基于STC系列單片機的CQB無線通信系統(tǒng)設計

楊悟宇 言勐 劉庭君 葛運龍

摘要：為解決傳統(tǒng)模擬射擊系統(tǒng)有線通信方式布線復雜、通信聯(lián)絡易受阻的缺陷，本文設計了一款由STC15系列單片機控制的基于nRF24L01無線通信模塊的CQB單兵無線通信系統(tǒng)。本設計應用單片機技術和無線通信技術^[1]，有效地改進了傳統(tǒng)模擬射擊系統(tǒng)的通信系統(tǒng)，使之更好的滿足實戰(zhàn)化訓練要求，對提高軍警實戰(zhàn)化訓練水平有較大作用。

關鍵詞：CQB;單片機;nRF24L01無線模塊

傳統(tǒng)模擬射擊系統(tǒng)通過模擬實戰(zhàn)環(huán)境使參訓人員有親臨實戰(zhàn)的體驗，可較好的培養(yǎng)參訓人員的戰(zhàn)場意識，提高軍警實戰(zhàn)化訓練水平^[2]。但在模擬對抗訓練過程中，單兵模擬作戰(zhàn)裝具若采用有線通信方式，其布線復雜的缺陷會嚴重影響參訓人員的戰(zhàn)術動作;通信線路的磨損容易導致通信聯(lián)絡不暢。這些問題都極大的影響著參訓人員的實戰(zhàn)體驗，降低了實戰(zhàn)化訓練效果。

本文基于STC15系列單片機和nRF24L01無線通信模塊，設計了一款無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)節(jié)省了布置電線的所需的空間，且具有電路簡單、功耗小、體積小、成本低等優(yōu)點^[3]，能較好的克服有線通信方式的弊端。

一、系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)由總控模塊和信息通信模塊兩部分構成，應用STC系列單片機作為主控模塊，nRF24L01無線收發(fā)模塊作為通信模塊，ESP8266無線收發(fā)模塊作為爆炸物感應模塊，引入按鍵開關、蜂鳴器、4位撥號開關和發(fā)光二極管等元件組成集體控制、聲光報警、信號顯示、身份設定功能模塊，選擇LM1117-3.3V電壓轉換模塊組成電源轉換模塊。

1、總控部分方案設計

總控部分由STC15W204S單片機主控模塊、nRF24L01無線通信模塊、集體控制按鍵模塊、信號顯示模塊和電源轉換模塊組成。各模塊功能介紹如下：

①STC15W204S單片機主控模塊負責根據(jù)程序設計，完成對各模塊的協(xié)同控制。②nRF24L01無線通信模塊負責發(fā)送集體控制（“集體死亡”或“集體復活”）指令。③集體控制模塊用于控制通信模塊發(fā)送集體控制指令。④信號顯示模塊用于實時顯示集體控制指令的發(fā)送情況。⑤電源轉換模塊將5V直流電源轉換為5V和3.3V電源，為各硬件模塊提供電源。

2、信息通信模塊方案設計

信息通信模塊由STC15W408AS單片機主控模塊、nRF24L01無線通信模塊、ESP8266爆炸物感應模塊、聲光報警模塊、身份設定模塊和電源轉換模塊組成。各模塊功能介紹如下：①STC15W408AS單片機主控模塊主要負責將接收的無線信號進行分析與綜合處理。②nRF24L01無線通信主要負責接收集體控制指令和實時發(fā)送參訓人員傷害信號及碰撞保護狀態(tài)。③ESP8266爆炸物感應模塊通過配對ESP8266模塊發(fā)送的無線信號，模擬接收爆炸裝置發(fā)出的固定信號，以達到對模擬爆炸物爆炸范圍內進行傷害判定的目的。④聲光報警模塊通過蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲和光信號，以達到傷害報警的目的。⑤身份設定模塊用于設定裝備編號。⑥電源轉換模塊將5V直流電源轉換為5V和3.3V電源，為各硬件模塊提供電源。

二、軟硬件設計

1、硬件設計

系統(tǒng)硬件總體電路設計時，總控模塊和信息通信模塊分別以STC15W204S和STC15W408AS單片機主控模塊電路為核心，將各自功能電路和單片機的接口連接在一起。nRF24L01無線通信模塊電路和ESP8266爆炸物感應模塊電路的電源接在3.3V電源上，其它電路的電源接在5V上。整體電路圖如圖（1）所示：

2、軟件設計

主程序主要是提供整個系統(tǒng)功能的邏輯執(zhí)行流程，完成初始化操作并將各個模塊子程序有效的銜接起來。本節(jié)區(qū)分總控模塊和信息通信模塊分別介紹其主程序流程。

（1）總控模塊主程序設計。總控模塊以STC15W204S單片機為控制核心，具體的初始化過程如下：①使按鍵開關處于斷開狀態(tài)。②禁止接收指示燈和發(fā)射指示燈工作。③配置無線模塊的0通道用于發(fā)送數(shù)據(jù)，設置射頻頻率為2.4G。④開啟定時器0并將其工作方式選擇方式1，設置定時時間為10ms。初始化完成后，主程序在whie（1）的循環(huán)體中，循序檢測集體控制按鍵的狀態(tài)。當集體死亡或者集體復活按鍵按下時，無線通信模塊發(fā)送對應集體控制信號，信號顯示燈亮0.5秒。

（2）信息通信模塊主程序設計。信息通信模塊以STC15W408AS單片機為控制核心，初始化過程如下：①開定時器0并將其工作方式設置為方式1，設置定時時間為10ms。②定義串行通信工作方式為方式1;啟動定時器2并選擇定時器2為波特率發(fā)生器，設置其時鐘為晶振頻率。③開啟碰撞保護，向模擬人體靶輸出無傷害信號。④讀取4位撥號開關狀態(tài)，獲取本裝備身份編號。⑤配置無線模塊的0通道同時用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，設置射頻頻率為2.4G。初始化完成后，主程序在whie（1）的循環(huán)體中，在接收到集體復活指令后執(zhí)行以下程序：讀取無線通信模塊接收數(shù)據(jù)，首先進行身份驗證，將接收數(shù)據(jù)的身份編碼與本裝備身份編號進行對比，當身份驗證通過時，下步判斷碰撞保護標志位狀態(tài)，若碰撞保護為解除狀態(tài)，判定輸出傷害有效，根據(jù)傷害編碼輸出對應傷害;當身份驗證不通過或者碰撞保護為開啟狀態(tài)時，判定輸出傷害無效，輸出無傷信號。本模塊中信號顯示通過定時器0中斷實現(xiàn)，當輸出傷害有效時，控制發(fā)光二極管亮0.5秒;爆炸物感應功能通過串口中斷方式實現(xiàn)，當信息通信模塊上集成的ESP8266模塊檢測到該固定信號，且該信號持續(xù)500ms，則認為手雷在人體靶周邊爆炸，此時模塊發(fā)送致命傷信號。

三、結論

通過實物試驗，本文設計的無線通信系統(tǒng)較好的完成了CQB單兵裝備無線通信功能，達到了預期的設計目的。

參考文獻

[1]陳旦花.單片機最小系統(tǒng)的設計與應用[J].無線互聯(lián)科技，2012（10）：103-104.

[2]馬聰.基于CPLD的紅外激光模擬射擊訓練系統(tǒng)的設計與開發(fā)[D].天津理工大學，2016.

[3]陸慧偉，喻聰，楊偉杰，等.基于NRF24L01無線傳輸?shù)墓卉嚰訜峥刂葡到y(tǒng)設計[J].輕工科技，2017（10）：81-82.

（作者單位：武警警官學院）