一種新的裝備信息無線傳輸系統設計

曹 森 張蕉蕉 郭堅毅 練偉強

(解放軍理工大學工程兵工程學院1，江蘇 南京 210007;南京軍區73602部隊2，江蘇 南京 210007)

0 引言

裝備信息自動采集傳輸是我軍裝備管理工作實現自動化和信息化的起點。長期以來，我軍部隊裝備信息輸出仍以指針式儀表為主，信息化程度滯后于當前國內外比較先進的民用工程裝備水平;部隊裝備管理自動化水平不高，特別是一些偏遠地區部隊，裝備的日常管理工作大量依賴人工作業，采取手工記錄，然后交由上級部門統計，存在難以及時統計上報、效率低下、原始數據不精確等問題。車輛行駛記錄儀不僅能記錄并存儲車輛相關信息，而且還能與管理中心實現實時數據傳送，使車輛實時處于管理中心的監控中[1]。

針對上述問題，本文對原有工程裝備進行信息化改造，設計了裝備信息記錄儀，用于實時采集裝備信息。在此基礎上，基于CC2510單片機的無線通信功能，設計一個無線通信系統，實現了裝備信息的實時傳輸，這對提高裝備信息的自動采集傳輸效率具有重要作用。

1 總體設計

裝備信息傳輸主要有兩種方式：一是通過GSM、GPRS(CDMA)等遠程數據通信方式實現裝備信息的實時傳輸;二是在裝備信息記錄儀中預留USB或串口，通過這些接口將裝備信息生成數據文件上報。在這兩種方式中，前者不符合部隊裝備的保密安全需要，而后者存在操作復雜、自動化程度不高、實時性差等問題。本文借鑒了飛機“黑匣子”的設計思想，設計了基于CC2510的裝備信息無線傳輸系統，實現了裝備信息的自動傳輸。系統總體結構圖如圖1所示[2]。

圖1中，虛線部分表示的是無線通信子系統，各裝備信息采集器及裝備信息采集控制器之間的通信都基于CC2510通信模塊。

2 硬件設計

裝備信息無線傳輸系統選用CC2510作為信息處理與無線通信模塊的核心控制器。無線通信部分使用CC2510自帶的RF無線收發功能模塊CC2500，可實現低速數據輸入、高速數據輸出。CC2510集成了一個高度可配置的調制解調器。

系統電路設定為2 400～2 483.5 MHz的ISM(工業、科學)和SRD(短距離設備)頻率波段。通過開啟集成在調制解調器上的前向誤差校正選項，使性能得到提升[3－6]。

系統電路如圖2所示。XOSC_Q1和XOSC_Q2腳之間連接26 MHz晶體，作為系統高速時鐘源。振蕩器為晶體的平行模式操作而設計。低速時鐘源一般作為看門狗時鐘源，采用低功耗32.768 kHz晶體振蕩器。晶體負載電容(C15和C16)是必需的。載電容值由總負載電容量CL決定。在指定頻率下，為使晶體振蕩，晶體兩端的總負載電容值應該等于CL。寄生電容由引腳輸入電容和PCB漂移電容所組成。總寄生電容典型值為2.5 pF。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配器件的輸入/輸出阻抗，使其輸入/輸出阻抗為50 Ω，發射部分經過前端π型匹配網絡向50 Ω天線饋電。CC2510上還預留一些端口，用于從外設的數據采集器中讀取數據。

圖2 系統電路Fig.2 Systematic circuit

抗干擾設計直接關系到射頻性能和整機的運行。由于工作頻率較高，所以設計了以CC2510芯片為中心的應用電路，各元器件緊靠CC2510，從而盡可能減少分布參數的影響。在PCB布線時，CC2510芯片底部應保持良好接地，并盡量多打一些通孔，使頂層和底層的地能夠充分接觸、空余部分大面積連續接地[7]。電源線最好從電源主節點呈樹狀引出不同分支的電源線為每個電源引腳供電，使引腳間產生空間上的隔離，以減小彼此之間的耦合。同時可使用多個去耦電容、旁路電容濾波，以保持電源的純凈。

3 信息傳輸通信協議

3.1 通信協議總體設計

裝備信息數據采集器與記錄儀間的數據報文分為廣播報文幀和點對點數據報文幀2類。由于CC2510中的CC2500接收器可以對收到的數據進行數據包的硬件解析和地址過濾(只接收發送到本機的地址以及廣播的數據包)等，這樣可以方便地實現廣播發送和點對點的通信。由于CC2510模塊集成了硬件數據處理器，便于對發送和接收的數據進行白化、同步、CRC校驗等處理。

廣播報文幀和點對點的報文幀在格式上是一樣的，只是發送地址不同：當發送地址是0或255時，發送的是廣播數據幀;否則，發送的就是到某個地址的點對點的報文幀。

報文由報文長度、接收方地址及后續數據組成。具體數據報文格式如圖3所示。

圖3 報文格式Fig.3 Format of message

采集控制器與裝備信息記錄儀之間的無線通信命令格式如圖4所示。

圖4 無線通信命令格式Fig.4 Format of wireless network

圖4中，len為不含自身的至crc的字節數;crc為校驗數據，其值為從len至crc的所有數據累加和。返回命令串也遵循上述格式，只是對命令號進行修改：cmdNo=發送的原命令值+0x11。

若查詢記錄儀當前的時間為：2009年3月17日22時37分58秒，要采集這個數據，則發送命令：AA 55 09 20 09 03 17 22 08 37 58 crc，返回命令：AA 55 09 31 09 03 17 22 08 37 58 crc。

所有時間均采用BCD碼表示(上述數據為16進制)。

3.2 點對多點通信設計

無線傳輸系統通信設計是實現數據傳輸的關鍵。根據本系統傳輸需求，設計滿足系統要求的數據通信是本文研究的重點和難點。

①由于所有裝備信息記錄儀上的無線模塊都工作在同一頻段，當多個裝備進入無線采集區時，采集器與記錄儀間的通信變成了點對多點的通信。為了避免同頻干擾及數據源混亂的問題，系統采用不同頻率收發和廣播的方式來解決這個矛盾。由采集器發送廣播查詢命令，查詢在天線有效覆蓋范圍內有沒有記錄儀存在。

②當記錄儀收到該廣播后，準備好回送的數據，在等待一定時間后，將包含本記錄儀編號、采集的裝備信息通過另外的信道發送給采集器。

③采集器收到該記錄儀發來的信息后，一方面保存該信息，將相關數據通過TCP/IP(或RS-232)等方式傳遞給PC機;另一方面，采集器又向該記錄儀發送點對點的消息幀，通知該記錄儀已經收到所發送的數據幀，在設定時間內(如10 s)不再回應采集器所發來的廣播命令。

④如果有多個記錄儀同時響應廣播命令而發送數據，造成采集器不能正確接收數據，采集器會繼續廣播詢問，直到接收到某個記錄儀發來的完整數據，然后重復步驟③。

⑤由于采集器和記錄儀之間的通信速率很高(100 kbit/s)，而記錄儀每次響應廣播后回送的數據很少(24 B)，同時已經成功發送過數據的記錄儀在近期內不會再響應采集器的廣播命令，所以在隨機的時間內，采集器可以采集采集區內的所有記錄儀的全部信息。

⑥如果需要查詢某個記錄儀的詳細信息，還可以通過發送點對點的查詢命令幀，來進一步查詢該記錄儀的詳細數據，其他記錄儀不會響應該命令幀。

上述方法運用主動呼叫原理，將數據中心與無線監測終端之間點對多點通信轉換成點對點通信，從而有效解決了點對多點通信之間產生的干擾和沖突問題。

當采集區內存在多個裝備(不大于30個)時，可以保證采集器將所有裝備的信息采集回來，并將數據傳遞給PC進行存儲和處理。

4 系統無線傳輸軟件設計

設計的裝備信息無線傳輸流程如圖5所示[8－9]。

圖5 裝備信息無線傳輸流程圖Fig.5 Wireless transmission flowchart of equipment information

在無線傳輸流程中，先對裝備信息記錄儀的CC2510模塊進行初始化，設定本機地址，然后進入接收狀態;系統開始查詢是否收到命令。若沒有收到命令，則繼續查詢;若有收到命令，則先判斷是否為廣播命令。如若不是廣播命令，則進入點對點接收狀態，根據不同的命令記錄生成相應的數據直接發送，然后再次進入接收狀態;若是廣播命令，則判斷本機是否已經響應過該廣播。如已響應，則繼續等待接收命令;如沒有響應，則取出裝備信息，進行回應，為了避免沖突，延時隨機的時間發送回應數據，然后再次進入接收狀態。

5 結束語

基于CC2510的裝備信息無線傳輸系統設計，對裝備信息數據進行傳輸是本文的創新之處。采用無線傳輸，在給部隊內部數據傳輸帶來便利的同時降低了成本和功耗，也大大提高了工作的靈活性和響應速度，能可靠地實現點對多點的可靠通信，較好地解決了裝備信息自動采集的問題。該系統已在多個部隊中加以應用，為裝備管理節省了大量的人力、物力，贏得了廣泛好評。

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