基于ARM的沖擊波測試系統的便攜終端設計?

衛 欣中北大學計算機與控制工程學院(山西太原，030051)

?

基于ARM的沖擊波測試系統的便攜終端設計
?

衛 欣
中北大學計算機與控制工程學院(山西太原，030051)

[摘 要]在沖擊波測試中，測試系統的狀態難以監測，測試參數一旦設置不當便無法現場更改；而以PC為系統的控制終端，在戶外試驗時存在操作不便、不易攜帶的缺點。針對以上問題，設計了基于ARM的便攜控制終端。利用Qt技術設計了圖形控制界面，對無線通信進行了性能測試。手持終端通過無線控制測試系統，實現了對測試系統狀態的監測、數據的無線傳輸與波形顯示。將手持終端應用于彈藥試驗，結果表明，其具有良好的可靠性和穩定性。

[關鍵詞]沖擊波；測試系統；便攜終端；ARM；Qt

[分類號] TJ510.6

引言

爆炸沖擊波是評價武器毀傷效應的重要參數，準確測量沖擊波超壓可以為彈箭威力評價、毀傷效能提供可靠依據[1-2]。目前，主要采用引線法和儲存法獲取沖擊波超壓[3-4]。儲存法彌補了引線法存在的布線繁鎖、抗干擾能力弱和信號引入噪聲等缺點[5-6]，但其不足是試驗完成后需要回收測試裝置讀取數據[7]。隨著通信技術的發展，無線技術也應用到沖擊波測試中[8-10]。由于測試條件惡劣并且爆炸具有極大的破壞性，通常將無線測試節點布置于地面。這使得無線傳輸信道變得復雜，信號衰減嚴重[11]，大大影響數據的傳輸速率和傳輸距離，甚至導致數據無線傳輸失敗。而且，測點布置好后難以獲悉其工作狀態，因人為等各種因素引起測點不在正確的狀態從而導致測試失敗時有發生。另外，測試大多在戶外進行，傳統測試系統以PC為控制終端，其成本較高、不易攜帶，操作不便[12]，使測試效率大打折扣。

本文通過研究儲存測試原理并結合無線WiFi技術，設計了基于ARM的便攜式手持終端，通過手持終端無線控制沖擊波測試系統，實現了測試系統工作狀態的監控和數據的無線讀取、儲存與顯示。手持終端還設有USB接口，當出現無線故障時可通過USB接口讀取數據，防止數據丟失，進一步提高了測試的可靠性。

1 系統總體組成

整個系統主要由沖擊波測試系統和手持終端組成，如圖1所示。

1)沖擊波測試系統。主要負責采集沖擊波信號并儲存數據。沖擊波信號經過傳感器并通過放大、濾波等調理電路的處理，再經過AD轉換成數字信號并儲存。其無線通信模塊選用新力維公司WM001S WiFi模塊，該模塊集成微控制器(MCU)和802.11 b/g 2.4GHz無線射頻收發芯片為一體，內置完整的TCP/IP協議棧，以服務器模式集成在測試系統中。另外，測試系統的USB芯片采用FTDI公司的FT245RL，實現利用USB接口將數據輸出。

2)手持終端。為節省開發周期，實現便攜，硬件平臺選用自帶3.5寸觸摸屏的ARM開發板，在此平臺上使用Qt設計圖形控制界面。該開發板的CPU采用含ARM920T內核的S3C2440，是專用于手持設備的高集成、低耗能的16/32位RISC嵌入式微處理器。板載64M SDRAM、256M Nand Flash和2M Nor Flash，板上設有4線觸摸屏接口，并連接3.5寸的電阻觸摸屏為顯示控制器，還集成了串口、網口、USB接口等通信接口。利用USB接口的RT3070無線網卡完成與測試系統的無線通信。在圖形控制界面上，通過點擊觸摸屏發送相關指令，即可實現對沖擊波測試系統的控制，完成測試任務。

2 手持終端軟件總體設計

手持終端主要工作是控制測試系統、監測測試系統的狀態、讀取與顯示獲取的數據。這些都可通過手持終端的人機交互控制界面來完成。具體內容包括:通過無線發送控制指令，設置測試系統的工作參數；通過對測試系統進行狀態掃描，獲悉測試系統的工作狀態，利用參數回讀的功能來驗證測試系統是否在正確的工作狀態。若不在設定的工作狀態(如人為因素導致的誤觸發等)，可通過設置參數的功能進行現場更改，確保測試順利進行。讀取采集到的測試數據并進行儲存，然后通過波形顯示出來。

因此，軟件設計主要包括3大模塊:USB有線通信模塊、無線通信模塊和人機界面模塊。手持終端的軟件總體結構如圖2所示。

2.1 USB驅動設計

測試系統的USB芯片選用FTDI公司的FT245RL，但并未提供其在ARM的Linux下的驅動，為實現手持終端與測試系統的USB通信，首先要完成支持Linux下的FT245RL驅動設計。USB驅動屬于字符設備驅動，可利用USB芯片的VID和PID識別不同廠家的芯片，而FT245RL芯片的VID 為0x0403，PID為0x6001。

首先找到Linux的內核源碼中的USB驅動的框架程序，根據“/drivers/usb/”目錄下的usb-skeleton.c文件，對ft245的驅動程序進行編寫，得到修改好的ft245.c驅動文件后，將該文件置于/drivers/char/的目錄下。然后對同一目錄下的“kconfig”和“Makefile”文件進行修改，在內核源碼中添加對ft245驅動支持，在終端通過＃Make menuconfig命令實現對內核的配置。再執行＃Make SUBDIR = drivers/char/modules命令編譯出驅動模塊，完成后將在/drivers/char/的目錄下發現名為ft245.ko的文件。最后將ft245.ko文件移入到開發板中，采用insmod ft245.ko命令實現動態加載。此時便實現手持終端與測試系統的USB通信。

2.2 RT3070無線網卡驅動的移植與測試。

手持終端利用USB接口的無線網卡與測試系統實現無線通信，選用以Ralink公司的RT3070芯片為核心的無線網卡。首先對官網獲取其驅動程序源碼，通過相關配置、編譯完成移植后，利用wireless_tool工具來設置無線網卡參數。測試系統無線模塊的ESSID為ubnt，IP為192.168.1.20，執行iwlist ra0 scanning命令對附近的網絡進行搜索，根據超級終端的反饋信息判斷是否能搜索到ubnt無線網絡，成功搜索到后再通過iwconfig ra0 essid ubnt命令，完成與測試系統的無線模塊網絡的關聯。在超級終端執行ping192.168.1.20的命令，來驗證無線網卡和測試系統的無線模塊之間的無線網絡是否實現連通，若兩者完成連通，說明無線網卡驅動已經移植成功，并可與測試系統進行無線通信。測試成功后，手持終端可通過無線監控測試系統。

2.3 控制界面的設計

控制界面以圖形化和傳統代碼相結合的方式，采用Qt/Embedded編程，先利用派生自QWidget的QMainWindow的子類化來完成主界面窗口的設計，再通過Qt Pesigner From Class來創建“設置參數”與“參數回讀”兩個控制界面子窗口；“數據顯示”界面則以常用的代碼編寫實現數據坐標與波形顯示的功能。“設置參數”與“參數回讀”兩個子控制操作界面分別如圖3、圖4所示。

2.4 后臺處理程序設計

主要包含USB有線通信和無線方式的兩大設計內容，以完成參數設置與回讀、數據讀取與顯示。

1)設置參數:由沖擊波經驗公式分析可知，沖擊波超壓峰值因彈藥的當量和距爆心的距離不同而變化。為了獲取完整的數據，需要根據測試要求對測試系統合理設置參數。通過發送指令，完成采樣頻率、負延時點數、觸發電平、放大倍數和數據長度等參數的設置。

2)參數回讀:通過對測試系統發送參數回讀指令，然后接收測試系統反饋的信息，利用ui→label→setText[tr(“有關參數”)]命令，在ui文件的標簽Label中進行顯示，由此監測測試系統的工作狀態，以判斷測試系統是否處于設定的狀態，及驗證參數是否已設置成功。

3)數據讀取:發送讀取數據指令，接收測試系統送回的數據，并將數據以二進制形式在指定文件中進行儲存。

4)波形顯示:QPainter類可用來繪制幾何圖形、像素映射和顯示文字，因此，通過其實現坐標和數據波形的繪制。首先對重繪事件函數、初始化界面函數和坐標設定函數進行聲明，然后在WaveDisplay.cpp文件中將其重新定義，分別為:Void WaveDisplay:: paintEvent ( QPaintEvent*e)、void WaveDisplay::initInterface()和void Draw::resizeEvent(QResizeEvent*e)。完成二進制文件中數據讀取和波形顯示的功能。

設計完成后，在手持終端上通過控制界面發送相關命令，對沖擊波測試系統進行控制，完成測試任務，其工作流程如圖5。

3 無線通信性能測試

為了驗證手持終端與測試系統無線通信的可靠性和穩定性，在實際爆炸環境下(靶場)進行無線性能測試。首先將沖擊波測試系統埋設于地面，并保持與彈藥試驗布置的情況一致。為了便于測試，每次測試令測試系統處于待觸發狀態，并且其儲存測試數據大小均設置為512KWord，然后人為觸發或者軟件觸發(手持終端)。在距測試系統不同距離處利用手持終端，在圖形控制界面上點擊參數回讀指令，回讀測試系統的工作狀態，進一步驗證參數回讀功能的可靠性，然后進行數據的讀取，并記錄其完成所需要的時間。在同一距離處重復讀取3次，并將3次讀取時間的均值作為數據傳輸時間。每次讀數過程均未發生掉點和傳輸中斷的情況，進一步證明無線通信的穩定性和可靠性。

測試結果見表1。由結果可知，手持終端能成功回讀測試系統的工作參數和通過無線可靠地讀取數據。但隨著距離增大，無線傳輸速率減小，信號嚴重減弱；其主要原因是測試系統布置于地面，使得無線傳輸信道變得復雜，尤其由地面吸收較多的無線電波造成信號衰減嚴重，進而導致數據的無線傳輸速率和傳輸距離受到很大影響。為此，可通過靈活調整手持終端與測試系統的距離，使無線傳輸性能更佳，以保證快速有效地讀取數據，提高測試效率。

表1 無線通信性能測試結果Tab.1 Test results of wireless performance

在某彈藥靜爆威力測試中，彈藥用木架架高1 m，測試系統布置于地面，測試現場如圖6所示。手持終端在150 m遠處控制測試系統，通過對其進行狀態掃描，成功獲取了事先設定好的工作參數，確保了測試系統在正確的工作狀態。爆炸完成后利用手持終端，通過無線成功讀取了其中一套測試系統采集到的沖擊波壓力數據(圖7)，并在波形顯示窗口顯示了測試結果(圖8)。

4 結論

本文設計的沖擊波測試系統的手持終端具有以下優點:1)成本低、小巧便攜、易操作；2)實現了無線控制和沖擊波監測，可讀取數據并顯示沖擊波波形，當出現無線故障時，可通過USB接口讀取數據，確保數據不丟失；3)可靈活調整與測試系統的距離，以充分利用更佳的無線傳輸性能，避免因測點布置于地面引起無線信號衰減嚴重而造成數據讀取失敗的問題。

該手持終端穩定可靠，在實彈測試中得到了應用，提高了測試效率，節省了實驗開支，具有較高的實用價值。

參考文獻

[1] 張少杰，馬鐵華，沈大偉.低功耗爆炸沖擊波應變測試系統[J].傳感技術學報，2011，24(9):1359-1362.ZHANG S J，MA T H，SHEN D W.Low-power blast shock wave strain test system [ J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2011，24(9):1359-1362.

[2] 朱滿林，石成英，蔡星會，等.基于ICP技術的炸藥沖擊波壓力測定[J].爆破器材，2012，41(4):30-32.ZHU M L，SHI C Y，CAI X H，et al .Shock wave pressure measurement of explosive based on ICP technology [J].Explosive Materials，2012，41(4):30-32.

[3] KLASEBOER E，HUNG K C，WANG C，et al.Experimental and numerical investigation of the dynamics of an underwater explosion bubble near a resilient/rigid structure [J].Journal of Fluid Mechanics，2005，537:387-413.

[4] 王代華，宋林麗，張志杰.基于ICP傳感器的存儲式沖擊波超壓測試系統[J].傳感技術學報，2012，25(4): 478-482.WANG D H，SONG L L，ZHANG Z J.A stored overpressure measurement system based on ICP sensor for shock wave[ J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2012，25(4):478-482.

[5] 馬鐵華，祖靜.沖擊波超壓存儲測試技術研究[J].儀器儀表學報，2004，25(增刊1):134-135，146.MA T H，ZU J.Shock wave pressure measurement by memorized technique[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2004，25(Suppl.1):134-135，146.

[6] 趙巖，馬鐵華，杜紅棉，等.基于FPGA和無線通信的沖擊波超壓采集系統設計[J].工程設計學報，2011，18 (6):449-452.ZHAO Y，MA T H，DU H M，et al.Design of shock wave overpressure acquisition system based on FPGA and wireless communication [J].Journal of Engineering Design，2011，18(6):449-452.

[7] 張哲，李寶珠，王存寶，等.基于無線數據傳輸的沖擊波超壓測試系統的研究[J].傳感器與微系統，2009，28(6):7-9.ZHANG Z，LI B Z，WANG C B，et al.Study on shock wave test system based on wireless data transmission [J].Transducer and Microsystem Technologies，2009，28(6): 7-9.

[8] SALLAI J，VOLGYESI P，PENCE K，et al.Fusing distributed muzzle blast and shockwave detections [ C]∥Proceedings of the 14th International Conference on Information Fusion.Chicago，Illinois，USA，2011:1-8.

[9] 王健，裴東興，王薇.XXX爆炸威力場遠距離多參數數據采集系統[J].傳感技術學報，2013，26(4):516-519.WANG J，PEI D X，WANG W.The remote multiparameter's data acquisition system of XXX explosion power field[ J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2013，26(4):516-519.

[10] 董冰玉，杜紅棉，祖靜.基于無線控制的沖擊波超壓測試系統[J].傳感技術學報，2010，23(2):279-281.DONG B Y，DU H M，ZU J.The blast wave overpressure measuring system based on wireless-control [ J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2010，23(2): 279-281.

[11] 孔祥善，趙德光，王代華，等.低空信道對無線傳感器網絡的影響分析[J].傳感技術學報，2011，24(1): 106-110.KONG X S，ZHAO D G，WANG D H，et al.The impact analysis of wireless sensor network in low-level channel[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2011，24(1):106-110.

[12] 張霞，張志杰，軒志偉.基于ARM和WiFi的測試系統手持終端的設計[J].電視技術，2013，37(15):74-76，161.ZHANG X，ZHANG Z J，XUAN Z W.Design of wireless portable terminal based on ARM and WiFi [ J].Video Engineering.2013，37(15):74-76，161.

Design of a Portable Terminal Based on ARM for the Test System of Shock Wave Pressure

WEI Xin
School of Computer Science and Control Engineering，North University of China (Shanxi Taiyuan，030051)

[ABSTRACT]In the measurement of shock wave overpressure，the status of test system is hard to be monitored，and test parameters could not be adjusted on site once they are improperly set up.Meanwhile，it is inconvenient to operate and hard to carry the traditional PC in outdoor experiments.In order to solve such problems，a portable control terminal for shock wave pressure test system based on ARM was designed.The graphic application program was developed by the software of Qt.Performance test in the actual explosion environment was used to verify the reliability and stability of wireless communication.The functions of system state monitoring，data transmittal by wireless and waveform display could be realized by the portable terminal with wireless test system.Results show that the portable terminal has good stability and reliability in real explosion experiments.

[KEY WORDS]shock wave；test system；portable terminal；ARM；Qt

作者簡介:衛欣(1990～)，男，碩士研究生，主要從事自動控制原理研究。E-mail:340225944@ qq.com

收稿日期:?2015-07-10

doi:10.3969/j.issn.1001-8352.2016.02.014