高詩堯 李杰 胡陳君 許廷金 敬正堯

摘要：針對目前彈載測控系統(tǒng)調(diào)試過程中經(jīng)常更改諸元、數(shù)據(jù)回讀效率低的問題，設(shè)計一款集成于測控系統(tǒng)內(nèi)部的無線交互裝置。在集成便捷式諸元裝訂、快速安全的數(shù)據(jù)讀取、擦除等功能于一體的同時減小裝置體積，降低功耗，以實現(xiàn)嵌入式無線交互設(shè)計。經(jīng)專有上位機測試，在不影響測控系統(tǒng)正常工作的情況下，于炮筒外進行無線數(shù)據(jù)操作，回讀速度平均1.675Mb/s，且可在10s內(nèi)成功裝訂諸元，能夠在交互過程中保證數(shù)據(jù)的完整性、保密性和傳輸?shù)母咝?，同時滿足低功耗、小體積、高集成的硬件要求，可實現(xiàn)彈載測控系統(tǒng)與上位機的便捷無線操作。

關(guān)鍵詞：無線交互;數(shù)據(jù)回讀;便捷諸元裝訂;彈載測控系統(tǒng)

中圖分類號：U666.12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）10-0084-06

收稿日期：2019-01-08;收到修改稿日期：2019-02-25

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51575500）

作者簡介：高詩堯（1995-），女，四川綿陽市人，碩士研究生，專業(yè)方向為儀器科學(xué)與技術(shù)。

通信作者：李杰（1976-），男，山西嵐縣人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為微系統(tǒng)集成理論及技術(shù)、組合導(dǎo)航等。

0 引言

彈載測控系統(tǒng)是指在將測量系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)集成于彈內(nèi)部，在彈飛行過程中對飛行軌跡、敵我相對位置進行測量并通過實時自主的計算對彈的飛行軌跡進行修正補償?shù)臏y試控制系統(tǒng)。在彈載測控系統(tǒng)的日常調(diào)試過程中常常需要與外界進行頻繁交互以補償測控系統(tǒng)誤差、提高射擊精度，驗證系統(tǒng)性能。

然而，隨著導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化、精密化，其安裝與拆解也變得復(fù)雜困難。伴隨出現(xiàn)的問題有：1）目前彈載測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)回讀存在效率低、工作量大的問題;2）如何在導(dǎo)彈發(fā)射桶外就能對其發(fā)射參數(shù)進行快速裝訂。因此，設(shè)計一種方便快捷的無線交互方式對彈載測控系統(tǒng)的調(diào)試極為重要。

傳統(tǒng)基于FPGA和DSP的彈載測控系統(tǒng)在進行數(shù)據(jù)讀取或諸元裝訂時依舊采用引出線纜，接上獨立的交互系統(tǒng)后再連接終端進行數(shù)據(jù)處理。這種數(shù)據(jù)處理方式不僅會降低系統(tǒng)可靠性，同時傳統(tǒng)的諸元裝訂，需要多次更改FPGA＼DSP程序，存在著工作量大、誤刪代碼的可能性大等弊端。故而現(xiàn)有的交互方式已難以適應(yīng)越發(fā)精密的彈丸。本文基于彈載測控系統(tǒng)，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)回讀系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出嵌入式便捷無線交互方式，在盡可能不增加系統(tǒng)體積的情況下用無線接口代替線纜連接，極大減少了系統(tǒng)調(diào)試過程中的工作量，縮短了調(diào)試時間，提高了系統(tǒng)交互效率。

1 方案總體設(shè)計

此次設(shè)計的無線交互模塊是基于彈載測控系統(tǒng)的，主要工作為在不影響主系統(tǒng)測量與控制工作的前提下盡可能減小體積，增加穩(wěn)定性，輔助彈載系統(tǒng)與上位機進行便捷的通信，完成數(shù)據(jù)處理或諸元裝訂的交互使命。

同時考慮到無線傳輸存在以下問題[1]：1）無線傳輸會隨著傳輸距離的增大出現(xiàn)信號衰減，由于電磁干擾等原因?qū)е抡`碼甚至信號丟失;2）無線傳輸為明文開放式傳輸，無法阻止盜竊者竊取。

故而放棄長距離，采用短距離、高效率的藍(lán)牙5.0傳輸，以減少距離增加時外界對信號的一系列影響。且目前，藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)已定義了一系列安全機制，每個藍(lán)牙設(shè)備可配置密鑰管理、認(rèn)證，從而為短距離無線通信提供基本保護。此外，藍(lán)牙通信采用跳頻通信，本身也是一種防止竊聽的有效而安全的防護手段[2]。在此基礎(chǔ)上，軟件設(shè)計時在FPGA里進行一系列編碼加密，即可大大提高系統(tǒng)無線交互過程中的數(shù)據(jù)安全性。

2 硬件設(shè)計

彈載測控系統(tǒng)由電源管理模塊、信號處理模塊、測量與定位模塊、主控模塊、Flash存儲模塊、DSP解算模塊、無線交互模塊構(gòu)成，如圖1所示。

該系統(tǒng)的無線交互設(shè)計在硬件上，主要與4個模塊密切相關(guān)：電源管理模塊、以FPGA為核心的主控模塊、Flash存儲模塊和無線傳輸模塊。此硬件設(shè)計簡單、可靠，具有低成本、低功耗、小體積等一系列優(yōu)點。

2.1 電源管理模塊

電源管理模塊為其他模塊供電，保證其他模塊正常工作的部分。測控系統(tǒng)采用7.4V電池供電，而FPGA內(nèi)核供電電壓為12V，IO口供電需3.3V，配置芯片XC6SLX9與晶振也為3.3V供電，故而采用線性穩(wěn)壓器TPS73HD301PWP轉(zhuǎn)出1.2V和3.3V，分別給主控模塊供電，供電原理圖如圖2（a）所示;以Bluetooth為核心的無線交互模塊工作電壓為1.8～3.6V，取3.3V供電。由于涉及射頻信號，為防止其與主控模塊相互影響，故用LM317A對其進行隔離供電，原理圖如圖2（b）所示。

2.2 以FPGA為核心的主控模塊

作為主控芯片，整個系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)的傳輸、緩存、讀取以及與上位機的交互等都需要由FPGA來控制[3]。故所選FPGA芯片應(yīng)具備低功耗、小體積、高集成度的特點。此系統(tǒng)選用XILINXSpartan-Ⅵ系列的XC6SLX9芯片，此芯片尺寸為20mm×20mm×1.45mm，具有9152個邏輯單元，11440個寄存器，576Kb的塊RAM（Block RAM），最大可提供200個IO口，可完全滿足系統(tǒng)要求，且功率低、體積小，是目前性價比較高的一款FPGA芯片。

配置模式選用As（主動串行）模式，F(xiàn)PGA每次上電后通過向配置器件EPOS主動發(fā)出讀數(shù)命令，后將EPOS中的數(shù)據(jù)讀入，從而實現(xiàn)對FPGA的編程。此模式有利于對FPGA的調(diào)試與整改，具有很強靈活性，大大縮短了FPGA的設(shè)計周期[4]。

2.3 Flash存儲模塊

Flash芯片選用K9G8G08UOE，其存儲模塊原理見圖3，擁有1GBX8位的內(nèi)存，由524288行（頁）和2112×8列組成，屬于NAND結(jié)構(gòu)的Flash，數(shù)據(jù)不僅掉電后不會丟失，且10年內(nèi)都不會丟失，可實現(xiàn)100000次的寫嚓出操作[5-6]。寫入、讀取操作均是基于頁的基礎(chǔ)上完成的，而擦除操作則基于塊的基礎(chǔ)上執(zhí)行。該芯片由8個分開的可擦除的128MB的區(qū)組成，故而逐字的擦除操作是難以實施的[7]。因此，將存儲器分為6個塊，大小分別為：4，30，30，320，320，320MB。第1塊用于存儲射擊諸元，第2塊與第3塊用于防止出現(xiàn)重復(fù)上電出現(xiàn)覆蓋數(shù)據(jù)的情況，最后3塊則用于數(shù)據(jù)存儲。

2.4 無線傳輸模塊

上位機通過藍(lán)牙無線傳輸?shù)姆绞脚c彈載測控系統(tǒng)進行信息交換，從而執(zhí)行諸元裝訂、數(shù)據(jù)處理等交互行為。藍(lán)牙是一種成本低、功耗低、傳輸速率高的短距離通信技術(shù)。而藍(lán)牙5.0相較于以前的藍(lán)牙4.2版本，在低功耗模式不變的情況下，不僅傳輸速率從1Mb/s提升到了2Mb/s，且傳輸距離也增至原來的4倍，理論傳輸距離長達(dá)300m[8]。該測試系統(tǒng)采用的藍(lán)牙模塊是由TI公司的SimpleLinkBluetooth芯片CC2640R2FRHB及必要的外圍元器件構(gòu)成，原理圖如圖4所示。該芯片尺寸為5.00mm×5.00mm，VQFN32封裝，15個GPIO，具有4dBm的最大發(fā)送功率和超低功耗，支持藍(lán)牙4.2和5.0，傳輸速率可達(dá)2Mb/s（測試距離為30m少量建筑區(qū)），完全滿足系統(tǒng)要求，且在很長一段時間里不需要對其硬件進行更改。

3 軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)通過藍(lán)牙模塊接收上位機命令（以下命令字均以十六進制編寫）并由FPGA判讀命令，完成對應(yīng)操作，工作流程如圖5所示，主要包括：諸元裝訂、數(shù)據(jù)回讀、測控階段與交互階段的程序跳轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)編幀加密以及藍(lán)牙模塊的配置。

3.1 諸元裝訂

所謂諸元，即導(dǎo)彈射擊諸元，是指射擊前必須裝載到測控程序中的各種基準(zhǔn)參數(shù)。制導(dǎo)系統(tǒng)依賴這些參數(shù)去準(zhǔn)確擊中目標(biāo)。其中一些諸元是時常需要進行修正或人為設(shè)定的，例如：魚雷的初始位置、射角、航速等;導(dǎo)彈的敵我相對位置等;發(fā)射時的當(dāng)?shù)丶铀俣鹊?。諸元裝訂與裝訂復(fù)位的命令字格式均為：&xx&7A&xx&xx（四字節(jié)的十六進制數(shù)據(jù)）。

FPGA收到諸元裝訂命令后，會先對Flash中已有諸元進行覆蓋性擦除，隨后發(fā)出應(yīng)答指令（&xx&7A&xx&xx）。當(dāng)上位機接收到此指令，即可以開始諸元裝訂。

用戶按照提示依次輸入?yún)?shù)，并點擊確定進行發(fā)送。上位機把用戶輸入的數(shù)據(jù)取7位有效數(shù)字，后轉(zhuǎn)換為四字節(jié)的單精度浮點型數(shù)據(jù)并編幀，通過藍(lán)牙串口無線傳輸給測控系統(tǒng)。

參數(shù)下掣渝格式為：&xx&7A&xx&xx&參數(shù)1 &xx&參數(shù)2&xx&參數(shù)3&xx。

FPGA提取其中參數(shù)，并連同生成的幀計數(shù)放入Flash第一區(qū)預(yù)先設(shè)定的地址中，進行永久性保存。而后回復(fù)：&AB&7A&66&6A，表示裝訂成功。如若中途出現(xiàn)問題則回復(fù)&AB&7A&88&8A，表示裝訂失敗。此時可通過裝訂復(fù)位命令進行裝訂復(fù)位，而后從新裝訂。

當(dāng)系統(tǒng)處于測控階段時，DSP將Flash第一區(qū)中對應(yīng)地址中的參數(shù)讀出，賦給對應(yīng)信號即可成功調(diào)用參數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)回讀

由上位機通過既定的通信協(xié)議發(fā)出讀數(shù)、擦除或復(fù)位的命令，約定的命令字為[9]：1）讀數(shù)命令：&25&5E&77&A6;2）擦除命令：&25&5E&44&A3;3）復(fù)位命令：&25&5E&66&A5。

FPGA收到命令字后轉(zhuǎn)為二進制識別并判斷，后停止當(dāng)前任務(wù)，執(zhí)行相應(yīng)操作。具體包括：讀取數(shù)據(jù)并存入緩存單元;數(shù)據(jù)擦除;對數(shù)操作復(fù)位。

1）讀取數(shù)據(jù)并存入緩存單元

Flash中的數(shù)據(jù)是逐頁讀取的，在翻頁時要重新寫人地址和控制字[10]，再加上藍(lán)牙傳輸很難與讀取做到完全同步，故而為了在回讀過程中不出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺漏，需將Flash中數(shù)據(jù)讀出后緩存到內(nèi)置BlockRAM的1# FIFO中，再執(zhí)行后續(xù)操作。

FIFO是一種常用于解決模塊間數(shù)據(jù)傳遞不同步問題的數(shù)據(jù)緩存器。一般FIF0主要包括4個部分：寫地址模塊、讀地址模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和空/滿標(biāo)志位產(chǎn)生模塊[11]。主要工作流程為：開始時，讀/寫指針均指向首地址，每進行一次讀寫操作，相應(yīng)的地址計數(shù)就加一，對應(yīng)地址指針指向下一個位置，當(dāng)?shù)刂芬苿拥阶詈笪恢脮r又會回到初始位置重新開始。在非空非滿狀態(tài)下此過程會一直持續(xù)下去。但當(dāng)FIFO出現(xiàn)空或?qū)⒖諣顟B(tài)時，將不進行數(shù)據(jù)讀出，當(dāng)出現(xiàn)滿或?qū)M狀態(tài)時，將不再進行寫人操作。

2）數(shù)據(jù)擦除

數(shù)據(jù)擦除，即將Flash中數(shù)據(jù)存放地址里全部寫1。當(dāng)FPGA收到擦除命令時，會對Flash從第二區(qū)開始的所有數(shù)據(jù)位進行寫1操作，并在結(jié)束時返回擦除成功的信息給上位機。

3）對數(shù)操作復(fù)位

當(dāng)FPGA收到復(fù)位命令時會停止當(dāng)前操作，并自動復(fù)位，此操作只在數(shù)據(jù)回讀時有效。

上述對數(shù)據(jù)的3種操作均跳過Flash中存放諸元的第一區(qū)，從Flash的第二區(qū)開始。

3.3 測控與交互的階段轉(zhuǎn)換

測控與交互的階段轉(zhuǎn)換流程如圖6所示。彈載測控系統(tǒng)默認(rèn)上電后處于測控階段：藍(lán)牙模塊處于未連接主機、低功耗狀態(tài)，LINK引腳（連接狀態(tài)指示）輸出高電平，LPOUT引腳（功耗指示）輸出高電平;當(dāng)需要與上位機進行交互時，先建立藍(lán)牙連接，配對成功后LINK輸出低電平，而后開始判斷過載是否≤29，滿足則退出測控階段，否則取消配對。緊接著判斷是否收到指令“AT”，收到則進入交互階段完成與上位機之間的交互行為;未收到則待命，系統(tǒng)處于退出測控的階段。整個階段轉(zhuǎn)換以及交互階段都可通過系統(tǒng)下電來結(jié)束。

3.4 數(shù)據(jù)編幀加密

該系統(tǒng)編幀加密部分程序參照無線傳輸中典型的DES、AES、RSA等算法進行非標(biāo)加密。該系統(tǒng)加密方法主要采用移位、異或和同或相互結(jié)合，通過將8位數(shù)據(jù)位進行左移或右移，與固定數(shù)同或、異或來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的加密。

如圖7所示，從1# FIFO中讀取出數(shù)據(jù)并進行加密處理，處理后生成對應(yīng)標(biāo)志字，再一同存入2#FIFO中，通過TTL電平存入藍(lán)牙芯片內(nèi)置緩沖，最后通過無線串口送給上位機。在加密程序中需提前寫人兩個四位二進制數(shù)A與B，而后按照寫定的運算順序輪流執(zhí)行①、②、③運算，由于每種運算方式都不復(fù)雜，故而穩(wěn)定性高。

與單一的運算方式相比，這種加密運算勝在運算方式可以設(shè)置多種，而FPGA并行的執(zhí)行方式可在輪流讀人數(shù)據(jù)的過程中大大節(jié)省運算時間，且由于加密方式的多樣性，被破解的可能性低。

3.5 藍(lán)牙模塊的配置

藍(lán)牙模塊可先在模塊未連接的狀態(tài)下通過串口調(diào)試助手，由AT指令預(yù)先設(shè)置其基本參數(shù)，具體設(shè)置見表1。模塊保存參數(shù)后，再次上電可保持使用這些參數(shù)。通過上述設(shè)置，藍(lán)牙模塊在系統(tǒng)上電時直接進入低功耗模式，通過多次測試，3.3V供電時低功耗模式下的平均工作電流僅為29μA。直到配對成功后通過數(shù)據(jù)收發(fā)會自動退出低功耗模式，并將上位機命令通過TTL電平傳給FPGA，實現(xiàn)FPGA與上位機端的無線交互。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

本系統(tǒng)使用VB編寫的上位機進行數(shù)據(jù)處理和諸元裝訂上位機界面分別如圖8、圖9所示。通過對比專有上位機的回讀數(shù)據(jù)和有線數(shù)據(jù)傳輸回讀到的數(shù)據(jù)，可對該系統(tǒng)的無線交互性能進行驗證性測試，同時與原有回讀系統(tǒng)進行了對比試驗。

4.1 諸元裝訂測試

先通過基于USB2.0的有線數(shù)據(jù)回讀系統(tǒng)，將Flash中第一區(qū)數(shù)據(jù)進行回讀，可看出：第一區(qū)存放著該系統(tǒng)的射擊諸元，諸元裝訂后，再次回讀第一區(qū)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)原參數(shù)已被新的參數(shù)覆蓋，且為從上位機輸入的參數(shù)的對應(yīng)單精度浮點型數(shù)據(jù)，裝訂輸入如圖9所示，測試結(jié)果見圖10。

多次測試后，統(tǒng)計得出操作時長均為10s以內(nèi)，故而可證得該系統(tǒng)配合上位機可快速準(zhǔn)確地進行射擊諸元裝訂。

4.2 數(shù)據(jù)回讀測試

數(shù)據(jù)回讀過程中，上位機在接收到數(shù)據(jù)后會識別每幀數(shù)據(jù)的標(biāo)志字，確定對應(yīng)解碼方式，再還原數(shù)據(jù)。經(jīng)測試：所得數(shù)據(jù)無“OxFF”，即傳輸過程中沒有掉電情況，且通過Matlab提取幀計數(shù)進行畫圖，發(fā)現(xiàn)所得數(shù)據(jù)結(jié)果沒有出現(xiàn)丟幀亂幀的情況，證明該系統(tǒng)具有良好的讀取穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)完整性。

4.3 對比試驗

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)在讀取120.67Mb的數(shù)據(jù)時用時72s，平均回讀速度約為1.675Mb/s，而使用老式的基于FT245BL的有線回讀系統(tǒng)的平均回讀速率為0.915Mb/s[10]，故而該無線式交互設(shè)計可滿足數(shù)據(jù)回讀速度要求。

5 結(jié)束語

本文從總體、硬件、軟件3部分詳細(xì)介紹了基于彈載測控系統(tǒng)的嵌入式無線交互設(shè)計，并結(jié)合上位機完成了相關(guān)的性能測試與實驗驗證。結(jié)果證明該設(shè)計具有良好的工作穩(wěn)定性，且一定程度的提高了回讀速率;同時，融合諸元裝訂功能，可大大減少調(diào)試測控系統(tǒng)時繁雜的工作量，提高調(diào)試效率。比有線式數(shù)據(jù)回讀系統(tǒng)更能適應(yīng)軍事發(fā)展需要。且隨著FPGA和無線傳輸芯片的更新?lián)Q代，其傳輸效率、傳輸距離還可進一步提高，甚至功能上還可進一步強化。

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（編輯：商丹丹）