基于安卓平臺的遠控S頻段信標機系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

葉君好，周立新，蔣 勇，趙志軍，趙德艷

(中國人民解放軍63726部隊，寧夏 銀川750004)

0 引言

近年來，隨著我國國防科技水平的不斷發(fā)展，航天任務類型和數(shù)量呈較快增長趨勢，多類型飛行器性能、狀態(tài)出現(xiàn)較大變化，對航天測控系統(tǒng)提出了更高的要求[1-3]。為獲得飛行器全新飛行運動軌跡下關鍵段落更高精度的遙測、外測等數(shù)據(jù)，測控單位新列裝了多類型高精度測控設備，特別是大口徑S頻段設備[4-5]。

由于新設備口徑大、精度高，為有效地檢查和測試設備校相、校零和自跟蹤性能等功能，需要架設比原有測控設備更高更遠的信標機，同時需要對信標機的頻點、衰減和載波調(diào)制等參數(shù)進行頻繁切換，但目前信標機控制多采用有線連接或無線電臺控制的方式：有線連接只適用固定測控陣地且距離有限；無線電臺控制方式受無線電信號作用距離的制約，遠距離傳輸穩(wěn)定性能有待提升。在執(zhí)行機動測量任務時，信標機的架設更是費時、費力，同時還需專人往返于設備場坪和信標架設點，對信標機電池進行充電和安防狀態(tài)檢查，人員安全風險較大且不利于設備工作開展，因此需探索設計不間斷供電、遠距離可靠控制和信號輸出穩(wěn)定的信標機系統(tǒng)。本文利用目前覆蓋范圍廣的民用電信4G無線網(wǎng)絡和基于成熟的安卓平臺的移動終端應用開發(fā)手段，開發(fā)了一套基于安卓系統(tǒng)的遠距離控制可靠的信標機系統(tǒng)，實現(xiàn)信標機一次架設、信號穩(wěn)定和控制可靠，直至測量任務結束，有效提高了設備的工作效率。

1 系統(tǒng)設計方案

目前電信4G無線網(wǎng)絡已基本實現(xiàn)了全面覆蓋，基于安卓平臺的APP開發(fā)方法比較成熟。依托電信4G無線網(wǎng)絡，開發(fā)了基于安卓平臺的遠控APP，通過在手機上部署APP，實現(xiàn)了對自研S頻段信標機的遠距離、高可靠的實時控制。

系統(tǒng)共有2個部分：一個是控制端，是1部安卓手機(含電話卡)；另一個是被控制端，包括安卓手機1部(含電話卡)、藍牙串口通信模塊1塊、USB轉(zhuǎn)串口通信模塊1塊、自研S頻段信標機1臺及太陽能發(fā)電系統(tǒng)1套。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖Fig.1 System overall design block diagram

控制端安卓手機利用APP，通過4G網(wǎng)絡向被控制端安卓手機APP發(fā)送查詢控制命令，被控制端安卓手機通過藍牙經(jīng)過串口轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對信標機的查詢控制，太陽能發(fā)電系統(tǒng)向被控制端安卓手機、藍牙轉(zhuǎn)串口模塊和信標機進行不間斷供電。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)主要實現(xiàn)了3方面內(nèi)容：① 信標機硬件系統(tǒng)的研制，包括射頻開關控制、信號頻率控制、信號衰減控制和狀態(tài)實時采集等功能；② 手機端控制APP的開發(fā)，包括服務器管理模塊、網(wǎng)絡即時通信模塊、藍牙串口通信模塊和工作模式快速切換等功能；③ 供電系統(tǒng)的實現(xiàn)，包括太陽能板便捷接入、多口DC 12 V輸出和電源電量實時監(jiān)控等功能，系統(tǒng)功能結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結構Fig.2 System functional structure

2.1 信標機硬件設計

信標機采用單環(huán)鎖相頻率合成技術，電路主要包括：集成鑒相器ADF4156、濾波器、壓控振蕩器VCO、匹配衰減電路、單片機電路、藍牙模塊和電源電路[6-8]，原理框圖如圖3所示。

圖3 信標機原理框圖Fig.3 Block diagram of beacon principle

信標機加電后，單片機MSP430F169通過藍牙模塊接收遠端發(fā)來的控制信號[9-11]，對鑒相器ADF4156初始化。晶振參考信號和VCO反饋的比較信號輸入至鑒相器ADF4156中，單片機控制ADF4156內(nèi)的可編程參考分頻、分數(shù)分頻器進行分頻，2個信號分頻至鑒相頻率，再通過芯片內(nèi)集成的相位頻率檢測器PFD進行鑒相，得到誤差電流后，經(jīng)過內(nèi)部的電荷泵后輸出。濾波器對此輸出的誤差信號進行濾波，得到與參考、比較信號的頻率和相位誤差相關的控制信號，此控制電壓控制微波VCO進行頻率和相位調(diào)整，直至頻率相同，僅存很小的穩(wěn)態(tài)相位誤差，環(huán)路鎖定。鎖定后，單片機對鎖定狀態(tài)信息通過藍牙發(fā)送給遠端進行顯示。VCO另一路輸出信號經(jīng)匹配后，輸出給信標天線。+12 V通過電源電路二次穩(wěn)壓，變換成+5 V和+3 V電源，給各單元模塊供電。

2.2 手機控制安卓APP軟件實現(xiàn)

2.2.1 通信接口幀格式設計

通信總線：RS-232；通信方式：異步、全雙工和主從應答式；字符格式：1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、無校驗位和1位停止位；傳輸速率：9 600 bps；幀格式：幀頭、數(shù)據(jù)區(qū)和幀尾。通信接口幀格式如表1所示。

表1 通信接口幀格式Tab.1 Communication interface frame format

2.2.2 藍牙通信功能模塊實現(xiàn)

啟動藍牙查找其他設備流程如圖4所示。

圖4 啟動藍牙查找其他設備流程Fig.4 Bluetooth find other device flow chart

從設置權限啟動藍牙查找其他設備開始需要6個基本步驟[12-13]：

步驟1：設置權限(在AndroidManifest.xml中聲明使用藍牙的權限)；

步驟2：啟動藍牙(查看本機是否支持藍牙，然后獲取BluetoothAdapter藍牙適配器對象)；

步驟3：發(fā)現(xiàn)藍牙設備(首先使本機處于可見狀態(tài)，便于其他設備發(fā)現(xiàn)本機藍牙，然后查找已經(jīng)配對的設備，最后通過mBluetoothAdapter.startDiscovery()方法來搜索設備)；

步驟4：建立連接(啟用一個服務器端的線程，死循環(huán)等待客戶端連接)；

步驟5：交換數(shù)據(jù)(搜索到藍牙設備后，獲取設備地址，通過地址獲取一個BluetoothDeviced對象，通過對象device.creatRfcommSocketToServiceRecord(MY_UU_ID))與服務器連接獲取另一個socket對象；

步驟6：建立數(shù)據(jù)通信線程(讀取通信數(shù)據(jù))。

2.2.3 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信模塊實現(xiàn)

基于環(huán)信SDK實現(xiàn)網(wǎng)絡即時通信功能的快速集成[14-15]。具體步驟如下：

步驟1：下載環(huán)信SDK(V3.1.0)開發(fā)包；

步驟2：注冊成為環(huán)信開發(fā)者；

步驟3：在環(huán)信平臺上創(chuàng)建應用程序，獲取AppKey；

步驟4：創(chuàng)建AdroidStudio項目，導入開發(fā)包中的庫文件；

步驟5：添加權限；

步驟6：配置AppKey；

步驟7：聲明SDK所需的Service，BroadcastReceiver；

步驟8：SDK初始化。

下面是軟件關鍵代碼，軟件實現(xiàn)功能界面如圖5和圖6所示。

privatevoidinitConversation(){mConversation=EMClient.getInstance().chatManager().getConversation(mChatId,null,true);mConversation.markAllMessagesAsRead();

intcount=mConversation.getAllMessages().size();

if(count

//獲取已經(jīng)在列表中的最上邊的一條消息id

StringmsgId=mConversation.getAllMessages().get(0).getMsgId();

mConversation.loadMoreMsgFromDB(msgId,20-count);}

if(mConversation.getAllMessages().size()>0){EMMessagemessge=mConversation.getLastMessage();

EMTextMessageBodybody=(EMTextMessageBody)messge.getBody();}

newThread(){

@Override

publicvoidrun(){try{ ArrayListusernamelist=(ArrayList)EMClient.getInstance().contactManager().getAllContactsFromServer();

contactList=usernamelist;}

catch(HyphenateExceptione)

{e.printStackTrace();Log.d("zlx",e.getMessage().toString());}}}.start();}

圖5 軟件實現(xiàn)功能界面1Fig.5 Software interface 1

圖6 軟件實現(xiàn)功能界面2Fig.6 Software interface 2

2.3 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)如圖7所示，采用1塊18 V 30 W單晶太陽能板和1塊12 V 20 AH硅能蓄電池的組合，其中太陽能板采用鋼化玻璃層壓，防護等級為IP65，硅能蓄電池可在-40～70 ℃范圍內(nèi)正常工作，滿足戶外使用要求。手機屏幕不亮時僅使用網(wǎng)絡和定位功能，功耗約為1.1 W，信標機功耗為1.4 W，在正常日照條件下，蓄電池能夠滿足電源不間斷地供應。

圖7 供電系統(tǒng)Fig.7 Power system

3 實驗測試

硬件電路與軟件設計完成后，進行了2次實際戶外場景測試，信標機距控制端(設備)直線距離約15 km(無遮擋)，第一次持續(xù)了5天，第二次持續(xù)了10天，期間信標機信號輸出穩(wěn)定、遠程控制可靠和電源供電無間斷，滿足設備校相、自跟蹤性能和校零等需求，達到了預期目的。信標機實物及輸出信號頻譜如圖8和圖9所示。

圖8 信標機實物Fig.8 Beacon

圖9 輸出信號頻譜Fig.9 Typical spectrum

4 結束語

本文針對大口徑測控設備校相、自跟蹤性能和校零等功能檢查需求，設計研發(fā)了基于安卓系統(tǒng)的遠控S頻段信標機系統(tǒng)，該信標機系統(tǒng)經(jīng)過多次測試應用，各項指標均達到了預期，同時系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、幅度頻率調(diào)節(jié)可控且簡單實用。在戶外長時間使用證明了該信標機設計的高可靠性和便攜性，目前已成功地在大口徑測控設備上應用。