衛(wèi) 欣中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院(山西太原，030051)

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基于ARM的沖擊波測(cè)試系統(tǒng)的便攜終端設(shè)計(jì)
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衛(wèi) 欣
中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院(山西太原，030051)

[摘 要]在沖擊波測(cè)試中，測(cè)試系統(tǒng)的狀態(tài)難以監(jiān)測(cè)，測(cè)試參數(shù)一旦設(shè)置不當(dāng)便無法現(xiàn)場(chǎng)更改；而以PC為系統(tǒng)的控制終端，在戶外試驗(yàn)時(shí)存在操作不便、不易攜帶的缺點(diǎn)。針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了基于ARM的便攜控制終端。利用Qt技術(shù)設(shè)計(jì)了圖形控制界面，對(duì)無線通信進(jìn)行了性能測(cè)試。手持終端通過無線控制測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)試系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)的無線傳輸與波形顯示。將手持終端應(yīng)用于彈藥試驗(yàn)，結(jié)果表明，其具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。

[關(guān)鍵詞]沖擊波；測(cè)試系統(tǒng)；便攜終端；ARM；Qt

[分類號(hào)] TJ510.6

引言

爆炸沖擊波是評(píng)價(jià)武器毀傷效應(yīng)的重要參數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量沖擊波超壓可以為彈箭威力評(píng)價(jià)、毀傷效能提供可靠依據(jù)[1-2]。目前，主要采用引線法和儲(chǔ)存法獲取沖擊波超壓[3-4]。儲(chǔ)存法彌補(bǔ)了引線法存在的布線繁鎖、抗干擾能力弱和信號(hào)引入噪聲等缺點(diǎn)[5-6]，但其不足是試驗(yàn)完成后需要回收測(cè)試裝置讀取數(shù)據(jù)[7]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，無線技術(shù)也應(yīng)用到?jīng)_擊波測(cè)試中[8-10]。由于測(cè)試條件惡劣并且爆炸具有極大的破壞性，通常將無線測(cè)試節(jié)點(diǎn)布置于地面。這使得無線傳輸信道變得復(fù)雜，信號(hào)衰減嚴(yán)重[11]，大大影響數(shù)據(jù)的傳輸速率和傳輸距離，甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)無線傳輸失敗。而且，測(cè)點(diǎn)布置好后難以獲悉其工作狀態(tài)，因人為等各種因素引起測(cè)點(diǎn)不在正確的狀態(tài)從而導(dǎo)致測(cè)試失敗時(shí)有發(fā)生。另外，測(cè)試大多在戶外進(jìn)行，傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)以PC為控制終端，其成本較高、不易攜帶，操作不便[12]，使測(cè)試效率大打折扣。

本文通過研究儲(chǔ)存測(cè)試原理并結(jié)合無線WiFi技術(shù)，設(shè)計(jì)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(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)的無線讀取、儲(chǔ)存與顯示。手持終端還設(shè)有USB接口，當(dāng)出現(xiàn)無線故障時(shí)可通過USB接口讀取數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)丟失，進(jìn)一步提高了測(cè)試的可靠性。

1 系統(tǒng)總體組成

整個(gè)系統(tǒng)主要由沖擊波測(cè)試系統(tǒng)和手持終端組成，如圖1所示。

1)沖擊波測(cè)試系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)采集沖擊波信號(hào)并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。沖擊波信號(hào)經(jīng)過傳感器并通過放大、濾波等調(diào)理電路的處理，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并儲(chǔ)存。其無線通信模塊選用新力維公司W(wǎng)M001S 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(fā)芯片為一體，內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧，以服務(wù)器模式集成在測(cè)試系統(tǒng)中。另外，測(cè)試系統(tǒng)的USB芯片采用FTDI公司的FT245RL，實(shí)現(xiàn)利用USB接口將數(shù)據(jù)輸出。

2)手持終端。為節(jié)省開發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)便攜，硬件平臺(tái)選用自帶3.5寸觸摸屏的ARM開發(fā)板，在此平臺(tái)上使用Qt設(shè)計(jì)圖形控制界面。該開發(fā)板的CPU采用含ARM920T內(nèi)核的S3C2440，是專用于手持設(shè)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(shè)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(wǎng)口、USB接口等通信接口。利用USB接口的RT3070無線網(wǎng)卡完成與測(cè)試系統(tǒng)的無線通信。在圖形控制界面上，通過點(diǎn)擊觸摸屏發(fā)送相關(guān)指令，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊波測(cè)試系統(tǒng)的控制，完成測(cè)試任務(wù)。

2 手持終端軟件總體設(shè)計(jì)

手持終端主要工作是控制測(cè)試系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)測(cè)試系統(tǒng)的狀態(tài)、讀取與顯示獲取的數(shù)據(jù)。這些都可通過手持終端的人機(jī)交互控制界面來完成。具體內(nèi)容包括:通過無線發(fā)送控制指令，設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)的工作參數(shù)；通過對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)掃描，獲悉測(cè)試系統(tǒng)的工作狀態(tài)，利用參數(shù)回讀的功能來驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)是否在正確的工作狀態(tài)。若不在設(shè)定的工作狀態(tài)(如人為因素導(dǎo)致的誤觸發(fā)等)，可通過設(shè)置參數(shù)的功能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)更改，確保測(cè)試順利進(jìn)行。讀取采集到的測(cè)試數(shù)據(jù)并進(jìn)行儲(chǔ)存，然后通過波形顯示出來。

因此，軟件設(shè)計(jì)主要包括3大模塊:USB有線通信模塊、無線通信模塊和人機(jī)界面模塊。手持終端的軟件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 USB驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的USB芯片選用FTDI公司的FT245RL，但并未提供其在ARM的Linux下的驅(qū)動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)手持終端與測(cè)試系統(tǒng)的USB通信，首先要完成支持Linux下的FT245RL驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。USB驅(qū)動(dòng)屬于字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，可利用USB芯片的VID和PID識(shí)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(nèi)核源碼中的USB驅(qū)動(dòng)的框架程序，根據(jù)“/drivers/usb/”目錄下的usb-skeleton.c文件，對(duì)ft245的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編寫，得到修改好的ft245.c驅(qū)動(dòng)文件后，將該文件置于/drivers/char/的目錄下。然后對(duì)同一目錄下的“kconfig”和“Makefile”文件進(jìn)行修改，在內(nèi)核源碼中添加對(duì)ft245驅(qū)動(dòng)支持，在終端通過＃Make menuconfig命令實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)核的配置。再執(zhí)行＃Make SUBDIR = drivers/char/modules命令編譯出驅(qū)動(dòng)模塊，完成后將在/drivers/char/的目錄下發(fā)現(xiàn)名為ft245.ko的文件。最后將ft245.ko文件移入到開發(fā)板中，采用insmod ft245.ko命令實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載。此時(shí)便實(shí)現(xiàn)手持終端與測(cè)試系統(tǒng)的USB通信。

2.2 RT3070無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的移植與測(cè)試。

手持終端利用USB接口的無線網(wǎng)卡與測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線通信，選用以Ralink公司的RT3070芯片為核心的無線網(wǎng)卡。首先對(duì)官網(wǎng)獲取其驅(qū)動(dòng)程序源碼，通過相關(guān)配置、編譯完成移植后，利用wireless_tool工具來設(shè)置無線網(wǎng)卡參數(shù)。測(cè)試系統(tǒng)無線模塊的ESSID為ubnt，IP為192.168.1.20，執(zhí)行iwlist ra0 scanning命令對(duì)附近的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行搜索，根據(jù)超級(jí)終端的反饋信息判斷是否能搜索到ubnt無線網(wǎng)絡(luò)，成功搜索到后再通過iwconfig ra0 essid ubnt命令，完成與測(cè)試系統(tǒng)的無線模塊網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)。在超級(jí)終端執(zhí)行ping192.168.1.20的命令，來驗(yàn)證無線網(wǎng)卡和測(cè)試系統(tǒng)的無線模塊之間的無線網(wǎng)絡(luò)是否實(shí)現(xiàn)連通，若兩者完成連通，說明無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)已經(jīng)移植成功，并可與測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行無線通信。測(cè)試成功后，手持終端可通過無線監(jiān)控測(cè)試系統(tǒng)。

2.3 控制界面的設(shè)計(jì)

控制界面以圖形化和傳統(tǒng)代碼相結(jié)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(shè)計(jì)，再通過Qt Pesigner From Class來創(chuàng)建“設(shè)置參數(shù)”與“參數(shù)回讀”兩個(gè)控制界面子窗口；“數(shù)據(jù)顯示”界面則以常用的代碼編寫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)坐標(biāo)與波形顯示的功能?！霸O(shè)置參數(shù)”與“參數(shù)回讀”兩個(gè)子控制操作界面分別如圖3、圖4所示。

2.4 后臺(tái)處理程序設(shè)計(jì)

主要包含USB有線通信和無線方式的兩大設(shè)計(jì)內(nèi)容，以完成參數(shù)設(shè)置與回讀、數(shù)據(jù)讀取與顯示。

1)設(shè)置參數(shù):由沖擊波經(jīng)驗(yàn)公式分析可知，沖擊波超壓峰值因彈藥的當(dāng)量和距爆心的距離不同而變化。為了獲取完整的數(shù)據(jù)，需要根據(jù)測(cè)試要求對(duì)測(cè)試系統(tǒng)合理設(shè)置參數(shù)。通過發(fā)送指令，完成采樣頻率、負(fù)延時(shí)點(diǎn)數(shù)、觸發(fā)電平、放大倍數(shù)和數(shù)據(jù)長度等參數(shù)的設(shè)置。

2)參數(shù)回讀:通過對(duì)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)送參數(shù)回讀指令，然后接收測(cè)試系統(tǒng)反饋的信息，利用ui→label→setText[tr(“有關(guān)參數(shù)”)]命令，在ui文件的標(biāo)簽Label中進(jìn)行顯示，由此監(jiān)測(cè)測(cè)試系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以判斷測(cè)試系統(tǒng)是否處于設(shè)定的狀態(tài)，及驗(yàn)證參數(shù)是否已設(shè)置成功。

3)數(shù)據(jù)讀取:發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令，接收測(cè)試系統(tǒng)送回的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式在指定文件中進(jìn)行儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)坐標(biāo)和數(shù)據(jù)波形的繪制。首先對(duì)重繪事件函數(shù)、初始化界面函數(shù)和坐標(biāo)設(shè)定函數(shù)進(jìn)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(jìn)制文件中數(shù)據(jù)讀取和波形顯示的功能。

設(shè)計(jì)完成后，在手持終端上通過控制界面發(fā)送相關(guān)命令，對(duì)沖擊波測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行控制，完成測(cè)試任務(wù)，其工作流程如圖5。

3 無線通信性能測(cè)試

為了驗(yàn)證手持終端與測(cè)試系統(tǒng)無線通信的可靠性和穩(wěn)定性，在實(shí)際爆炸環(huán)境下(靶場(chǎng))進(jìn)行無線性能測(cè)試。首先將沖擊波測(cè)試系統(tǒng)埋設(shè)于地面，并保持與彈藥試驗(yàn)布置的情況一致。為了便于測(cè)試，每次測(cè)試令測(cè)試系統(tǒng)處于待觸發(fā)狀態(tài)，并且其儲(chǔ)存測(cè)試數(shù)據(jù)大小均設(shè)置為512KWord，然后人為觸發(fā)或者軟件觸發(fā)(手持終端)。在距測(cè)試系統(tǒng)不同距離處利用手持終端，在圖形控制界面上點(diǎn)擊參數(shù)回讀指令，回讀測(cè)試系統(tǒng)的工作狀態(tài)，進(jìn)一步驗(yàn)證參數(shù)回讀功能的可靠性，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，并記錄其完成所需要的時(shí)間。在同一距離處重復(fù)讀取3次，并將3次讀取時(shí)間的均值作為數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。每次讀數(shù)過程均未發(fā)生掉點(diǎn)和傳輸中斷的情況，進(jìn)一步證明無線通信的穩(wěn)定性和可靠性。

測(cè)試結(jié)果見表1。由結(jié)果可知，手持終端能成功回讀測(cè)試系統(tǒng)的工作參數(shù)和通過無線可靠地讀取數(shù)據(jù)。但隨著距離增大，無線傳輸速率減小，信號(hào)嚴(yán)重減弱；其主要原因是測(cè)試系統(tǒng)布置于地面，使得無線傳輸信道變得復(fù)雜，尤其由地面吸收較多的無線電波造成信號(hào)衰減嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)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(diào)整手持終端與測(cè)試系統(tǒng)的距離，使無線傳輸性能更佳，以保證快速有效地讀取數(shù)據(jù)，提高測(cè)試效率。

表1 無線通信性能測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of wireless performance

在某彈藥靜爆威力測(cè)試中，彈藥用木架架高1 m，測(cè)試系統(tǒng)布置于地面，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。手持終端在150 m遠(yuǎn)處控制測(cè)試系統(tǒng)，通過對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)掃描，成功獲取了事先設(shè)定好的工作參數(shù)，確保了測(cè)試系統(tǒng)在正確的工作狀態(tài)。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(cè)試系統(tǒng)采集到的沖擊波壓力數(shù)據(jù)(圖7)，并在波形顯示窗口顯示了測(cè)試結(jié)果(圖8)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的沖擊波測(cè)試系統(tǒng)的手持終端具有以下優(yōu)點(diǎn):1)成本低、小巧便攜、易操作；2)實(shí)現(xiàn)了無線控制和沖擊波監(jiān)測(cè)，可讀取數(shù)據(jù)并顯示沖擊波波形，當(dāng)出現(xiàn)無線故障時(shí)，可通過USB接口讀取數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)不丟失；3)可靈活調(diào)整與測(cè)試系統(tǒng)的距離，以充分利用更佳的無線傳輸性能，避免因測(cè)點(diǎn)布置于地面引起無線信號(hào)衰減嚴(yán)重而造成數(shù)據(jù)讀取失敗的問題。

該手持終端穩(wěn)定可靠，在實(shí)彈測(cè)試中得到了應(yīng)用，提高了測(cè)試效率，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)開支，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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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(wèi)欣(1990～)，男，碩士研究生，主要從事自動(dòng)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