基于Android的無線舵機(jī)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王夢佳，劉鵬

中國空空導(dǎo)彈研究院，河南，洛陽，471009

0 引言

計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、智能性機(jī)電設(shè)備的大量采用，使現(xiàn)代軍機(jī)、導(dǎo)彈等作戰(zhàn)武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能得到很大提高，但其相關(guān)系統(tǒng)故障率也不斷增高，同時(shí)戰(zhàn)場條件的不斷惡化增加了設(shè)備檢測的難度。這些又反過來影響了武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。隨著工業(yè)水平的發(fā)展，測試技術(shù)變得越來越重要。常用的測試系統(tǒng)需要布線及專用的測試儀器。隨著無線技術(shù)的發(fā)展，很多無線測試技術(shù)得到應(yīng)用。通過無線測試技術(shù)的應(yīng)用，大大降低了測試設(shè)備的成本，減小了測試設(shè)備的體積，擺脫了線纜對(duì)測試的限制，使得遠(yuǎn)距離測試和批量測試成為可能[1]。

本文設(shè)計(jì)基于安卓的無線舵機(jī)測試系統(tǒng)，在Android Studio環(huán)境下完成了上位機(jī)軟件開發(fā)，基于STM32單片機(jī)完成了無線通信模塊的開發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)了安卓端上位機(jī)軟件對(duì)舵機(jī)發(fā)送控制指令，并對(duì)舵機(jī)實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，且可實(shí)現(xiàn)接收顯示功能。本系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互界面，操作流暢，通信可靠，可大大提高舵機(jī)的測試效率和交付進(jìn)度[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由安卓端舵機(jī)測試軟件和無線通信模塊組成。本系統(tǒng)的主要功能是對(duì)舵機(jī)進(jìn)行自檢測試及自檢結(jié)果顯示、跟隨測試及跟隨曲線繪制，并對(duì)舵機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和顯示。基本工作原理：無線通信模塊通過程序設(shè)置IP地址和端口號(hào)。上位機(jī)軟件通過IP地址和端口號(hào)與其建立WiFi連接，然后由上位機(jī)調(diào)用相應(yīng)的線程通過WiFi發(fā)送舵機(jī)控制指令給無線通信模塊；無線通信模塊的WiFi轉(zhuǎn)串口模塊ATK-ESP8266接收到信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)STM32 F103，單片機(jī)通過USART2接收到指令后進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后通過USART3將數(shù)據(jù)發(fā)出，然后通過MAX3490將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS422信號(hào)給舵機(jī)，從而完成指令的發(fā)送。同理，反向完成上位機(jī)對(duì)舵機(jī)測試結(jié)果的接收。安卓端的線程接收到測試數(shù)據(jù)后，通過Message通知Handler完成對(duì)應(yīng)的界面更新[3]。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.2 軟件設(shè)計(jì)

（1）界面設(shè)計(jì)。安卓程序采用Activity（活動(dòng)）來與用戶進(jìn)行交互。本系統(tǒng)主要有Main Activity和TestAcvtivity兩個(gè)界面。MainActivity用來建立WiFi連接，TestAcvtivity用來完成各項(xiàng)測試功能。軟件使用tabhost組件作為TestAcvtivity的主框架，tabhost又包含了上電自檢測試、地面自檢測試、跟隨測試、測試結(jié)果顯示四個(gè)分界面。使用github的LineChart庫進(jìn)行跟隨曲線的顯示和放大，使用smartTable庫進(jìn)行測試結(jié)果顯示。

為了確保軟件適配不同尺寸的上位機(jī)屏幕，本文采用ConstraintLayout（約束布局）來進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。

（2）程序設(shè)計(jì)。測試軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包括WiFi連接模塊、自檢測試模塊、跟隨測試模塊和用戶交互模塊。WiFi連接模塊主要完成與無線通信模塊的連接；自檢測試模塊主要完成與舵機(jī)的自檢信息交互；跟隨測試模塊主要完成與舵機(jī)的跟隨測試信息交互及性能指標(biāo)計(jì)算；用戶交互模塊主要用來告知用戶當(dāng)前測試進(jìn)度和測試結(jié)果。程序主流程如圖3所示。

圖3 上位機(jī)程序流程圖

本文采用基于TCP協(xié)議的WiFi無線通信協(xié)議構(gòu)建局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換。WiFi是一種創(chuàng)建于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)。最大傳輸速率可達(dá)11Mbps,在室內(nèi)有障礙的情況下最大傳輸距離也可達(dá)100M。TCP協(xié)議是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的、全雙工的傳輸層通信協(xié)議。它可以將主機(jī)的數(shù)據(jù)無差錯(cuò)地傳輸?shù)侥繕?biāo)主機(jī)[4]。SOCKET是網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層，它是網(wǎng)絡(luò)通信的接口。SOCKET的本質(zhì)是封裝了TCP/IP協(xié)議的編程接口（API）。用戶只需使用Socket即可建立網(wǎng)絡(luò)連接、獲取輸入輸出流。

本文用JAVA IO流來處理數(shù)據(jù)的輸入輸出。JAVA IO是JAVA的核心庫，它涉及的領(lǐng)域很廣泛，包括標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出、文件操作、網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)流、字符串流等。JAVA IO下的類很多，但無論哪種，都繼承自InputStream、OutputStream、Reader、Writer這四大類。基于本文的實(shí)際需求，采用InputStream和OutputStream這兩個(gè)類，基于字節(jié)流進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

1.3 無線通信模塊設(shè)計(jì)

無線通信模塊是搭建上位機(jī)和舵機(jī)之間信息通信的橋梁，實(shí)現(xiàn)WiFi信號(hào)與其他通信協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，從而控制整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)合無線模塊的使用環(huán)境，應(yīng)滿足功能、穩(wěn)定性、低成本、易擴(kuò)展等要求。

（1）無線通信模塊硬件電路設(shè)計(jì)。本文用到的無線通信模塊的硬件系統(tǒng)主要由以STM32F103為核心的主控芯片、WiFi轉(zhuǎn)串口模塊、串口轉(zhuǎn)422模塊、電源模塊組成。除此之外，為了滿足以后其他類型舵機(jī)通信協(xié)議的變化，無線通信模塊還包含有CAN驅(qū)動(dòng)模塊等其他模塊。

無線通信模塊硬件電路芯片選型基于低成本、性能可靠、易操作的角度進(jìn)行，選用STM32F103為主控芯片，ATK-ESP8266作為USART-WiFi模塊，SM3490作為串口轉(zhuǎn)422芯片。STM32F103具有低成本、低功耗、外設(shè)豐富、編程簡單的特點(diǎn)，由意法半導(dǎo)體公司出品，采用32位處理器Cortex-M3，具有512K片內(nèi)FLASH和64KSARAM，最高工作頻率可達(dá)72MHz。STM32F103內(nèi)部集成了現(xiàn)在大多數(shù)的主流外設(shè)部件，如USART，DMA，CAN，USB等。ATKESP8266板載AI-THINK公司的ESP8266模塊，通信穩(wěn)定、開發(fā)便捷，支持LVTTL串口，且兼容3.3V和5V單片機(jī)系統(tǒng)，具有AP、STA、AP+STA三種模式，串口波特率可達(dá)921600bps。本文將ATK-ESP8266模塊配置為AP模式，與單片機(jī)的PC10、PC11引腳相連。SM3490作為串口轉(zhuǎn)422芯片，性能穩(wěn)定，已在多型舵機(jī)上使用驗(yàn)證。

（2）無線通信模塊軟件設(shè)計(jì)。無線通信模塊軟件主要完成軟件通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。軟件協(xié)議轉(zhuǎn)換是指上位機(jī)與無線通信模塊之間的通信協(xié)議和無線通信模塊與舵機(jī)之間的通信協(xié)議。這種設(shè)計(jì)方法可大大較小上位機(jī)與無線通信模塊之間的通信量，增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹5]。無線通信模塊根據(jù)指令類型和反饋類型來進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換工作，主流程如圖5所示。

圖5 無線通信模塊程序流程圖

2 系統(tǒng)測試分析

經(jīng)測試分析，該無線測試系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)自檢測試、多種跟隨測試、測試結(jié)果計(jì)算顯示等功能，而且能夠進(jìn)行曲線細(xì)節(jié)放大等[6]。相較傳統(tǒng)采用工控機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行測試，具有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)測試系統(tǒng)的便攜化。傳統(tǒng)的舵機(jī)測試設(shè)備非常龐大，不適合多變的測試環(huán)境。無線舵機(jī)測試系統(tǒng)僅僅由一臺(tái)普通的安卓機(jī)和一塊約6cm*6cm的無線通信模塊構(gòu)成，不僅減小了測試設(shè)備的體積，也大大減輕了重量。

（2）傳統(tǒng)的舵機(jī)測試設(shè)備采用工控機(jī)帶板卡作為上位機(jī)，造價(jià)非常昂貴（約數(shù)萬元），無線舵機(jī)測試系統(tǒng)成本僅需5千元以下即可，徹底實(shí)現(xiàn)了測試設(shè)備的低成本。

（3）打破了傳統(tǒng)測試設(shè)備線纜對(duì)測試距離的限制。WiFi無線通信距離至少可達(dá)數(shù)十米，打破了傳統(tǒng)測試設(shè)備因線纜長度不足導(dǎo)致無法測試的問題。

測試效果如圖6所示。

圖6 無線測試系統(tǒng)測試效果

3 結(jié)語

在舵機(jī)研制過程中，往往伴隨著大量的交付試驗(yàn)，試驗(yàn)場所也常常發(fā)生變化，因此測試設(shè)備的便攜化就顯得尤為重要。本文首次采用體積小、重量輕的安卓機(jī)和無線測試模塊搭建舵機(jī)無線測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以完成傳統(tǒng)測試設(shè)備的所有功能，且相較傳統(tǒng)測試設(shè)備，突破了測試距離的限制，具有通信可靠、成本低廉、測試靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢。本文為無線測試技術(shù)在武器系統(tǒng)測試上的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)，這種技術(shù)將使未來舵機(jī)的批量測試、自動(dòng)化測試、多協(xié)議測試、遠(yuǎn)程軟件串行加載成為可能。