基于ZigBee天幕靶信號(hào)處理裝置設(shè)計(jì)和探究

1、基于zigbee天幕靶信號(hào)處理裝置設(shè)計(jì)和探摘要：天幕靶是一種用來(lái)探測(cè)飛行目標(biāo)到達(dá)空間某 一預(yù)定位置時(shí)刻的光電設(shè)備。在靶場(chǎng)測(cè)試領(lǐng)域中，隨著測(cè)試 技術(shù)的日益網(wǎng)絡(luò)化，一種具有網(wǎng)絡(luò)接入功能的天幕靶信號(hào)處 理裝置，保證了更大測(cè)試系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)?；趜igbee自 組網(wǎng)以及無(wú)線控制原理，提出了一種網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)計(jì)方案，詳 細(xì)介紹了 zigbee原理以及軟件設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出一種天幕 靶信號(hào)處理裝置。分析結(jié)果表明：天幕靶信號(hào)處理裝置的設(shè) 計(jì)可以實(shí)現(xiàn)200 m的通信距離，接入點(diǎn)可達(dá)到16個(gè)，同時(shí) 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接入使得其測(cè)試精度達(dá)到0.5 us,并且可以遠(yuǎn) 程監(jiān)控各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。關(guān)鍵詞：zigbee無(wú)線通信；通信距

2、離；自組網(wǎng) 中圖分類(lèi)號(hào)：tn 92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 引言在靶場(chǎng)測(cè)試領(lǐng)域，終點(diǎn)效能評(píng)估時(shí)需要對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài) 進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，天幕靶信號(hào)處理裝置的研究為其帶來(lái)飛躍 性的突破。文中采用zigbee無(wú)線控制模塊1,使多套天幕 靶之間構(gòu)成一個(gè)局域網(wǎng)。通過(guò)對(duì)局域網(wǎng)絡(luò)的控制完成各個(gè)設(shè) 備之間信息的同步通信，從而使得各個(gè)天幕靶之間有良好的 信息通道，方便信息的傳輸，從而使得靶場(chǎng)領(lǐng)域外彈道多點(diǎn) 測(cè)試和終點(diǎn)效能評(píng)估時(shí)，各天幕靶之間可以進(jìn)行實(shí)時(shí)且可靠 地通信，解決了之前長(zhǎng)線傳輸帶來(lái)的噪聲過(guò)大的問(wèn)題以及可 靠性過(guò)低的問(wèn)題。測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖1。整體系統(tǒng)由測(cè)時(shí)系統(tǒng)、zigbee無(wú)線通信模塊、溫度采集 傳感器、電源管理和stc單

3、片機(jī)組成，整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)時(shí)系統(tǒng) 將時(shí)間信號(hào)采集好以后暫存在68013的單片機(jī)中，當(dāng)需要將 數(shù)據(jù)輸送到上位機(jī)時(shí)通過(guò)i2c總線傳送至stc單片機(jī)內(nèi)，stc 單片機(jī)再將數(shù)據(jù)通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)傳送至上位機(jī)，從而工作 人員得到測(cè)試數(shù)據(jù)。由此可見(jiàn)，zigbee無(wú)線通信模塊是整個(gè) 系統(tǒng)中尤為重要的模塊。zigbee通信的實(shí)時(shí)性以及最大接入點(diǎn)是決定跟蹤系統(tǒng) 整體性能的關(guān)鍵2,文中主要介紹其組成原理以及軟硬件 設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的分析，驗(yàn)證zigbee無(wú)線 通信在距離200 m,接入節(jié)點(diǎn)16個(gè)的基礎(chǔ)上，測(cè)試精度提高 到0.5 us,并且可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。1基于zigbee多天幕靶接入的工作原

4、理測(cè)量彈丸飛行速度是利用天幕靶探測(cè)其到達(dá)空間某一 預(yù)訂位置時(shí)刻進(jìn)而得出的，當(dāng)在全彈道測(cè)試中，終點(diǎn)效能評(píng) 估時(shí)，具有遠(yuǎn)程控制、可靠性強(qiáng)等新功能的天幕靶是需解決 的問(wèn)題。在測(cè)試彈丸飛行速度之前，首先要通過(guò)zigbee的 遠(yuǎn)程控制使得各天幕靶的狀態(tài)參數(shù)，如：亮度、噪聲等調(diào)整 到統(tǒng)一的正確的位置；當(dāng)彈丸飛越天幕，記錄其觸發(fā)時(shí)刻信 息后，天幕靶信號(hào)處理裝置中的zigbee無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)就會(huì) 將此數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)；當(dāng)某一臺(tái)靶出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，也可以通過(guò) 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)反饋給上位機(jī)，做出及時(shí)調(diào)整。此外，監(jiān)控各天幕 靶信號(hào)處理裝置的電源溫度及電壓的參數(shù)也是通過(guò)此網(wǎng)絡(luò) 傳送至上位機(jī)。由此一來(lái)，在終點(diǎn)效能評(píng)估時(shí)可以全程監(jiān)控 設(shè)備

5、的運(yùn)行狀態(tài)是否良好，可靠性有了很大的保證。2 zigbee無(wú)線控制的設(shè)計(jì)方案zigbee無(wú)線通信模塊是整個(gè)信號(hào)處理裝置的重要組成 部分，同時(shí)也是決定系統(tǒng)穩(wěn)定性，可靠性能的關(guān)鍵部件。根 據(jù)系統(tǒng)需求的分析，課題采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器, 少量路由器以及若干網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng) 絡(luò)的管理工作，而終端設(shè)備把數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)給協(xié)調(diào) 者。zigbee無(wú)線通信的系統(tǒng)效果如圖2所示，在協(xié)調(diào)者的無(wú) 線覆蓋范圍之內(nèi)，布置若干網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)3,各個(gè)終端節(jié) 點(diǎn)傳遞網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器再通過(guò)全球移動(dòng)通信 系統(tǒng)(giobal system for mobile, gsm)的遠(yuǎn)程控制傳輸 數(shù)據(jù)到

6、服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互相通信以及管理。3硬件平臺(tái)以及軟件平臺(tái)的選擇3. 1硬件平臺(tái)zigbee網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備的通訊 模塊的硬件都基本相同，文中采用較成熟的zigbee開(kāi)發(fā)模 塊作為主要電路的借鑒依據(jù)，設(shè)計(jì)課題的硬件設(shè)計(jì)方案。該zigbee開(kāi)發(fā)模塊為達(dá)泰電子的dtd253_emk和 dtd2x3_em,主要包括：(1) dtd253b模塊，其使用2.4 ghz的頻段，集成了 8051內(nèi)核，方便開(kāi)發(fā)測(cè)試，是整個(gè)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)的核心；(2) ttl串口以及多個(gè)i/o, a/d接口；(3) 仿真器usb接口，用于跟電腦連接并可以給板子 供電，仿真器debug接口可以對(duì)dtd2x3_

7、em模塊進(jìn)行下載調(diào) 試等；(4) 集成了溫度傳感器，串口以及模擬a/d電路等， 方便用戶的開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)。(5) 獨(dú)立天線，在cc2530片上系統(tǒng)中集成了射頻功能。其中cc2530是一個(gè)為無(wú)線應(yīng)用設(shè)計(jì)的真正的低能耗無(wú) 線片上系統(tǒng)3,它的內(nèi)核是加強(qiáng)的8051內(nèi)核，集成了 32 kb 的系統(tǒng)可編程flasho3.2軟件平臺(tái)iar embedded workbeneh 是 iarsystems 公司為 arm 微 處理器開(kāi)發(fā)的一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(下面簡(jiǎn)稱(chēng)iarewarm)。比 較其他的arm開(kāi)發(fā)環(huán)境，iarewarm具有入門(mén)容易、使用方便 和代碼緊湊等特點(diǎn)。iarewarm的c/c+交叉編譯器和調(diào)試器是目

8、前世界最完 整的和最容易使用的專(zhuān)業(yè)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具。ew對(duì)不同的 微處理器提供相同直觀用戶界面。iarewarm目前已經(jīng)支持 35種以上的8位/16位/32位arm的微處理器結(jié)構(gòu)oiarewarm 包括：嵌入式c/c+優(yōu)化編譯器，匯編器，連接定位器，庫(kù) 管理員，編輯器，項(xiàng)目管理器和c-spy調(diào)試器。使用iarewarm 的編譯器最優(yōu)化最緊湊的代碼，節(jié)省硬件資源，最大限度地 降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。4 zigbee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的核心，關(guān)鍵在于ieee802. 15. 4/zigbee協(xié)議的理解 和軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，軟件功能結(jié)構(gòu)分別包括：硬件驅(qū)動(dòng)，phy 層，mac

9、層，nwk層，apl層，系統(tǒng)資源管理和用戶應(yīng)用層4。(1) phy層的實(shí)現(xiàn)。phy層主要實(shí)現(xiàn)信道選擇；信道能 量檢測(cè)ed；接收包鏈路質(zhì)量lqi的檢測(cè)；空閑信道評(píng)估cca； 無(wú)線信道收發(fā)數(shù)據(jù)ppduo(2) mac層的實(shí)現(xiàn)。mac層處于nwk層和phy層之間， 它的主要功能如下：處理mpdu數(shù)據(jù)；利用csam-ca機(jī)制共 享物理信道；數(shù)據(jù)應(yīng)答重傳機(jī)制；de、active和0prahn三 種掃描機(jī)制；關(guān)聯(lián)和退出關(guān)聯(lián)功能5。該層實(shí)現(xiàn)phy和nwk 之間的聯(lián)系，處理來(lái)自這兩層的所有請(qǐng)求。(3) nwk層的實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)層(nwk)位于媒體訪問(wèn)控制 層(mac)和應(yīng)用層(apl)之間，是zigbee協(xié)議棧的

10、核心 部分6,主要功能如下：網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(npdu)處 理；組網(wǎng)管理以及路由管理。(4) 系統(tǒng)資源管理。主要包含了存儲(chǔ)空間的管理和定 時(shí)器的管理，而存儲(chǔ)空間的管理采用了一種各模塊之間共享 緩沖區(qū)的方法進(jìn)行通信，每個(gè)模塊具有一個(gè)執(zhí)行函數(shù)，用于 接收來(lái)自底層模塊的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)接收階段，底層模塊將接 收到的數(shù)據(jù)幀在本層解析后，將需要向上層模塊發(fā)送的數(shù)據(jù) 存放在共享的接收緩沖區(qū)，同時(shí)通過(guò)全局變量的形式向上層 模塊提供指示原語(yǔ)；在上層模塊的執(zhí)行函數(shù)中7,首先通 過(guò)判斷來(lái)自底層模塊的指示原語(yǔ)確定的方式。(5) apl層的實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用層技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要包括aps層的 apdu包處理、aps層提供的綁定表管理

11、、af實(shí)現(xiàn)的msg和 kvp數(shù)據(jù)包處理以及zd0c8的設(shè)備發(fā)現(xiàn)和服務(wù)發(fā)現(xiàn)。課題中軟件的設(shè)計(jì)(協(xié)議的實(shí)現(xiàn))是用c語(yǔ)言編寫(xiě)的， 下面給出一個(gè)應(yīng)用例子的流程圖(見(jiàn)圖3)：5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析測(cè)試的目的是為了檢驗(yàn)整個(gè)天幕靶信號(hào)處理裝置測(cè)試 的過(guò)程中通信協(xié)議是否能正常工作，是否可以達(dá)到所要求的 通信距離和速率的指標(biāo)，以及通信協(xié)議的抗干擾性。測(cè)試系 統(tǒng)中包含兩個(gè)方面，一個(gè)為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集傳感器 的模擬數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線通信發(fā)射出去；另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者, 負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理以及接受終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并顯示 在計(jì)算機(jī)上。測(cè)試結(jié)果為:(1) 當(dāng)室外進(jìn)行通信時(shí)，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀 態(tài)，并且顯示在計(jì)算機(jī)上；(

12、2) 減少了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中因長(zhǎng)線傳輸造成的噪聲干 擾，在gps共同作用下精度達(dá)到0.5 us；(3) 用路由轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，傳輸距離增加，但性能不穩(wěn)定， 需要改進(jìn)。圖4所示為設(shè)備運(yùn)行中采集到的電壓的狀態(tài)。6結(jié)論通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以知道采用zigbee無(wú)線通 信模塊，在全彈道測(cè)試中以及外彈道多點(diǎn)區(qū)截測(cè)速中配合天 幕靶的測(cè)時(shí)功能，將多個(gè)天幕靶接入到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，從而 實(shí)現(xiàn)了天幕靶測(cè)時(shí)的實(shí)時(shí)性的要求，使得其在測(cè)量彈丸飛行 速度的時(shí)候可將數(shù)據(jù)第一時(shí)間反應(yīng)到專(zhuān)業(yè)人員手上。同時(shí)在 測(cè)試的過(guò)程中，對(duì)各天幕靶進(jìn)行狀態(tài)上的監(jiān)控，在出現(xiàn)狀況 時(shí)可以及時(shí)的作出調(diào)整，節(jié)省了很多時(shí)間以及彈藥，大量試 驗(yàn)驗(yàn)證該設(shè)計(jì)系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。參考文獻(xiàn)：1 李邦祥，王忠鋒，于海斌.zigbee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層的設(shè) 計(jì)與實(shí)現(xiàn)j嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用，2005, 41 (11)： 41-43.2 陳聰，馮玉林，施惠i. zigbee和wi-fi的干擾和 共存j.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006, 27 (18)： 3397-3399.3 張周，周劍揚(yáng)，門(mén)沫.zigbee在智能家居系統(tǒng)中 的應(yīng)用研究j.工業(yè)控制計(jì)算，2006, 19 (2)： 7-9.4 瞿雷，劉盛德，胡咸斌.zigbee技術(shù)及應(yīng)用m. 北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2007.5 凌志浩.zigbee無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用研究j.華 東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科