侵徹試驗數據采集系統設計

周彩親 李世中

【摘要】本文介紹了一種基于STC12C5410AD的侵徹試驗數據實時采集的設計方案。該系統主要包括信號采集、無線發送、無線接收、數據的顯示和存儲。將采集到的數字信號接入STC12C5410AD，再通過nRF905無線模塊進行發射，利用相同的模塊進行接收，接收到的數據通過串口發送到上位機，可以對數據進行顯示和存儲。

【關鍵詞】侵徹試驗;nRF905模塊;數據采集

引言

經濟的發展和科技的進步促使地下防御設備的性能越來越完善，從而帶動對侵徹的毀傷效果的研究。侵徹主要是通過彈頭鉆入或穿透物體達到對隱蔽性目標的有效摧毀。對彈丸侵徹過程的研究受到各個國家的重視。硬目標侵徹試驗中對各種動態參數的記錄，對研發高性能的彈藥有重要意義。目前，主要通過彈載記錄儀實現惡劣環境下試驗數據的動態存儲，試驗結束后回收存儲器，再將數據導入到計算機，進行分析和處理。

本文設計了一種基于STC12C5410AD的遠距離侵徹試驗數據采集系統，試驗過程中避免了找回存儲器的麻煩，簡化了試驗操作，保證了數據的快捷獲取。

1.總體結構

硬目標侵徹試驗環境相當惡劣，過載高、速度大、沖擊大。確保試驗數據的正確完整的接收，系統必須可靠地啟動發射和接收，不干擾導彈的正常工作。本系統將發射裝置裝在彈尾，彈接觸目標后發射裝置開始工作。

本系統前端利用傳感器采集原始信號，送入STC12C5410AD后經單片機內部AD轉換處理后，單片機控制nRF905無線模塊將采集到的信號發射出去，遠距離的nRF905模塊對信號進行接收處理后，單片機的串口將試驗數據傳輸給計算機，方便數據的顯示、分析和存儲。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

以STC12C5410AD為核心器件，設計了復位電路、晶振電路、在線下載電路、穩壓電路及其與nRF905的連接電路。軟件方面給出了發射和接收的程序流程。用紐扣鋰電池為發射端系統供電，功耗低。nRF905完成數據的編碼，調制和發射。

2.硬件設計

由宏晶科技生產的STC12C5410AD單片機是單時鐘/機器周期的兼容8051內核單片機，速度高，功耗小。其主要性能特點如下：增強型1T流水線/精簡指令集結構8051CPU;對于5V單片機工作電壓為5.5V-3.4V，對于3V單片機工作電壓為3.8V-2.0V;支持ISP/ASP，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序而無需專用編程器;I/O口可設置成準雙向口/弱上拉、推挽/強上拉、僅為輸入/高阻、開漏四種模式。STC12C5410AD單片機中包含中央處理器、程序存儲器（Flash）、數據存儲器（RAM）、EEPROM、定時/計數器、I/O接口、UART接口和中斷系統、SPI接口、高速A/D轉換模塊、PWM（或捕捉/比較單元）以及硬件看門狗、電源監控、片內RC振蕩器、MAX810專用復位電路等模塊。圖2所示為發送端單片機外圍電路和nRF905芯片電路。發送端單片機的外圍電路，包括晶振電路、復位電路、MAX232電路、穩壓電路。單片機通過RxD和TxD引腳連接MAX232，實現程序的在線下載。CSN、MOSI、MISO、SCK用于連接nRF905無線發射模塊的SPI接口，AD_IN用于接收待發射的信號。

三端穩壓集成電路LM7805只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。其使用很少的外圍元件組成穩壓電源，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。

利用nRF905無線收發芯片設計了本系統的無線通信傳輸模塊，完成試驗數據的無線傳輸。nRF905的指令操作簡單，外圍器件少，抗干擾能力較強。而且體積較小，對使用空間要求比較低。芯片內置調制器、頻率合成器、功率放大器、晶體震蕩器等模塊，在433MHz、868MHz和915MHz的ISM頻段工作。50kbps的傳輸速率，高效GSFK調制，適合工業控制場合。內置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制。模塊可軟件設地址，只有收到本機地址時才會輸出數據，提供中斷指示，可直接與各種單片機相連接使用，軟件編程方便。1.9V～3.6V的工作電壓范圍，待機模式下電流僅為12.5μA，-40℃～+85℃的工作溫度范圍。通過SPI接口與單片機連接。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技術。ShockBurst技術使nRF905能夠提供高速的數據傳輸，而不需要昂貴的高速MCU來進行數據處理/時鐘覆蓋。ShockBurst工作模式的提點是自動產生前導碼和CRC，電流消耗低。

nRF905芯片VCC腳接電壓范圍為3.3V～3.6V之間，超過3.6V會燒毀模塊。除VCC和接地端，其余腳都可以直接和普通的5V單片機IO口直接連接。芯片主要工作在典型ShockBurst TX模式、典型ShockBurst RX模式、掉電和SPI模式、STANDBY和SPI模式四種工作模式。前兩個是活動模式，后兩個是節電模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP的值來設定。

3.軟件設計

系統的發送流程為：在試驗過程中，單片機接收到傳感器采集到的信號，經處理后，通過SPI接口，按時序把接收機的地址和要發送的數據傳送給nRF905，在通信協議和器件配置時確定SPI接口速率;單片機置高TRX_CE和TX_EN，將nRF905設置為發送模式;nRF905發送數據（自動開啟射頻寄存器，對數據加字頭和CRC校驗碼進而打包，發送數據包，數據發送完后置高數據準備好引腳）;如果AUTO_RETRAN被置高，nRF905不斷重發，直到TRX_CE被置低;當TRX_CE被置低，nRF905發送完成，自動進入空閑模式。

系統的接收流程為：接收端單片機置高TRX_CE，同時置低TX_EN， nRF905為接收模式;nRF905在650us后不斷監測，等待接收數據;當監測到同頻段載波時，置高載波檢測引腳;接收到相匹配的地址時，置高AM引腳;接收到一個正確的數據包后，nRF905自動移去字頭、地址和校驗碼，置高DR引腳;單片機置低TRX_CE，進入空閑模式;通過SPI口單片機以一定速率把數據移到單片機內;接收完所有的數據，置低DR和AM引腳。接收成功后，單片機可以通過串口把數據保存到計算機上。

4.試驗驗證

本系統采用STC12C5410AD作為主控器，nRF905作為無線發送接收模塊，工作頻段433MHz。通過串口調試助手將接收到的數據顯示出來。將發射端和接收端相距50米，發送端單片機控制無線模塊發射自加數據，接收端單片機接收到數據后通過串口在計算機上保存、顯示。如圖3所示。該系統在靜態試驗中能比較好的接收到無線信號。

圖3 上位機接收到的數據

5.結語

針對現在侵徹試驗彈載存儲器回收難的問題，本文將RF射頻技術應用到數據采集系統中，提出一種基于射頻傳輸的數據采集系統。系統設計簡單，成本低。現階段該系統在普通環境中可以傳輸，但對于存在各種干擾、過載高的環境系統還需要再改進。

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