爆炸沖擊波超壓無線數據傳輸系統設計

馬游春，葉思楠，郭 鑫，陳韶康

（中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051）

在現代戰場和各類軍事行動中，爆炸沖擊波是評估炸彈威力的一個關鍵物理量[1]，存儲測試法具有測試裝置體積小、耐惡劣環境、無需測試引線、不易受爆炸破片影響等優點，被廣泛應用于野外爆炸沖擊波測試現場[2]。對于該測試方法，通常在爆炸試驗場布置眾多沖擊波超壓記錄儀裝置，而傳統沖擊波超壓記錄儀只配有串口[3]，操作人員需在試驗前親臨試驗場逐個對測試裝置的啟動、參數設置、系統復位等進行配置[4]，爆炸后再次到試驗場利用上位機軟件逐個讀取記錄儀數據進行分析，耗費大量的人力。因此在原有沖擊波超壓記錄儀的基礎上，設計出一套穩定并且方便快捷的無線數據傳輸方案顯得極為重要。

在選用無線數據傳輸技術方面，無線網橋（wireless bridge）傳輸速率高、發射功率較大、傳輸距離遠[5]。考慮到在沖擊波超壓數據吞吐量較大、爆炸場終端與現場設備距離較遠，無線網橋成為了實現無線傳輸功能最理想的設備。

因此，本文在傳統沖擊波超壓記錄儀基礎上，設計了基于FPGA 的串口-網口數據轉換模塊使其接入以太網，并搭建由無線網橋、PC 機、記錄儀裝置和串口-網口轉換模塊組成的無線傳輸系統進行測試。該系統在傳輸距離不超過1500 m 時獲得3 Mbps 的穩定傳輸速率，且該系統具有布放靈活、成本經濟等特點，大大減輕了對記錄儀數據讀取的工作量。

1 系統總體設計

爆炸沖擊波超壓數據無線傳輸系統主要包括終端和現場設備兩部分，圖1 為系統工作示意圖。在帶有網口的PC 機上部署爆炸沖擊波超壓測試上位機，負責對沖擊波超壓記錄的控制與數據回傳；沖擊波超壓記錄儀連接串口-網口數據轉換模塊接入以太網，所設計的沖擊波超壓數據無線傳輸系統的終端與現場設備之間采用無線網橋通信方式進行數據傳輸。

圖1 系統工作示意圖Fig.1 System working diagram

2 關鍵模塊設計硬件設計

2.1 串口-網口數據轉換模塊

串口-網口數據轉換主要實現網口接收控制命令，轉換為串口數據對記錄儀進行控制；串口接收由記錄儀存儲的沖擊波超壓信息，轉換為網口數據包發送給上位機。該模塊由FPGA 主控、RS422 接口芯片、以太網數據收發芯片、RJ45 以太網接口等功能模塊組成，其電路結構框圖如圖2 所示。

圖2 電路結構框圖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，主頻可達200 MHz[6]。運用其中的一路USART 通道與RS422接口芯片連接；FPGA 內部包含了以太網MAC 控制層，使用以太網控制芯片實現物理層數據收發。

網口主要由物理層接口（PHY）與MAC 控制器構成，以太網芯片選擇Realtek 公司的10/100 M 的物理層收發芯片RTL8201CP，本文配置100 M 的傳輸速率，該芯片保持IEEE802.3 規范標準支持MII模式[7]，使用該模式與FPGA 相連實現以太網數據發送和接收，具體原理圖如圖3 所示，并且通過RJ45網口與無線網橋相連，圖4 為RJ45 接口電路。

圖3 RTL8201CP 模塊電路Fig.3 RTL8201CP module circuit diagram

圖4 RJ45 接口電路Fig.4 RJ45 interface circuit diagram

因為目標裝置為RS422 公頭，所以需要設計RS422 接口電路，其電路如圖5 所示。為了簡化電路和降低設計成本，RS422 接口芯片選擇低功耗收發芯片MAX3490EESA，全雙工，波特率可達12 Mbps，具有靜電放電（electro-static discharge，ESD）保護功能，發送器輸出、接收器輸入保護功能。輸出的差分信號Rx+、Rx-、Tx+、Tx-分別對應圖中的A、B、Z、Y，組成母頭與記錄儀裝置的公頭相連。

圖5 RS422 接口電路圖Fig.5 RS422 interface circuit diagram

2.2 無線網橋模塊

無線網橋模塊作為無線鏈路的實現方式，負責對上位機和串口-網口數據轉換中繼進行橋接。沖擊波超壓系統工作時數據最大吞吐量為3 Mbps，且考慮到系統后續維護與可擴充性，選取了一款百兆與千兆兼容的網橋。經過各項參數對比最終選用了TR2405G 型號無線網橋作為橋接工具。

無線網橋傳輸過程為透明傳輸，在無線網橋發射端和接收端配對好確保在同一條鏈路，使串口-網口數據轉換模塊和PC 機處于同一網段，用戶無需關心網橋之間的底層。

3 關鍵模塊軟件設計

3.1 串口-網口數據轉換模塊

設計了由FPGA 控制串口、UDP/IP 網口數據的接收與發送，同時設計使用SD 卡啟動程序、存儲IP地址，方便后續對IP 地址修改。

該模塊上電后，會讀取SD 卡存儲的BOOT 文件啟動整個系統。系統工作后，會讀取SD 卡中提前存儲的IP 地址傳送給網口的相關模塊。當串口接收到數據后，會判斷是否接收到1024 字節，若接收到則啟動網口數據發送，若沒接收到，則判斷是否超過10 ms 未接收數據，若超過10 ms 未接收到數據也啟動網口數據發送，將接收到的串口數據以網口數據發送。當網口接收數據時，接收完一幀數據，解析其數據，取出有效數據后啟動串口發送。該模塊軟件工作流程如圖6 所示。

圖6 系統工作流程Fig.6 System working flow chart

3.2 無線網橋模塊

TR2405G 型號無線網橋以5.8 GHz 作為載波頻段，理論帶寬可達867 MHz。該網橋在進行多鏈路組網時，不同的鏈路處在不同的信道，各個信道之間無相互沖突。網橋匹配時通常設置為一對一模式，將需要匹配的網橋同時開啟，用網線將接收網橋和電腦相連，登錄Web 管理界面可實時查看網橋的匹配狀態、當前信道質量、頻譜干擾、當前數據吞吐量等各項工作參數。該型號無線網橋參數如表1所示。

表1 無線網橋參數Tab.1 Wireless bridge parameters

4 測試結果與分析

4.1 測試平臺搭建

沖擊波超壓無線數據傳輸系統硬件包括：沖擊波超壓記錄儀、數據線、串口-網口數據轉換模塊、網線、網橋和PC 機等。系統實物圖如圖7 所示，左側為終端，右側為現場設備，將系統硬件按照通信關系正確連接各個模塊。具體硬件連接步驟如下：

圖7 系統實物圖Fig.7 Physical system diagram

（1）沖擊波超壓記錄儀通過數據線與串口-網口數據轉換模塊連接；

（2）串口-網口數據轉換模塊通過網線連接網橋；

（3）遠程終端PC 機通過網線連接網橋。

然后進行軟件設置，無線數據傳輸系統軟件包括：虛擬串口軟件USR-VCOM.exe 和爆炸沖擊波超壓測試系統軟件。將2 個軟件安裝在PC 機上，并對軟件進行參數設置，具體步驟如下：

（1）在虛擬串口軟件USR-VCOM 添加對應沖擊波超壓記錄儀中繼的虛擬串口，如圖8 所示，目標IP 地址192.168.1.102 為串口-網口數據轉換模塊本機地址；

圖8 添加虛擬串口Fig.8 Adding a virtual serial port

（2）對添加的虛擬串口設置虛擬地址，如圖9所示；

圖9 設置虛擬地址Fig.9 Setting a virtual address

（3）設置爆炸沖擊波超壓測試系統軟件，端口號設置為虛擬串口軟件USR-VCOM 所添加的虛擬串口COM3，如圖10 所示。

圖10 終端虛擬串口參數設置Fig.10 Set terminal virtual serial port parameters

4.2 傳輸距離測試

完成系統硬件搭建與軟件設置后，為了保證本系統在真實爆炸場環境中能夠正常工作，需要對無線網橋的傳輸距離進行測試，選擇空曠的地點，建立信號強度和最長穩定通信距離之間的對應關系。由記錄儀串口發送速率為3 Mbps 的數據流，通過上位機軟件控制無線讀取記錄儀時間為80 ms，多次測試取平均值，計算測試結果如表2 所示。當傳輸距離大于1500 m，由于網橋信號強度弱，導致無線傳輸速率降低[8]，出現嚴重丟包的情況，本系統穩定工作的傳輸距離為1500 m。

表2 信號強度與傳輸距離之間關系Tab.2 Relationship between signal strength and transmission distance

4.3 系統穩定性測試

在確定系統的傳輸距離之后，為了驗證系統在該距離下能否在不同讀數時間下穩定工作，且根據系統實際需求，上位機軟件設置的讀數時間為40 ms～240 ms 之間，爆炸沖擊波超壓記錄儀存儲了由信號發生器生成的脈沖波，選定傳輸距離為1500 m 的測試地點，設置不同的讀數時間進行無線傳輸，均無丟包情況發生，圖11 為讀數時間80 ms測試數據，圖12 為真實爆炸場所測得的沖擊波超壓定標之后的數據。

圖11 80 ms 測試數據Fig.11 80 ms test data

圖12 爆炸沖擊波超壓數據Fig.12 Explosion shock wave overpressure data

5 結語

本文保留原有對爆炸沖擊波超壓記錄儀的串口讀數方式，增加基于FPGA 的串口-網口數據轉換模塊將其連入以太網，并且搭建基于網橋的無線傳輸系統，實現對記錄儀的控制和數據無線回傳。經實際測試，數據傳輸速率為3 Mbps，傳輸距離可達到1500 m，相比較傳統有線讀數系統靈活性更高，同時此無線傳輸系統搭建方式為只配有串口或USB 接口的設備連入以太網提供了參考。