張 瑜， 朱雙龍， 任 朔， 王方方

(河南師范大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引 言

低空探測和通信已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的主要方式之一。由于受到地球凸起曲率的影響，低空無線電波傳播距離一般只能達(dá)到幾十公里。為了擴(kuò)大無線電系統(tǒng)的作用范圍，利用大氣波導(dǎo)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)無線電超視距通信或探測是目前較為有效的方法之一[1]。這種方法也是目前岸基和艦船無線電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超視距作用的主要方法。

岸基、艦船上的無線電系統(tǒng)主要的環(huán)境是近海面大氣，大概率產(chǎn)生的大氣波導(dǎo)是蒸發(fā)波導(dǎo)。為了實(shí)現(xiàn)低空無線電系統(tǒng)的超視距作用，關(guān)鍵是要得到蒸發(fā)波導(dǎo)的特征參數(shù)。測量蒸發(fā)波導(dǎo)的方法主要分為3類[2-4]：第一類是利用蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測模型得到反映蒸發(fā)波導(dǎo)信息的折射率剖面，進(jìn)而得到其特征參數(shù)。目前這類方法的主要模型有PJ模型、偽折射率模型和海氣通量模型等[5]。由于這些模型都是依靠經(jīng)驗(yàn)公式得到的，存在較大的誤差，其預(yù)測精度都不高，不能精確獲得蒸發(fā)波導(dǎo)特征參數(shù)。第二類是采用直接測量系統(tǒng)。這類測量設(shè)備主要有兩種，一種是利用氣象測量儀器測量不同高度處的大氣溫、壓、濕參數(shù)，再通過相關(guān)公式得到折射率剖面，主要有高精度氣象儀和GPS探空儀。由于這種設(shè)備受傳感器精度和相關(guān)計(jì)算公式誤差的影響，獲得大氣波導(dǎo)特征參數(shù)的精度也不高。另一種是利用高精度的微波折射率儀直接測量大氣折射率，這種方法得到的折射率剖面是目前精度最高的。第三類是基于雷達(dá)海雜波的反演算法[6]。這類方法由于反演算法目前還不成熟，且算法本身的缺陷也制約了反演精度，同時(shí)也會(huì)受到海雜波中其他干擾信號(hào)的影響，因此精度較低。相比較而言，直接測量方法是獲得高精度蒸發(fā)波導(dǎo)特征參數(shù)較為實(shí)用的方法。

直接測量大氣折射率剖面常采用測量設(shè)備隨高度升高的方式，這就需要將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與傳輸?shù)降孛嫣幚碓O(shè)備中。鑒于目前常用的采集和傳輸速率較低[7-8]，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式為有線傳輸。有線傳輸在實(shí)驗(yàn)或者使用過程中，由于線纜的雜亂無章會(huì)帶來一些使用的麻煩。同時(shí)現(xiàn)代無線數(shù)傳技術(shù)也在飛速發(fā)展，目前主要有藍(lán)牙無線數(shù)傳、WLAN無線數(shù)傳、ZigBee無線數(shù)傳和串口無線數(shù)傳等等。但是自身也都存在著不足之處，藍(lán)牙無線數(shù)傳存在傳輸距離短，傳輸速率低等問題，WLAN無線數(shù)傳和ZigBee無線數(shù)傳在傳輸距離和速率上滿足要求，但存在安全系數(shù)不高，成本較貴和功耗較高等問題。串口無線數(shù)傳是一種常見的無線數(shù)傳方式，能滿足本系統(tǒng)對(duì)傳輸距離和傳輸速率的要求，且成本和功耗較低，可長時(shí)間連續(xù)工作，操作簡單等，是最為符合本系統(tǒng)的無線數(shù)傳方式。

為了獲得高精度的詳細(xì)大氣波導(dǎo)參數(shù)，研制了基于STM32的高速蒸發(fā)波導(dǎo)數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)。不僅能夠滿足數(shù)據(jù)采集速率和數(shù)據(jù)處理速度的要求，也通過采用無線數(shù)傳系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)有線傳輸線雜亂無章的問題。另外，為了防止采集數(shù)據(jù)因其他故障而丟失數(shù)據(jù)，增加了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，方便備份，隨時(shí)存取。

1 高速數(shù)傳系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

測量大氣波導(dǎo)的主要傳感器為微波折射率儀、氣象傳感器和高度傳感器。微波折射率儀輸出參數(shù)為大氣的折射率，氣象傳感器輸出參數(shù)為大氣的溫度、氣壓和濕度，高度傳感器輸出參數(shù)為測試設(shè)備的離地高度。由于這些傳感器輸出都是數(shù)字信號(hào)，因此不需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

高速數(shù)傳系統(tǒng)主要由各類傳感器、RS485轉(zhuǎn)換模塊、STM32F103模塊、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)模塊、無線傳輸模塊、上位機(jī)、電源等硬件和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理編輯、通信等軟件組成，如圖1所示。

圖1 高速數(shù)傳系統(tǒng)組成

高速數(shù)傳系統(tǒng)在工作時(shí)，首先將微波折射率儀、氣象傳感器和高度傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過RS485模塊信號(hào)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，然后再傳輸?shù)絊TM32F103模塊中。在STM32F103模塊中不僅對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和編輯，按照約定的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行排列，以滿足無線傳輸對(duì)數(shù)據(jù)格式的需要，而且也將編輯后的數(shù)據(jù)在實(shí)時(shí)存儲(chǔ)模塊中進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)，也通過RS485模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)無線傳輸。無線接收模塊接收到數(shù)據(jù)后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后得到相關(guān)的蒸發(fā)波導(dǎo)特征參數(shù)。

2 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成和數(shù)據(jù)編輯設(shè)計(jì)

2.1 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控核心是STM32F103單片機(jī)，在這里所使用的單片機(jī)是32位的控制器[9-11]，相比之前的4位和8位單片機(jī)，具有高性能、高速率、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，可滿足系統(tǒng)的采集精度和數(shù)據(jù)處理編輯速度。

折射率儀傳感器是自主研發(fā)的一款能精密測得大氣折射率的儀器，使用該傳感器可以得到目前最為精準(zhǔn)的大氣折射率參數(shù)。

折射率儀傳感器可直接輸出大氣的折射率。高度傳感器采用激光測距傳感器，其測量參數(shù)為測試設(shè)備當(dāng)前位置的離地高度H。

氣象傳感器測量到的溫、壓、濕等氣象參數(shù)可由下式計(jì)算出折射率N：

式中：N——折射率；

P——大氣壓強(qiáng)，hPa；

T——大氣溫度，K；

e——大氣濕度(水氣壓)，hPa，可由相對(duì)濕度計(jì)算出來[12]。

根據(jù)高度傳感器得到的高度H和折射率N值可得到修正折射率M剖面：

式中：M——修正折射率；

N——折射率；

H——測量高度，m；

R——地球半徑，一般取6 371 km。

3個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)信息通過RS485模塊直接傳輸?shù)絊TM32F103單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。系統(tǒng)軟件程序采用模塊化編程思想，利用 Keil uVision5 開發(fā)環(huán)境，使用C語言編寫實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主程序分為數(shù)據(jù)采集模塊、存儲(chǔ)模塊和控制輸出模塊。

在Keil uVision5中進(jìn)行程序設(shè)計(jì)如下，在系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化，為了使數(shù)據(jù)穩(wěn)定，在等待30 s后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸。隨后判斷是否接收到上位機(jī)轉(zhuǎn)換指令，若無指令，則開始進(jìn)行大氣波導(dǎo)測量系統(tǒng)的正常數(shù)據(jù)的采集和傳輸，傳輸頻率以默認(rèn)的10/s進(jìn)行工作；若接收到指令，則進(jìn)入折射率儀實(shí)時(shí)監(jiān)控子程序，進(jìn)行折射率儀傳感器的單獨(dú)測量模式。在此單獨(dú)測試模式中，可以選擇實(shí)時(shí)采集的發(fā)送的頻率，共設(shè)有1/s、4/s、10/s、100/s 4個(gè)頻率可供自主選擇，頻率選擇指令將從上位機(jī)發(fā)送到主控中心，主控中心進(jìn)行采集和發(fā)送頻率的切換，開始進(jìn)行以自主選的擇頻率進(jìn)行折射率儀傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)控，流程如圖2所示。

圖2 程序流程圖

2.2 數(shù)據(jù)編輯設(shè)計(jì)

傳感器采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絊TM32F103單片機(jī)時(shí)，由于傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不能被單片機(jī)直接識(shí)別處理，因此需要數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。在傳感器和單片機(jī)之間需要接入RS485轉(zhuǎn)換電路[13]，傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息通過該轉(zhuǎn)換電路到達(dá)單片機(jī)。RS485轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 RS485轉(zhuǎn)換電路圖

RS485轉(zhuǎn)換電路將把傳感器發(fā)出的RS485電平轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以進(jìn)行識(shí)別和操作的TTL電平，通過單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯后再將單片機(jī)發(fā)出的TTL電平轉(zhuǎn)換為可以在線纜中高速通信的RS485電平。

電路采用TD5（3）21S485H轉(zhuǎn)換模塊，將連接外設(shè)的傳感器所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息通過傳輸線纜和傳感器接口航空頭連接到P4P和P4N上，通過此電路完成數(shù)據(jù)信息從外設(shè)傳感器到RS485數(shù)據(jù)接口上，在TD5（3）21S485H數(shù)據(jù)接口上有引腳3、4分別為TX和RX，將這兩個(gè)引腳接到主控單片機(jī)的串口，以上兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行，就完成了數(shù)據(jù)信號(hào)從傳感器到主控模塊單片機(jī)的傳輸。

數(shù)據(jù)信息到達(dá)單片機(jī)后，單片機(jī)對(duì)各類傳感器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合處理，對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行編輯，按照一定的格式發(fā)送到上位機(jī)或存儲(chǔ)到本地實(shí)時(shí)存儲(chǔ)模塊中。各類數(shù)據(jù)信息編輯的格式如下：

1)串口參數(shù)：9 600，8，1。

2)上電默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)模式：每秒傳輸10幀常規(guī)數(shù)據(jù)，幀頭0x4E，校驗(yàn)位0xFB，幀格式詳見表1。

表1 幀結(jié)構(gòu)

3)常規(guī)數(shù)據(jù)幀采用HEX格式直接連續(xù)發(fā)送，幀長固定12B，無效數(shù)據(jù)用FF填充，氣象和高度傳感器以最新讀取數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

數(shù)據(jù)信息在單片機(jī)整理編輯完成后，串口發(fā)送輸出，再經(jīng)過RS485轉(zhuǎn)換模塊到無線數(shù)傳模塊發(fā)送到上位機(jī)。

3 數(shù)據(jù)傳輸單元與存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)傳單元的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和通信過程中，采用的都是有線傳輸，有線傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是可靠性高。但是在一些特定的條件下，無法進(jìn)行有線傳輸（如在高空進(jìn)行信號(hào)的采集，傳輸線太長且重而無法使用等）時(shí)，無線傳輸優(yōu)點(diǎn)就很明顯[14]。無線傳輸克服了有線傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，采用無線傳輸也可以保證通信的可靠性。

在大氣波導(dǎo)高速數(shù)據(jù)采集和數(shù)傳系統(tǒng)中，采取的信號(hào)傳輸方式是無線傳輸，采用的無線傳輸結(jié)構(gòu)是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，收發(fā)一體，自動(dòng)選擇的，因此無需區(qū)分發(fā)射端和接收端，方便實(shí)用。在實(shí)際測量中，只需要在接收端（任意一段）連接上位機(jī)，發(fā)送端（另外一端）連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，二者進(jìn)行采集系統(tǒng)與上位機(jī)之間的信號(hào)傳輸，上位機(jī)通過無線傳輸發(fā)送指令，控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。圖4給出了無線傳輸原理圖。由數(shù)據(jù)采集器將采集到的數(shù)據(jù)通過串口接傳輸線連接到無線模塊1進(jìn)行發(fā)射，在接收端是由無線模塊2接收，再通過傳輸線連接上位機(jī)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖4 無線數(shù)傳示意圖

本設(shè)計(jì)使用的是AS30-TTL-100無線傳輸模塊，AS30-TTL-100是一款433 MHz、100 mW，具有高穩(wěn)定性，工業(yè)級(jí)的無線數(shù)傳模塊。采用Silicon Labs的Sl438設(shè)計(jì)開發(fā)，TTL電平輸出。模塊共有4種工作狀態(tài)，并可以在運(yùn)行時(shí)自由切換，在省電工作狀態(tài)下，消耗電量極低，非常適合超低功耗使用。引腳連接圖如圖5所示。

AS30-TTL-100無線傳輸模塊在使用過程中，發(fā)送端與串口相連接，連接方式見圖5，發(fā)送模塊必須工作在喚醒工作狀態(tài)下，默認(rèn)波特率為9 600 B/s，可調(diào)節(jié)。使用之前，首先進(jìn)行兩端的配對(duì)連接，配對(duì)連接完成后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送數(shù)據(jù)后，具有相同地址和相同信道的模塊均可接受，發(fā)送與接受數(shù)據(jù)完全相同，所發(fā)即所收。在發(fā)送時(shí)，也可指定模塊接收，與指定模塊具有相同地址和相同信道的模塊均可接受，允許多模塊接收。當(dāng)在無工作狀態(tài)時(shí)，發(fā)射模塊處于省電工作狀態(tài)下，需要喚醒碼喚醒，發(fā)送端在“監(jiān)聽”過程中受到喚醒碼，等待2 s，進(jìn)入喚醒工作狀態(tài)，開始工作。此時(shí)發(fā)送端處于喚醒工作狀態(tài)，接收端處于省電狀態(tài)，當(dāng)開始發(fā)送數(shù)據(jù)前，發(fā)射模塊可以在空中點(diǎn)醒接收模塊，此時(shí)發(fā)送端和接收端都處于工作狀態(tài)，收發(fā)數(shù)據(jù)。若無喚醒碼，則發(fā)送端和接收端則一直處于省電狀態(tài)，低功耗運(yùn)行，直至收到喚醒碼。

圖5 引腳連接圖

在接收端可以通過串口連接到上位機(jī)端，在上位機(jī)可以通過串口助手進(jìn)行數(shù)據(jù)解析或者參數(shù)設(shè)置。在大氣波導(dǎo)測量系統(tǒng)中，連接到上位機(jī)后，通過大氣波導(dǎo)參數(shù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解析和處理，得到大氣波導(dǎo)參數(shù)。經(jīng)過試驗(yàn)證明，此無線數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)十分符合大氣波導(dǎo)測量系統(tǒng)的需求，傳輸數(shù)據(jù)方便快捷，傳輸距離可達(dá)幾百米。

3.2 存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)存儲(chǔ)模塊采用的是Flash存儲(chǔ)器[15]，保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)施掉電保護(hù)。設(shè)計(jì)采用AT24C02的128MbitFlash存儲(chǔ)器，在實(shí)際測量過程中，可以通過軟件界面操控存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的格式，格式一是所有數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)，這樣存儲(chǔ)可以避免數(shù)據(jù)的丟失，但是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，所占空間大；格式二是合并存儲(chǔ)，并不是每組數(shù)據(jù)都進(jìn)行存儲(chǔ)，而是在單片機(jī)內(nèi)部將每4組或者每10組數(shù)據(jù)計(jì)算平均值，形成一組數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣可以最大地減少存儲(chǔ)字節(jié)數(shù)量，延長存儲(chǔ)器每次存儲(chǔ)的時(shí)長，在存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量不夠時(shí)，可時(shí)及時(shí)取出和清空。

4 實(shí)驗(yàn)測試與分析

在軟硬件設(shè)計(jì)完成后，對(duì)本設(shè)備的各類指標(biāo)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在能保證系統(tǒng)性能的情況下，盡可能小型化。主要對(duì)以下幾方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，詳細(xì)指標(biāo)如表2所示。

表2 詳細(xì)指標(biāo)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的采集速率和處理速率能否滿足要求，在日照市的海邊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。高速數(shù)傳系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)流程如下：

1)系統(tǒng)上電等待30 s后，開始自動(dòng)傳輸，上電默認(rèn)每秒采集10次，實(shí)驗(yàn)測試所得原始數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 原始數(shù)據(jù)16進(jìn)制碼

2)根據(jù)此16進(jìn)制碼，由固定的傳輸協(xié)議可得到具體的溫、壓、濕、高度、折射率值等信息。在上位機(jī)端把16進(jìn)制轉(zhuǎn)換為具體參數(shù)數(shù)據(jù)，再利用上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到蒸發(fā)波導(dǎo)的具體參數(shù)信息。

實(shí)驗(yàn)所得的修正折射率M隨高度H變化如圖7所示，得到的波導(dǎo)層分布如圖8所示。

圖7 折射率隨高度變化信息

圖8 獲得的波導(dǎo)層信息

在圖8中可得到蒸發(fā)波導(dǎo)參數(shù)信息（包括頂高、底高、厚度、強(qiáng)度）。針對(duì)獲得的波導(dǎo)參數(shù)可在其他軟件上進(jìn)行電磁波在波導(dǎo)層內(nèi)的超視距傳播情形，再根據(jù)不同的天線高度和發(fā)射仰角得到不同的傳播路徑，最終實(shí)現(xiàn)無線電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超視距傳播功能。

通過實(shí)驗(yàn)，將所得數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)蒸發(fā)波導(dǎo)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相比較，結(jié)果如圖9所示。

圖9 一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量結(jié)果比對(duì)

經(jīng)過對(duì)比可以看出來，在高速數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)中，不僅得到了10 m以下的波導(dǎo)層，還在24～27 m之間存在較小的波導(dǎo)層。而一般的采集和傳輸系統(tǒng)只能得到10 m以下的波導(dǎo)層，此波導(dǎo)層的詳細(xì)參數(shù)與高速數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)得到的波導(dǎo)層參數(shù)幾乎一致，但是得不到24～27 m處的波導(dǎo)層。也就是說，一般的采集和傳輸系統(tǒng)只能獲得蒸發(fā)波導(dǎo)強(qiáng)度較大時(shí)波導(dǎo)特征信息，而高速數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)由于采集的數(shù)據(jù)較多，速率快，可以得到強(qiáng)度小得多的波導(dǎo)層，因此無論蒸發(fā)波導(dǎo)強(qiáng)度的大或小，都能獲得其特征信息。

5 結(jié)束語

基于STM32的高速蒸發(fā)波導(dǎo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種新型的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)。使用的STM32F103單片機(jī)具有性能高、處理速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此采集精度和采集頻率也大為提高，采集頻率可達(dá)到100/s，采用統(tǒng)一電源供電，大大提高了效率，同時(shí)也盡可能地降低了功耗。采用串口無線數(shù)據(jù)傳輸，避免了復(fù)雜的外部環(huán)境下傳統(tǒng)傳輸線的局限性。因此該系統(tǒng)非常適合長時(shí)間、高精度、高頻率、低成本的蒸發(fā)波導(dǎo)數(shù)據(jù)采集和通信工作。

本系統(tǒng)不僅僅適用于蒸發(fā)波導(dǎo)高速數(shù)傳系統(tǒng)，還適用于其他的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)，在其他的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)中只需要對(duì)傳感器和軟件進(jìn)行稍加改動(dòng)即可。