基于ZigBee天幕靶信号处理装置设计和探究

1、基于zigbee天幕靶信号处理装置设计和探摘要：天幕靶是一种用来探测飞行目标到达空间某 一预定位置时刻的光电设备。在靶场测试领域中，随着测试 技术的日益网络化，一种具有网络接入功能的天幕靶信号处 理装置，保证了更大测试系统的正常运转。基于zigbee自 组网以及无线控制原理，提出了一种网络接入设计方案，详 细介绍了 zigbee原理以及软件设计方案，设计出一种天幕 靶信号处理装置。分析结果表明：天幕靶信号处理装置的设 计可以实现200 m的通信距离，接入点可达到16个，同时 无线网络的接入使得其测试精度达到0.5 us,并且可以远 程监控各个设备的运行状态。关键词：zigbee无线通信；通信距

2、离；自组网 中图分类号：tn 92文献标识码：a 引言在靶场测试领域，终点效能评估时需要对设备运行状态 进行实时的监控，天幕靶信号处理装置的研究为其带来飞跃 性的突破。文中采用zigbee无线控制模块1,使多套天幕 靶之间构成一个局域网。通过对局域网络的控制完成各个设 备之间信息的同步通信，从而使得各个天幕靶之间有良好的 信息通道，方便信息的传输，从而使得靶场领域外弹道多点 测试和终点效能评估时，各天幕靶之间可以进行实时且可靠 地通信，解决了之前长线传输带来的噪声过大的问题以及可 靠性过低的问题。测试系统见图1。整体系统由测时系统、zigbee无线通信模块、温度采集 传感器、电源管理和stc单

3、片机组成，整个系统的测时系统 将时间信号采集好以后暂存在68013的单片机中，当需要将 数据输送到上位机时通过i2c总线传送至stc单片机内，stc 单片机再将数据通过远程控制系统传送至上位机，从而工作 人员得到测试数据。由此可见，zigbee无线通信模块是整个 系统中尤为重要的模块。zigbee通信的实时性以及最大接入点是决定跟踪系统 整体性能的关键2,文中主要介绍其组成原理以及软硬件 设计方案，通过对系统实时性能的分析，验证zigbee无线 通信在距离200 m,接入节点16个的基础上，测试精度提高 到0.5 us,并且可远程实时监控各设备的运行状态。1基于zigbee多天幕靶接入的工作原

4、理测量弹丸飞行速度是利用天幕靶探测其到达空间某一 预订位置时刻进而得出的，当在全弹道测试中，终点效能评 估时，具有远程控制、可靠性强等新功能的天幕靶是需解决 的问题。在测试弹丸飞行速度之前，首先要通过zigbee的 远程控制使得各天幕靶的状态参数，如：亮度、噪声等调整 到统一的正确的位置；当弹丸飞越天幕，记录其触发时刻信 息后，天幕靶信号处理装置中的zigbee无线控制网络就会 将此数据传回上位机；当某一台靶出现问题时，也可以通过 无线网络反馈给上位机，做出及时调整。此外，监控各天幕 靶信号处理装置的电源温度及电压的参数也是通过此网络 传送至上位机。由此一来，在终点效能评估时可以全程监控 设备

5、的运行状态是否良好，可靠性有了很大的保证。2 zigbee无线控制的设计方案zigbee无线通信模块是整个信号处理装置的重要组成 部分，同时也是决定系统稳定性，可靠性能的关键部件。根 据系统需求的分析，课题采用网状网络，由一个网络协调器, 少量路由器以及若干网络终端设备构成，网络协调器负责网 络的管理工作，而终端设备把数据通过无线网络发给协调 者。zigbee无线通信的系统效果如图2所示，在协调者的无 线覆盖范围之内，布置若干网络终端节点3,各个终端节 点传递网络数据到协调器，网络协调器再通过全球移动通信 系统(giobal system for mobile, gsm)的远程控制传输 数据到

6、服务器，从而实现网络的互相通信以及管理。3硬件平台以及软件平台的选择3. 1硬件平台zigbee网络中，网络协调器、路由器、终端设备的通讯 模块的硬件都基本相同，文中采用较成熟的zigbee开发模 块作为主要电路的借鉴依据，设计课题的硬件设计方案。该zigbee开发模块为达泰电子的dtd253_emk和 dtd2x3_em,主要包括：(1) dtd253b模块，其使用2.4 ghz的频段，集成了 8051内核，方便开发测试，是整个系统和实验的核心；(2) ttl串口以及多个i/o, a/d接口；(3) 仿真器usb接口，用于跟电脑连接并可以给板子 供电，仿真器debug接口可以对dtd2x3_

7、em模块进行下载调 试等；(4) 集成了温度传感器，串口以及模拟a/d电路等， 方便用户的开发和实验。(5) 独立天线，在cc2530片上系统中集成了射频功能。其中cc2530是一个为无线应用设计的真正的低能耗无 线片上系统3,它的内核是加强的8051内核，集成了 32 kb 的系统可编程flasho3.2软件平台iar embedded workbeneh 是 iarsystems 公司为 arm 微 处理器开发的一个集成开发环境(下面简称iarewarm)。比 较其他的arm开发环境，iarewarm具有入门容易、使用方便 和代码紧凑等特点。iarewarm的c/c+交叉编译器和调试器是目

8、前世界最完 整的和最容易使用的专业嵌入式应用开发工具。ew对不同的 微处理器提供相同直观用户界面。iarewarm目前已经支持 35种以上的8位/16位/32位arm的微处理器结构oiarewarm 包括：嵌入式c/c+优化编译器，汇编器，连接定位器，库 管理员，编辑器，项目管理器和c-spy调试器。使用iarewarm 的编译器最优化最紧凑的代码，节省硬件资源，最大限度地 降低产品成本，提高产品竞争力。4 zigbee协议栈实现在整个系统中，软件设计是系统的核心，关键在于ieee802. 15. 4/zigbee协议的理解 和软件结构的设计，软件功能结构分别包括：硬件驱动，phy 层，mac

9、层，nwk层，apl层，系统资源管理和用户应用层4。(1) phy层的实现。phy层主要实现信道选择；信道能 量检测ed；接收包链路质量lqi的检测；空闲信道评估cca； 无线信道收发数据ppduo(2) mac层的实现。mac层处于nwk层和phy层之间， 它的主要功能如下：处理mpdu数据；利用csam-ca机制共 享物理信道；数据应答重传机制；de、active和0prahn三 种扫描机制；关联和退出关联功能5。该层实现phy和nwk 之间的联系，处理来自这两层的所有请求。(3) nwk层的实现。网络层(nwk)位于媒体访问控制 层(mac)和应用层(apl)之间，是zigbee协议栈的

10、核心 部分6,主要功能如下：网络层协议数据单元(npdu)处 理；组网管理以及路由管理。(4) 系统资源管理。主要包含了存储空间的管理和定 时器的管理，而存储空间的管理采用了一种各模块之间共享 缓冲区的方法进行通信，每个模块具有一个执行函数，用于 接收来自底层模块的数据。在数据接收阶段，底层模块将接 收到的数据帧在本层解析后，将需要向上层模块发送的数据 存放在共享的接收缓冲区，同时通过全局变量的形式向上层 模块提供指示原语；在上层模块的执行函数中7,首先通 过判断来自底层模块的指示原语确定的方式。(5) apl层的实现。应用层技术实现主要包括aps层的 apdu包处理、aps层提供的绑定表管理

11、、af实现的msg和 kvp数据包处理以及zd0c8的设备发现和服务发现。课题中软件的设计(协议的实现)是用c语言编写的， 下面给出一个应用例子的流程图(见图3)：5实验结果分析测试的目的是为了检验整个天幕靶信号处理装置测试 的过程中通信协议是否能正常工作，是否可以达到所要求的 通信距离和速率的指标，以及通信协议的抗干扰性。测试系 统中包含两个方面，一个为网络终端节点，负责采集传感器 的模拟数据，并通过无线通信发射出去；另一个网络协调者, 负责网络的管理以及接受终端节点发送过来的数据，并显示 在计算机上。测试结果为:(1) 当室外进行通信时，可以远程监控设备的运行状 态，并且显示在计算机上；(

12、2) 减少了整个测试系统中因长线传输造成的噪声干 扰，在gps共同作用下精度达到0.5 us；(3) 用路由转发时，传输距离增加，但性能不稳定， 需要改进。图4所示为设备运行中采集到的电压的状态。6结论通过对试验结果的分析，可以知道采用zigbee无线通 信模块，在全弹道测试中以及外弹道多点区截测速中配合天 幕靶的测时功能，将多个天幕靶接入到同一个网络中，从而 实现了天幕靶测时的实时性的要求，使得其在测量弹丸飞行 速度的时候可将数据第一时间反应到专业人员手上。同时在 测试的过程中，对各天幕靶进行状态上的监控，在出现状况 时可以及时的作出调整，节省了很多时间以及弹药，大量试 验验证该设计系统是稳定可靠的。参考文献：1 李邦祥，王忠锋，于海斌.zigbee协议网络层的设 计与实现j嵌入式网络技术应用，2005, 41 (11)： 41-43.2 陈聪，冯玉林，施惠i. zigbee和wi-fi的干扰和 共存j.计算机工程与设计，2006, 27 (18)： 3397-3399.3 张周，周剑扬，门沫.zigbee在智能家居系统中 的应用研究j.工业控制计算，2006, 19 (2)： 7-9.4 瞿雷，刘盛德，胡咸斌.zigbee技术及应用m. 北京：北京航天航空大学出版社，2007.5 凌志浩.zigbee无线通信技术及其应用研究j.华 东理工大学学报(自然科