沖擊波測試中無線同步上電系統的設計

岳 瑤，張 瑜，劉雙峰

(中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051)

為了衡量大當量戰斗部的殺傷力，需要沖擊波測試系統來測量這類武器的空氣靜爆威力，沖擊波測量目前常用的方法主要是存儲測試法［1－2］，但是沖擊波超壓測試系統中，由于測試節點眾多并且呈輻射狀分布，傳統采用人工方法對各個測試節點分別上電的方式，不僅準備工作量大、布置現場花費時間長，并且對于本身能量有限的電池供電的測試系統來說，造成了大量的能量浪費。在文獻［3－4］中提出了一種無線式的沖擊波超壓測試系統，但是該方案中無線模塊往往使用封裝好私有通信協議的無線芯片，雖然使用簡便但是功能較為單一，尤其是在網絡拓撲方式上缺乏靈活性，通常使用星型組網方式由1 km之外的中心節點進行周期性重復廣播發送命令，在實際靶場測試中，由于過遠的傳輸距離和重復性的廣播，無法保證令所有測試節點同時觸發，偶爾會出現未觸發成功的節點。因此，本文基于IEEE802.15.4標準的Zigbee協議設計了專用于沖擊波超壓測試的一種無線通信協議，該協議能夠根據沖擊波超壓測試的實際需求，很好地解決了終端節點和時基節點的同步上電問題，通過分析所測的數據可以得出沖擊波波陣面由爆心至測試節點的近似時間，具有一定的參考意義。

1 系統總體構成

沖擊波超壓測試系統設計總體框圖如圖1所示。

信號的采集與存儲電路是整個測試系統的核心。整個系統的邏輯時序控制芯片采用FPGA，傳感器選擇PCB公司的113B28型號的ICP壓電式壓力傳感器。A/D模塊采用14 bit A/D轉換器AD7484，最高采樣頻率為3 MHz，可以滿足系統工作的最高采樣頻率 1 MHz。光纖模塊采用OCB6343/OCB2343型收發合一模塊，可以有效地防止外界噪聲導致系統誤觸發以及外界噪聲疊加在信號中進入 A/D 采集電路中［5－6］。

圖1 系統設計總體框圖

無線通信模塊選擇具有低功耗、低成本特點的ZigBee芯片CC2530。無線模塊的作用主要是完成控制中心與終端測壓節點之間的無線命令傳輸，從而對終端測壓節點進行參數設置和無線上電。

2 無線模塊

2.1 硬件構成

無線模塊主要由射頻芯片CC2530和射頻前端芯片CC2591組成，該模塊的各項參數特點如表1所示。

表1 無線模塊各個參數

2.2 誤碼率仿真

CC2530的 Zigbee技術基于 IEEE802.15.4 標準，該標準的2.4 GHz物理層使用了16相準正交調制，即使用DSSS(直接序列擴頻)技術將原始比特流映射成準正交PN序列然后通過O-QPSK(偏移－四相相移鍵控)調制方式，再將調制信號混頻到2.4 GHz頻段進行發送和接收。CC2530內部編碼及調制部分流程圖如圖2所示［7］。

在MATLAB中對調制系統的各個環節進行仿真，得到了使用DSSS和O-QPSK調制的信號在加性高斯白噪聲信道(AWGN)中的誤比特率(BER)和信噪比(Eb/N0)的關系［8－9］，如圖 3 所示，從圖中可以看出，在信噪比20 dBm時誤比特率只有不到10－5。

圖2 CC2530內部信號編碼及調制方式

圖3 OQPSK在AWGN信道中誤碼率仿真

2.3 信道建模

為了得到2.4 GHz無線信號在平坦陸地上LOS(Line of Sight)視距傳輸的損耗，在比較了傳統的無線近地傳播模型(自由空間模型、Plane-Earth模型和Egli模型)后，基于實測數據，得到了一種基于單斜率模型的改進型——雙斜率模型［10］:

其中L(d)為收發點距離d時的鏈路損耗，db突變點距發送點的距離，ε1ε2為均值為零標準差為σ1和σ2的高斯隨機變量，具體各個參數值詳見文獻［10］。

接收節點接收到的信號強度為:

Gt和Gr分別為發送端和接收端的天線增益，這里都使用3 dBi的增益天線。Pr(dBm)隨傳輸距離的變化情況如圖4所示。

圖4 接收功率Pr(dBm)與距離(m)的關系

2.4 實地測試

為了測試無線模塊的實際性能，選取了一條平直空曠的公路，并且在行人較少的時間段進行測試，天線高度為距離地面1 m，發送和接收天線之間視距傳輸，測試丟包率如下表2所示。

表2 測試距離和丟包率

當接收端存在誤碼時，校驗和判斷錯誤并且自動丟棄該數據包，所以數據包越大，有可能產生的丟包率也就越大，由表中可以看出，當距離為100 m時，沒有丟包產生，300 m時能夠以極低的丟包率傳輸，700 m時的丟包率雖然達到4.8%，但是在對于傳輸速率要求不高的情形時，可以通過丟包重傳的方式，來穩定地進行通信。當距離達到900 m時，信號能量衰減所產生的丟包率已經很高。

3 系統關鍵技術

3.1 無線通信協議

為了保證測試人員的安全，系統設計要求控制中心距離爆心1 km的范圍之外，而過遠的距離會導致信號的大幅度衰減和嚴重的誤包率，因此需要一個中繼節點，來延長并保證信號強度。由測試數據分析，選取匯聚節點到中繼節點間的距離為700 m，中繼節點距爆心的距離為300 m。系統節點分布如圖5所示。

圖5 無線控制系統分布示意

此無線上電觸發系統使用一種類似星形的網絡拓撲結構，總共分為三個工作流程。

流程一:對應圖5中①?？刂浦行耐ㄟ^串口將終端節點編號幀和上電配置幀傳輸至匯聚節點，匯聚節點將其單播至中繼節點，中繼節點接收成功并向匯聚節點回饋ACK應答幀，否則發送失敗，匯聚節點通過ARQ(自動請求重傳)模式重新發送。

流程二:對應圖5中②和③。中繼節點接收到來自匯聚節點的命令幀后，向終端測壓節點和時基節點廣播一次上電配置幀，上電配置幀包括觸發電平和采樣頻率的配置。終端測壓節點和時基節點成功接收后，開啟內部計時器同時向中繼節點回饋ACK應答幀。

流程三:對應圖5中④。中繼節點接收到所有終端節點和時基節點的ACK應答幀后，即認為所有節點上電成功，并將成功幀單播至匯聚節點。否則認為上電失敗，中繼節點向匯聚節點發送失敗幀，同時向終端測壓節點廣播下電命令幀，終端測壓節點復位至低功耗空閑模式同時時基節點計時器清零。

本方案使用的無線廣播同步模式類似于RBS(Reference Broadcast Synchronization)同步算法，當廣播范圍相對較小，電磁波的傳播速度約為光速，誤差的來源主要是接收時間的不確定性，其誤差范圍在 10 μs ～ 60 μs［11］。

3.2 超壓到達時間

終端測壓節點用來記錄沖擊波超壓數據，在無線觸發上電前，處于低功耗空閑模式，系統處于接通電源態，但未開始循環采樣，處于待采樣狀態。當終端測壓節點通過無線接收到上電配置幀后，對FPGA進行參數配置同時開啟內部計時器，延遲5 s后關閉無線模塊防止爆轟區對測試電路的影響，并進入2 MB的負延遲循環采樣狀態，待沖擊波超壓信號到來后，存儲8 MB超壓數據和2 MB的負延遲到FLASH中，采樣結束并停止內部計時器，系統進入低功耗待讀數狀態。

時基節點被安置在距離爆心不遠處，此節點使用光敏傳感器來觸發定時結束，記錄起爆點的爆炸時刻，通過終端節點計時模塊的計時時長減去時基節點的計時時長，可得到沖擊波波陣面傳播至終端節點的近似時間。

4 實驗結果

為了測試該系統的性能，選取一爆炸試驗場地對測試系統進行1 kg TNT實驗，選取3個終端測試節點和1個時基節點分別安置于距離爆心4 m的圓弧上，無線控制中心位于距爆心1 km的遠處，中繼節點距離爆心300 m。

實驗數據通過MATLAB整理［12］如圖6所示，三個節點的超壓峰值到達時間分別是6.716 ms、6.388 ms、6.428 ms，各測點測得的時間不確定度在0.3 ms以內，對于研究沖擊波波陣面的傳播到達時間，具有一定的參考意義。

該方法通過設計了合理的網絡拓撲結構和通信協議，并將時基節點和計時模塊引入測試系統，利用了無線廣播低延遲的同步特性，提高了系統整體上電的同步性和可靠性并且降低了準備階段的節點功耗，得到了波陣面傳播至終端測試節點時間的近似值，而且測試節點越多，越能顯示出無線組網的優越性，具有一定的應用價值。

圖6 實驗結果

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