爆炸沖擊波超壓無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬游春，葉思楠，郭 鑫，陳韶康

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)和各類軍事行動(dòng)中，爆炸沖擊波是評(píng)估炸彈威力的一個(gè)關(guān)鍵物理量[1]，存儲(chǔ)測(cè)試法具有測(cè)試裝置體積小、耐惡劣環(huán)境、無(wú)需測(cè)試引線、不易受爆炸破片影響等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于野外爆炸沖擊波測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)[2]。對(duì)于該測(cè)試方法，通常在爆炸試驗(yàn)場(chǎng)布置眾多沖擊波超壓記錄儀裝置，而傳統(tǒng)沖擊波超壓記錄儀只配有串口[3]，操作人員需在試驗(yàn)前親臨試驗(yàn)場(chǎng)逐個(gè)對(duì)測(cè)試裝置的啟動(dòng)、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)復(fù)位等進(jìn)行配置[4]，爆炸后再次到試驗(yàn)場(chǎng)利用上位機(jī)軟件逐個(gè)讀取記錄儀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，耗費(fèi)大量的人力。因此在原有沖擊波超壓記錄儀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一套穩(wěn)定并且方便快捷的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方案顯得極為重要。

在選用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)方面，無(wú)線網(wǎng)橋（wireless bridge）傳輸速率高、發(fā)射功率較大、傳輸距離遠(yuǎn)[5]。考慮到在沖擊波超壓數(shù)據(jù)吞吐量較大、爆炸場(chǎng)終端與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備距離較遠(yuǎn)，無(wú)線網(wǎng)橋成為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸功能最理想的設(shè)備。

因此，本文在傳統(tǒng)沖擊波超壓記錄儀基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于FPGA 的串口-網(wǎng)口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊使其接入以太網(wǎng)，并搭建由無(wú)線網(wǎng)橋、PC 機(jī)、記錄儀裝置和串口-網(wǎng)口轉(zhuǎn)換模塊組成的無(wú)線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。該系統(tǒng)在傳輸距離不超過1500 m 時(shí)獲得3 Mbps 的穩(wěn)定傳輸速率，且該系統(tǒng)具有布放靈活、成本經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，大大減輕了對(duì)記錄儀數(shù)據(jù)讀取的工作量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

爆炸沖擊波超壓數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)主要包括終端和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備兩部分，圖1 為系統(tǒng)工作示意圖。在帶有網(wǎng)口的PC 機(jī)上部署爆炸沖擊波超壓測(cè)試上位機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)沖擊波超壓記錄的控制與數(shù)據(jù)回傳；沖擊波超壓記錄儀連接串口-網(wǎng)口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊接入以太網(wǎng)，所設(shè)計(jì)的沖擊波超壓數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)的終端與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間采用無(wú)線網(wǎng)橋通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 系統(tǒng)工作示意圖Fig.1 System working diagram

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)

2.1 串口-網(wǎng)口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

串口-網(wǎng)口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)口接收控制命令，轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)對(duì)記錄儀進(jìn)行控制；串口接收由記錄儀存儲(chǔ)的沖擊波超壓信息，轉(zhuǎn)換為網(wǎng)口數(shù)據(jù)包發(fā)送給上位機(jī)。該模塊由FPGA 主控、RS422 接口芯片、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)芯片、RJ45 以太網(wǎng)接口等功能模塊組成，其電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 電路結(jié)構(gòu)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(dá)200 MHz[6]。運(yùn)用其中的一路USART 通道與RS422接口芯片連接；FPGA 內(nèi)部包含了以太網(wǎng)MAC 控制層，使用以太網(wǎng)控制芯片實(shí)現(xiàn)物理層數(shù)據(jù)收發(fā)。

網(wǎng)口主要由物理層接口（PHY）與MAC 控制器構(gòu)成，以太網(wǎng)芯片選擇Realtek 公司的10/100 M 的物理層收發(fā)芯片RTL8201CP，本文配置100 M 的傳輸速率，該芯片保持IEEE802.3 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)支持MII模式[7]，使用該模式與FPGA 相連實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，具體原理圖如圖3 所示，并且通過RJ45網(wǎng)口與無(wú)線網(wǎng)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?yàn)槟繕?biāo)裝置為RS422 公頭，所以需要設(shè)計(jì)RS422 接口電路，其電路如圖5 所示。為了簡(jiǎn)化電路和降低設(shè)計(jì)成本，RS422 接口芯片選擇低功耗收發(fā)芯片MAX3490EESA，全雙工，波特率可達(dá)12 Mbps，具有靜電放電（electro-static discharge，ESD）保護(hù)功能，發(fā)送器輸出、接收器輸入保護(hù)功能。輸出的差分信號(hào)Rx+、Rx-、Tx+、Tx-分別對(duì)應(yīng)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(wú)線網(wǎng)橋模塊

無(wú)線網(wǎng)橋模塊作為無(wú)線鏈路的實(shí)現(xiàn)方式，負(fù)責(zé)對(duì)上位機(jī)和串口-網(wǎng)口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中繼進(jìn)行橋接。沖擊波超壓系統(tǒng)工作時(shí)數(shù)據(jù)最大吞吐量為3 Mbps，且考慮到系統(tǒng)后續(xù)維護(hù)與可擴(kuò)充性，選取了一款百兆與千兆兼容的網(wǎng)橋。經(jīng)過各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比最終選用了TR2405G 型號(hào)無(wú)線網(wǎng)橋作為橋接工具。

無(wú)線網(wǎng)橋傳輸過程為透明傳輸，在無(wú)線網(wǎng)橋發(fā)射端和接收端配對(duì)好確保在同一條鏈路，使串口-網(wǎng)口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和PC 機(jī)處于同一網(wǎng)段，用戶無(wú)需關(guān)心網(wǎng)橋之間的底層。

3 關(guān)鍵模塊軟件設(shè)計(jì)

3.1 串口-網(wǎng)口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

設(shè)計(jì)了由FPGA 控制串口、UDP/IP 網(wǎng)口數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，同時(shí)設(shè)計(jì)使用SD 卡啟動(dòng)程序、存儲(chǔ)IP地址，方便后續(xù)對(duì)IP 地址修改。

該模塊上電后，會(huì)讀取SD 卡存儲(chǔ)的BOOT 文件啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)。系統(tǒng)工作后，會(huì)讀取SD 卡中提前存儲(chǔ)的IP 地址傳送給網(wǎng)口的相關(guān)模塊。當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)后，會(huì)判斷是否接收到1024 字節(jié)，若接收到則啟動(dòng)網(wǎng)口數(shù)據(jù)發(fā)送，若沒接收到，則判斷是否超過10 ms 未接收數(shù)據(jù)，若超過10 ms 未接收到數(shù)據(jù)也啟動(dòng)網(wǎng)口數(shù)據(jù)發(fā)送，將接收到的串口數(shù)據(jù)以網(wǎng)口數(shù)據(jù)發(fā)送。當(dāng)網(wǎng)口接收數(shù)據(jù)時(shí)，接收完一幀數(shù)據(jù)，解析其數(shù)據(jù)，取出有效數(shù)據(jù)后啟動(dòng)串口發(fā)送。該模塊軟件工作流程如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)工作流程Fig.6 System working flow chart

3.2 無(wú)線網(wǎng)橋模塊

TR2405G 型號(hào)無(wú)線網(wǎng)橋以5.8 GHz 作為載波頻段，理論帶寬可達(dá)867 MHz。該網(wǎng)橋在進(jìn)行多鏈路組網(wǎng)時(shí)，不同的鏈路處在不同的信道，各個(gè)信道之間無(wú)相互沖突。網(wǎng)橋匹配時(shí)通常設(shè)置為一對(duì)一模式，將需要匹配的網(wǎng)橋同時(shí)開啟，用網(wǎng)線將接收網(wǎng)橋和電腦相連，登錄Web 管理界面可實(shí)時(shí)查看網(wǎng)橋的匹配狀態(tài)、當(dāng)前信道質(zhì)量、頻譜干擾、當(dāng)前數(shù)據(jù)吞吐量等各項(xiàng)工作參數(shù)。該型號(hào)無(wú)線網(wǎng)橋參數(shù)如表1所示。

表1 無(wú)線網(wǎng)橋參數(shù)Tab.1 Wireless bridge parameters

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 測(cè)試平臺(tái)搭建

沖擊波超壓無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件包括：沖擊波超壓記錄儀、數(shù)據(jù)線、串口-網(wǎng)口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、網(wǎng)線、網(wǎng)橋和PC 機(jī)等。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7 所示，左側(cè)為終端，右側(cè)為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，將系統(tǒng)硬件按照通信關(guān)系正確連接各個(gè)模塊。具體硬件連接步驟如下：

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.7 Physical system diagram

（1）沖擊波超壓記錄儀通過數(shù)據(jù)線與串口-網(wǎng)口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊連接；

（2）串口-網(wǎng)口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊通過網(wǎng)線連接網(wǎng)橋；

（3）遠(yuǎn)程終端PC 機(jī)通過網(wǎng)線連接網(wǎng)橋。

然后進(jìn)行軟件設(shè)置，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)軟件包括：虛擬串口軟件USR-VCOM.exe 和爆炸沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)軟件。將2 個(gè)軟件安裝在PC 機(jī)上，并對(duì)軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，具體步驟如下：

（1）在虛擬串口軟件USR-VCOM 添加對(duì)應(yīng)沖擊波超壓記錄儀中繼的虛擬串口，如圖8 所示，目標(biāo)IP 地址192.168.1.102 為串口-網(wǎng)口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊本機(jī)地址；

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

（2）對(duì)添加的虛擬串口設(shè)置虛擬地址，如圖9所示；

圖9 設(shè)置虛擬地址Fig.9 Setting a virtual address

（3）設(shè)置爆炸沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)軟件，端口號(hào)設(shè)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(shù)設(shè)置Fig.10 Set terminal virtual serial port parameters

4.2 傳輸距離測(cè)試

完成系統(tǒng)硬件搭建與軟件設(shè)置后，為了保證本系統(tǒng)在真實(shí)爆炸場(chǎng)環(huán)境中能夠正常工作，需要對(duì)無(wú)線網(wǎng)橋的傳輸距離進(jìn)行測(cè)試，選擇空曠的地點(diǎn)，建立信號(hào)強(qiáng)度和最長(zhǎng)穩(wěn)定通信距離之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由記錄儀串口發(fā)送速率為3 Mbps 的數(shù)據(jù)流，通過上位機(jī)軟件控制無(wú)線讀取記錄儀時(shí)間為80 ms，多次測(cè)試取平均值，計(jì)算測(cè)試結(jié)果如表2 所示。當(dāng)傳輸距離大于1500 m，由于網(wǎng)橋信號(hào)強(qiáng)度弱，導(dǎo)致無(wú)線傳輸速率降低[8]，出現(xiàn)嚴(yán)重丟包的情況，本系統(tǒng)穩(wěn)定工作的傳輸距離為1500 m。

表2 信號(hào)強(qiáng)度與傳輸距離之間關(guān)系Tab.2 Relationship between signal strength and transmission distance

4.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

在確定系統(tǒng)的傳輸距離之后，為了驗(yàn)證系統(tǒng)在該距離下能否在不同讀數(shù)時(shí)間下穩(wěn)定工作，且根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求，上位機(jī)軟件設(shè)置的讀數(shù)時(shí)間為40 ms～240 ms 之間，爆炸沖擊波超壓記錄儀存儲(chǔ)了由信號(hào)發(fā)生器生成的脈沖波，選定傳輸距離為1500 m 的測(cè)試地點(diǎn)，設(shè)置不同的讀數(shù)時(shí)間進(jìn)行無(wú)線傳輸，均無(wú)丟包情況發(fā)生，圖11 為讀數(shù)時(shí)間80 ms測(cè)試數(shù)據(jù)，圖12 為真實(shí)爆炸場(chǎng)所測(cè)得的沖擊波超壓定標(biāo)之后的數(shù)據(jù)。

圖11 80 ms 測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.11 80 ms test data

圖12 爆炸沖擊波超壓數(shù)據(jù)Fig.12 Explosion shock wave overpressure data

5 結(jié)語(yǔ)

本文保留原有對(duì)爆炸沖擊波超壓記錄儀的串口讀數(shù)方式，增加基于FPGA 的串口-網(wǎng)口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將其連入以太網(wǎng)，并且搭建基于網(wǎng)橋的無(wú)線傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)記錄儀的控制和數(shù)據(jù)無(wú)線回傳。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，數(shù)據(jù)傳輸速率為3 Mbps，傳輸距離可達(dá)到1500 m，相比較傳統(tǒng)有線讀數(shù)系統(tǒng)靈活性更高，同時(shí)此無(wú)線傳輸系統(tǒng)搭建方式為只配有串口或USB 接口的設(shè)備連入以太網(wǎng)提供了參考。