2 所示。当传输距离大于1500 m，由于网桥信号强度弱，导致无线传输速率降低[8]，出现严重丢包的情况，本系统稳定工作的传输距离为1500 m。

表2 信号强度与传输距离之间关系Tab.2 Relationship between signal strength and transmission distance

4.3 系统稳定性测试

在确定系统的传输距离之后，为了验证系统在该距离下能否在不同读数时间下稳定工作，且根据系统实际需求，上位机软件设置的读数时间为40 ms～240 ms 之间，爆炸冲击波超压记录仪存储了由信号发生器生成的脉冲波，选定传输距离为1500 m 的测试地点，设置不同的读数时间进行无线传输，均无丢包情况发生，图11 为读数时间80 ms测试数据，图12 为真实爆炸场所测得的冲击波超压定标之后的数据。

图11 80 ms 测试数据Fig.11 80 ms test data

图12 爆炸冲击波超压数据Fig.12 Explosion shock wave overpressure data

5 结语

本文保留原有对爆炸冲击波超压记录仪的串口读数方式，增加基于FPGA 的串口-网口数据转换模块将其连入以太网，并且搭建基于网桥的无线传输系统，实现对记录仪的控制和数据无线回传。经实际测试，数据传输速率为3 Mbps，传输距离可达到1500 m，相比较传统有线读数系统灵活性更高，同时此无线传输系统搭建方式为只配有串口或USB 接口的设备连入以太网提供了参考。