一種新的裝備信息無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計

曹 森 張蕉蕉 郭堅毅 練偉強

(解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院1，江蘇 南京 210007;南京軍區(qū)73602部隊2，江蘇 南京 210007)

0 引言

裝備信息自動采集傳輸是我軍裝備管理工作實現(xiàn)自動化和信息化的起點。長期以來，我軍部隊裝備信息輸出仍以指針式儀表為主，信息化程度滯后于當(dāng)前國內(nèi)外比較先進的民用工程裝備水平;部隊裝備管理自動化水平不高，特別是一些偏遠地區(qū)部隊，裝備的日常管理工作大量依賴人工作業(yè)，采取手工記錄，然后交由上級部門統(tǒng)計，存在難以及時統(tǒng)計上報、效率低下、原始數(shù)據(jù)不精確等問題。車輛行駛記錄儀不僅能記錄并存儲車輛相關(guān)信息，而且還能與管理中心實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳送，使車輛實時處于管理中心的監(jiān)控中[1]。

針對上述問題，本文對原有工程裝備進行信息化改造，設(shè)計了裝備信息記錄儀，用于實時采集裝備信息。在此基礎(chǔ)上，基于CC2510單片機的無線通信功能，設(shè)計一個無線通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了裝備信息的實時傳輸，這對提高裝備信息的自動采集傳輸效率具有重要作用。

1 總體設(shè)計

裝備信息傳輸主要有兩種方式：一是通過GSM、GPRS(CDMA)等遠程數(shù)據(jù)通信方式實現(xiàn)裝備信息的實時傳輸;二是在裝備信息記錄儀中預(yù)留USB或串口，通過這些接口將裝備信息生成數(shù)據(jù)文件上報。在這兩種方式中，前者不符合部隊裝備的保密安全需要，而后者存在操作復(fù)雜、自動化程度不高、實時性差等問題。本文借鑒了飛機“黑匣子”的設(shè)計思想，設(shè)計了基于CC2510的裝備信息無線傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了裝備信息的自動傳輸。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[2]。

圖1中，虛線部分表示的是無線通信子系統(tǒng)，各裝備信息采集器及裝備信息采集控制器之間的通信都基于CC2510通信模塊。

2 硬件設(shè)計

裝備信息無線傳輸系統(tǒng)選用CC2510作為信息處理與無線通信模塊的核心控制器。無線通信部分使用CC2510自帶的RF無線收發(fā)功能模塊CC2500，可實現(xiàn)低速數(shù)據(jù)輸入、高速數(shù)據(jù)輸出。CC2510集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。

系統(tǒng)電路設(shè)定為2 400～2 483.5 MHz的ISM(工業(yè)、科學(xué))和SRD(短距離設(shè)備)頻率波段。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項，使性能得到提升[3－6]。

系統(tǒng)電路如圖2所示。XOSC_Q1和XOSC_Q2腳之間連接26 MHz晶體，作為系統(tǒng)高速時鐘源。振蕩器為晶體的平行模式操作而設(shè)計。低速時鐘源一般作為看門狗時鐘源，采用低功耗32.768 kHz晶體振蕩器。晶體負載電容(C15和C16)是必需的。載電容值由總負載電容量CL決定。在指定頻率下，為使晶體振蕩，晶體兩端的總負載電容值應(yīng)該等于CL。寄生電容由引腳輸入電容和PCB漂移電容所組成?？偧纳娙莸湫椭禐?.5 pF。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配器件的輸入/輸出阻抗，使其輸入/輸出阻抗為50 Ω，發(fā)射部分經(jīng)過前端π型匹配網(wǎng)絡(luò)向50 Ω天線饋電。CC2510上還預(yù)留一些端口，用于從外設(shè)的數(shù)據(jù)采集器中讀取數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)電路Fig.2 Systematic circuit

抗干擾設(shè)計直接關(guān)系到射頻性能和整機的運行。由于工作頻率較高，所以設(shè)計了以CC2510芯片為中心的應(yīng)用電路，各元器件緊靠CC2510，從而盡可能減少分布參數(shù)的影響。在PCB布線時，CC2510芯片底部應(yīng)保持良好接地，并盡量多打一些通孔，使頂層和底層的地能夠充分接觸、空余部分大面積連續(xù)接地[7]。電源線最好從電源主節(jié)點呈樹狀引出不同分支的電源線為每個電源引腳供電，使引腳間產(chǎn)生空間上的隔離，以減小彼此之間的耦合。同時可使用多個去耦電容、旁路電容濾波，以保持電源的純凈。

3 信息傳輸通信協(xié)議

3.1 通信協(xié)議總體設(shè)計

裝備信息數(shù)據(jù)采集器與記錄儀間的數(shù)據(jù)報文分為廣播報文幀和點對點數(shù)據(jù)報文幀2類。由于CC2510中的CC2500接收器可以對收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)包的硬件解析和地址過濾(只接收發(fā)送到本機的地址以及廣播的數(shù)據(jù)包)等，這樣可以方便地實現(xiàn)廣播發(fā)送和點對點的通信。由于CC2510模塊集成了硬件數(shù)據(jù)處理器，便于對發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進行白化、同步、CRC校驗等處理。

廣播報文幀和點對點的報文幀在格式上是一樣的，只是發(fā)送地址不同：當(dāng)發(fā)送地址是0或255時，發(fā)送的是廣播數(shù)據(jù)幀;否則，發(fā)送的就是到某個地址的點對點的報文幀。

報文由報文長度、接收方地址及后續(xù)數(shù)據(jù)組成。具體數(shù)據(jù)報文格式如圖3所示。

圖3 報文格式Fig.3 Format of message

采集控制器與裝備信息記錄儀之間的無線通信命令格式如圖4所示。

圖4 無線通信命令格式Fig.4 Format of wireless network

圖4中，len為不含自身的至crc的字節(jié)數(shù);crc為校驗數(shù)據(jù)，其值為從len至crc的所有數(shù)據(jù)累加和。返回命令串也遵循上述格式，只是對命令號進行修改：cmdNo=發(fā)送的原命令值+0x11。

若查詢記錄儀當(dāng)前的時間為：2009年3月17日22時37分58秒，要采集這個數(shù)據(jù)，則發(fā)送命令：AA 55 09 20 09 03 17 22 08 37 58 crc，返回命令：AA 55 09 31 09 03 17 22 08 37 58 crc。

所有時間均采用BCD碼表示(上述數(shù)據(jù)為16進制)。

3.2 點對多點通信設(shè)計

無線傳輸系統(tǒng)通信設(shè)計是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。根據(jù)本系統(tǒng)傳輸需求，設(shè)計滿足系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)通信是本文研究的重點和難點。

①由于所有裝備信息記錄儀上的無線模塊都工作在同一頻段，當(dāng)多個裝備進入無線采集區(qū)時，采集器與記錄儀間的通信變成了點對多點的通信。為了避免同頻干擾及數(shù)據(jù)源混亂的問題，系統(tǒng)采用不同頻率收發(fā)和廣播的方式來解決這個矛盾。由采集器發(fā)送廣播查詢命令，查詢在天線有效覆蓋范圍內(nèi)有沒有記錄儀存在。

②當(dāng)記錄儀收到該廣播后，準(zhǔn)備好回送的數(shù)據(jù)，在等待一定時間后，將包含本記錄儀編號、采集的裝備信息通過另外的信道發(fā)送給采集器。

③采集器收到該記錄儀發(fā)來的信息后，一方面保存該信息，將相關(guān)數(shù)據(jù)通過TCP/IP(或RS-232)等方式傳遞給PC機;另一方面，采集器又向該記錄儀發(fā)送點對點的消息幀，通知該記錄儀已經(jīng)收到所發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，在設(shè)定時間內(nèi)(如10 s)不再回應(yīng)采集器所發(fā)來的廣播命令。

④如果有多個記錄儀同時響應(yīng)廣播命令而發(fā)送數(shù)據(jù)，造成采集器不能正確接收數(shù)據(jù)，采集器會繼續(xù)廣播詢問，直到接收到某個記錄儀發(fā)來的完整數(shù)據(jù)，然后重復(fù)步驟③。

⑤由于采集器和記錄儀之間的通信速率很高(100 kbit/s)，而記錄儀每次響應(yīng)廣播后回送的數(shù)據(jù)很少(24 B)，同時已經(jīng)成功發(fā)送過數(shù)據(jù)的記錄儀在近期內(nèi)不會再響應(yīng)采集器的廣播命令，所以在隨機的時間內(nèi)，采集器可以采集采集區(qū)內(nèi)的所有記錄儀的全部信息。

⑥如果需要查詢某個記錄儀的詳細信息，還可以通過發(fā)送點對點的查詢命令幀，來進一步查詢該記錄儀的詳細數(shù)據(jù)，其他記錄儀不會響應(yīng)該命令幀。

上述方法運用主動呼叫原理，將數(shù)據(jù)中心與無線監(jiān)測終端之間點對多點通信轉(zhuǎn)換成點對點通信，從而有效解決了點對多點通信之間產(chǎn)生的干擾和沖突問題。

當(dāng)采集區(qū)內(nèi)存在多個裝備(不大于30個)時，可以保證采集器將所有裝備的信息采集回來，并將數(shù)據(jù)傳遞給PC進行存儲和處理。

4 系統(tǒng)無線傳輸軟件設(shè)計

設(shè)計的裝備信息無線傳輸流程如圖5所示[8－9]。

圖5 裝備信息無線傳輸流程圖Fig.5 Wireless transmission flowchart of equipment information

在無線傳輸流程中，先對裝備信息記錄儀的CC2510模塊進行初始化，設(shè)定本機地址，然后進入接收狀態(tài);系統(tǒng)開始查詢是否收到命令。若沒有收到命令，則繼續(xù)查詢;若有收到命令，則先判斷是否為廣播命令。如若不是廣播命令，則進入點對點接收狀態(tài)，根據(jù)不同的命令記錄生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)直接發(fā)送，然后再次進入接收狀態(tài);若是廣播命令，則判斷本機是否已經(jīng)響應(yīng)過該廣播。如已響應(yīng)，則繼續(xù)等待接收命令;如沒有響應(yīng)，則取出裝備信息，進行回應(yīng)，為了避免沖突，延時隨機的時間發(fā)送回應(yīng)數(shù)據(jù)，然后再次進入接收狀態(tài)。

5 結(jié)束語

基于CC2510的裝備信息無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計，對裝備信息數(shù)據(jù)進行傳輸是本文的創(chuàng)新之處。采用無線傳輸，在給部隊內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸帶來便利的同時降低了成本和功耗，也大大提高了工作的靈活性和響應(yīng)速度，能可靠地實現(xiàn)點對多點的可靠通信，較好地解決了裝備信息自動采集的問題。該系統(tǒng)已在多個部隊中加以應(yīng)用，為裝備管理節(jié)省了大量的人力、物力，贏得了廣泛好評。

[1]谷勇霞.“車輛行跡記錄儀”在特種車輛監(jiān)管中的應(yīng)用[J].電氣技術(shù)與自動化，2002，12(6)：79 －81.

[2]李彩虹.基于CC2500的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計[J].傳感器與儀表，2007，23(7)：159 －161.

[3]韋建超，陳向東，陳冠，等.基于CC1101的無中心數(shù)字對講機設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2009，17(6)：1 －3.

[4]霍宏偉，牛延超，徐曉羽.基于RF芯片CC2510的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備設(shè)計[J].國外電子元器件，2006(9)：43 －47.

[5]呂濤，周燕媚，鄭啟亮，等.基于2.4G的檢測數(shù)據(jù)無線傳輸模塊設(shè)計[J].2006，27(6)：2062 －2064.

[6]劉泉，李成.基于CC2500的無線信息家電節(jié)點設(shè)計[J].電子器件，2009，32(1)：153 －157.

[7]張恩平，劉希民.基于CC2510的無線液位變送器設(shè)計[J].自動化與儀表，2010，37(4)：49 －53.

[8]呂鑫，王忠.ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，33(4)：333 －335.

[9]鄭凱，趙宏偉，張孝臨.基于ZigBee心電監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)的研究[J].儀器儀表學(xué)報，2008，29(5)：1000 －1004.