劉　芳　岳偉甲　鄭玲玲

(陸軍軍官學(xué)院裝甲兵系　合肥　230031)

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基于雙頻技術(shù)的槍支定位器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉芳岳偉甲鄭玲玲

(陸軍軍官學(xué)院裝甲兵系合肥230031)

摘要論文采用高低頻配合的設(shè)計(jì)模式，綜合運(yùn)用低頻載波定位、寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻定位、無(wú)線通信技術(shù)，研制了“基于雙頻技術(shù)的槍支定位器”，將其安裝在槍托副品匣內(nèi)，具有防拆卸功能。基于無(wú)線低頻喚醒的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)接收?qǐng)?bào)警主機(jī)發(fā)射的無(wú)線低頻激勵(lì)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)槍支定位器主芯片的喚醒，并進(jìn)行高頻定位模式的切換，顯著降低了槍支定位器的功耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)間。

關(guān)鍵詞低頻喚醒; 高頻定位; 無(wú)線通信

Class NumberTP391

1　引言

目前大多數(shù)的營(yíng)區(qū)安裝了視頻與電話監(jiān)視控制設(shè)施，使用視頻電話等監(jiān)控方式隨時(shí)隨地監(jiān)視控制與跟蹤各個(gè)哨位點(diǎn)，并且配合工作人員的巡視以確保安全性。雖然預(yù)防安全隱患的能力有所增強(qiáng)，然而因?yàn)閭鹘y(tǒng)管理模式的局限性，依舊有很多問(wèn)題難以處理。通過(guò)對(duì)部隊(duì)實(shí)際和目前市場(chǎng)各類(lèi)槍支防丟防盜系統(tǒng)的分析，為加強(qiáng)部隊(duì)安全防范工作，防止執(zhí)勤槍支被搶、哨兵被襲擊和哨兵攜槍逃離部隊(duì)等情況的發(fā)生，加大對(duì)執(zhí)勤槍支的監(jiān)督管理力度，有效預(yù)防武器裝備丟失和遭人為破壞，防止涉槍涉彈重大惡性案件發(fā)生，本文提出了“基于雙頻技術(shù)的槍支定位器”設(shè)計(jì)方案，采用高低頻配合的多種無(wú)線定位方式，將其安裝在槍托副品匣內(nèi)，具有防拆卸功能，采用低功耗嵌入式設(shè)計(jì)，可接收低頻(125K)信號(hào)，并利用高頻(2.4G)信道進(jìn)行通信和多點(diǎn)定位，具有蜂窩移動(dòng)定位功能[1]。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

槍支定位器平時(shí)工作中心頻率為125kHz，起喚醒2.4G定位模塊作用。槍支定位器總體硬件框圖如圖1所示。

圖1　槍支定位器總體硬件框圖

當(dāng)定位器收到報(bào)警主機(jī)125K的激勵(lì)信號(hào)之后，2.4G定位模塊由被動(dòng)喚醒轉(zhuǎn)換為主動(dòng)傳輸，進(jìn)行2.4GHZ頻段通訊[2]。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證槍支定位器激活距離一般為3m。當(dāng)執(zhí)勤槍支超出報(bào)警主機(jī)激活距離，即在營(yíng)門(mén)活動(dòng)區(qū)域范圍內(nèi)采用高頻(2.4G)無(wú)線定位技術(shù)，此時(shí)基于信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)距方式采用基于時(shí)間的測(cè)距方式，進(jìn)行多點(diǎn)定位。當(dāng)執(zhí)勤槍支遠(yuǎn)離營(yíng)門(mén)超出活動(dòng)范圍，此時(shí)系統(tǒng)激活GSM+GPRS模塊，采用蜂窩移動(dòng)定位技術(shù)(GSM+GPRS)，通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，迅速將槍支位置信息傳送給移動(dòng)用戶(hù)或者遠(yuǎn)端的用戶(hù)[3]。

2.1低頻接收設(shè)計(jì)

槍支定位器中低頻喚醒接收模塊，其低頻喚醒接收功能的實(shí)現(xiàn)核心是奧地利微電子的AS3932芯片[4]。AS3932是一款3通道可編程低頻喚醒接收器，具有3通道ASK喚醒接收，可編程16位或32位曼徹斯特喚醒碼；接收頻率范圍廣泛：15kHz～150kHz；支持可編程數(shù)據(jù)速率和帶時(shí)鐘恢復(fù)的曼徹斯特解碼，并提供了內(nèi)置自動(dòng)天線調(diào)諧器；喚醒靈敏度達(dá)到80μVRMS，3通道低功耗偵聽(tīng)模式功耗最低僅有1.7μA。低頻天線采用并聯(lián)諧振方式，由并聯(lián)電阻、電容和電感組成。為克服低頻接收的方向性，天線采用PREMO 的三維正交低頻天線，其中X、Y軸方向上的電感LXY=4.77mH，直流等效電阻RXY=93Ω，Z軸方向上的電感LZ=5.89mH，直流等效電阻RZ=142Ω，低頻諧振的頻率f=125kHz。低頻天線并聯(lián)諧振的等效電路如圖2所示。

圖2　低頻天線并聯(lián)諧振等效電路

其中L為天線線圈的電感值，u為天線線圈的感應(yīng)電壓，RL為天線線圈的直流等效電阻，Cpar為并聯(lián)電容，Rpar為并聯(lián)電阻。為了達(dá)到最優(yōu)的低頻接收靈敏度，對(duì)諧振電路匹配的阻容進(jìn)行理論計(jì)算。電路諧振時(shí)，并聯(lián)電容計(jì)算可通過(guò)湯姆遜公式獲得：

(1)

當(dāng)L=LXY=4.77mH，f=125kHz，代入上式求得CparXY=340.2pF；

當(dāng)L=LZ=5.89mH，f=125kHz，代入上式求得CparZ=275.5pF。

設(shè)計(jì)中缺少電容值為340.2pF和275.5pF的電容，X、Y采用330pF和10pF的電容并聯(lián)代替，Z采用270pF和6.8pF的電容并聯(lián)代替。

低頻天線性能和其品質(zhì)因數(shù)Q關(guān)系密切，一般來(lái)講，Q值越高低頻喚醒作用距離越遠(yuǎn)，不過(guò)Q值太高會(huì)導(dǎo)致標(biāo)簽通頻帶寬縮小，影響數(shù)據(jù)的正確性。設(shè)計(jì)中Q值大小無(wú)法遵循協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，廠家推薦的Q值范圍為20～30。并聯(lián)諧振電路有載品質(zhì)因數(shù)Q可由下式得到：

(2)

根據(jù)天線諧振電路相關(guān)參數(shù)，選取Q=25.1，代入式(2)分別求得XYZ軸諧振并聯(lián)電阻：RparXY=250kΩ，RparZ=470kΩ。

125K接收模塊的電路圖如圖3所示?？紤]程序處理的精簡(jiǎn)性，AS3932芯片外接32.768kHz的晶振，用于對(duì)低頻信號(hào)的頻率檢測(cè)。AS3932三個(gè)接收通道的管腳分別與3D低頻天線的XYZ軸引腳相連，配置引腳與MCU的SPI相連，喚醒管腳WAKE3932與MCU的P0管腳相連，曼徹斯特解碼時(shí)鐘管腳CL_DAT3933和數(shù)據(jù)引腳DAT3932與MCU的P2腳相連，電源引腳外接電源。

2.22.4G定位通信模塊

對(duì)于槍支定位器的監(jiān)控在營(yíng)門(mén)活動(dòng)區(qū)域采用高頻(2.4G)無(wú)線定位技術(shù)，這個(gè)區(qū)域較開(kāi)闊，也存在院墻、車(chē)輛對(duì)信號(hào)的遮擋，測(cè)距時(shí)需要考慮多徑傳播、非視距傳播、其他電子設(shè)備干擾問(wèn)題，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，最大測(cè)距距離可能接近140m，基于信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)距方式在距離大于80m很難獲得較高的測(cè)距精度，必須采用基于時(shí)間的測(cè)距方式，進(jìn)行多點(diǎn)定位[5]。

本文采用nanoPAN 5375模塊，該模塊是一款高性能射頻模塊，具有位置感知與高速通訊功能，其工作于2.4GHz ISM 頻段，既可以高速傳輸數(shù)據(jù)，又可以精確測(cè)距(室外測(cè)距精度高達(dá)1m)，且測(cè)距和數(shù)據(jù)通信可以同時(shí)完成。該模塊采用線性調(diào)頻(CSS)調(diào)制方式，具有輸出PA(功率放大器)、輸入LNA(低噪聲放大器)、收發(fā)轉(zhuǎn)換控制電路，輸出已匹配到50Ω，使用非常方便[6]。

圖3　125K接收模塊電路圖

nanoPAN 5375模塊與單片機(jī)通過(guò)SPI口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其中RX_LNA引腳為接收LNA 增益控制腳。高電平為高增益狀態(tài)，增益11dB；低電平為低增益狀態(tài)，增益1dB。在休眠狀態(tài)下，需使此引腳處于低電平，以降低電流消耗。而VCC_PA引腳為功率放大器電源控制引腳，2.5V～3.6V。用于提高模塊的輸出功率。nanoPAN 5375 模塊電路圖如圖4所示。

圖4　nanoPAN 5375模塊電路圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

槍支定位器在上電初始化完畢之后立即進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待中斷信號(hào)[7]。當(dāng)被中斷信號(hào)喚醒之后，判斷中斷來(lái)源從而執(zhí)行相關(guān)操作?？刂屏鞒倘鐖D5所示。

中斷源從功能上主要分為四個(gè)： 1) 低頻喚醒信號(hào)中斷; 2) RF模塊相關(guān)中斷； 3) 定時(shí)器1中斷; 4) 定時(shí)器2中斷。

1) 低頻喚醒信號(hào)中斷

當(dāng)AS3932接收到喚醒信號(hào)之后，向主控芯片發(fā)送喚醒中斷信號(hào)。主控芯片在收到低頻喚醒信號(hào)之后，立即讀取喚醒碼來(lái)獲取喚醒信息。之后啟動(dòng)RF模塊，與報(bào)警主機(jī)通信。

2) 定時(shí)器1中斷

定時(shí)器1中斷用來(lái)判斷未收到低頻喚醒信號(hào)時(shí)間和進(jìn)行剩余電量采集工作的時(shí)間間隔。當(dāng)超出預(yù)設(shè)時(shí)間未收到低頻喚醒信號(hào)則進(jìn)入RF測(cè)距準(zhǔn)備[9～10]，此時(shí)槍支定位器需要通過(guò)RF模塊向報(bào)警主機(jī)發(fā)送一條準(zhǔn)備完成指令；當(dāng)定時(shí)器1累計(jì)定時(shí)間隔大于3小時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行一次AD采樣，并將結(jié)果通過(guò)RF模塊發(fā)送給報(bào)警主機(jī)。

圖5　槍支定位器軟件流程圖

3) 定時(shí)器2中斷

定時(shí)器2中斷用來(lái)判斷未收到測(cè)距信號(hào)的時(shí)間，當(dāng)沒(méi)有收到測(cè)距命令的時(shí)間大于預(yù)設(shè)時(shí)間后，系統(tǒng)認(rèn)為超出營(yíng)門(mén)活動(dòng)區(qū)域，需要觸發(fā)報(bào)警并打開(kāi)GSM模塊。

4) RF模塊中斷

RF模塊啟動(dòng)后進(jìn)入測(cè)距準(zhǔn)備狀態(tài)，每收到一次測(cè)距命令，觸發(fā)主芯片一次中斷，該中斷對(duì)定時(shí)器2清零，確保GSM模塊關(guān)閉。

4　系統(tǒng)測(cè)試

槍支定位器安裝于槍械附品倉(cāng)內(nèi)，具有崗?fù)ざㄎ弧⒕€性調(diào)頻擴(kuò)頻測(cè)距、通信基站定位、2.4G數(shù)據(jù)傳輸、電量檢測(cè)、防拆卸報(bào)警等功能。為了實(shí)測(cè)所設(shè)計(jì)測(cè)距硬件的性能，使用槍支定位器和報(bào)警主機(jī)在某機(jī)構(gòu)崗哨進(jìn)行了試用實(shí)驗(yàn)，將兩節(jié)點(diǎn)距離從1.2m每次增加1.2m，直到46.8m，記錄各距離下的測(cè)量數(shù)據(jù)，如6圖所示?？梢钥闯鰷y(cè)量點(diǎn)的擬合線基本上與真實(shí)距離線平行，且測(cè)量數(shù)據(jù)的方差較小，這證實(shí)了所設(shè)計(jì)的硬件具有較好的穩(wěn)定性和較高的測(cè)量精度。

圖6　測(cè)量距離誤差

將報(bào)警主機(jī)和三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)分別放置該機(jī)構(gòu)兩個(gè)崗?fù)?nèi)和兩個(gè)大門(mén)柱高處平臺(tái)上，坐標(biāo)分別為(0，0)，(12，0)，(2，5)，(10，5)，將槍支定位器放置在營(yíng)門(mén)區(qū)域內(nèi)已知距離的不同位置上，分別進(jìn)行10次測(cè)試，結(jié)合非視距誤差提出算法，計(jì)算出響應(yīng)的位置，根據(jù)10組數(shù)據(jù)繪出定位誤差累積分布圖[8]，如圖7所示。

圖7　定位誤差累計(jì)分布圖

圖7中，定位誤差為1m時(shí)，誤差累積分布已達(dá)到0.5，意味著定位均方根誤差在1m以?xún)?nèi)的點(diǎn)數(shù)達(dá)到了總實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)的一半；而定位誤差為5m時(shí)，誤差累積分布為1。從以上數(shù)據(jù)可知，由于四個(gè)節(jié)點(diǎn)距離較近且不在同一水平面，誤差略有增大，但也能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，有比較理想的實(shí)用性。

5　結(jié)語(yǔ)

本文綜合運(yùn)用了低頻載波喚醒、寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻定位、移動(dòng)基站定位、無(wú)線通信技術(shù)，在確保定位精度的同時(shí)降低了系統(tǒng)功耗，可實(shí)時(shí)顯示哨兵活動(dòng)軌跡，系統(tǒng)具備無(wú)線定位、離位報(bào)警、斷線報(bào)警、失電報(bào)警和防拆卸功能，實(shí)現(xiàn)了執(zhí)勤槍支在營(yíng)門(mén)區(qū)域的定位，解決了當(dāng)前無(wú)線定位系統(tǒng)因晶振漂移、多徑效應(yīng)和非視距因素導(dǎo)致的定位誤差大，易觸發(fā)誤報(bào)漏報(bào)的問(wèn)題。本文提出的采用低頻信號(hào)對(duì)崗?fù)し秶M(jìn)行定位的技術(shù)方案，既解決了近距離情況下高頻信號(hào)繞射性差，定位誤差大的問(wèn)題，又極大地降低了槍支定位器功耗，提高了其工作時(shí)間。

參 考 文 獻(xiàn)

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*收稿日期：2015年10月8日,修回日期：2015年11月13日

作者簡(jiǎn)介：劉芳，女，碩士，講師，研究方向：檢測(cè)技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。岳偉甲，男，碩士，講師，研究方向：裝備測(cè)試及軍事計(jì)量技術(shù)研究工作。鄭玲玲，女，碩士，講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

中圖分類(lèi)號(hào)TP391

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.036

Design and Complementation of Gun Locator Based on Dual Frequency Technology

LIU FangYUE WeijiaZHEN Lingling

(Armoured Forces Institute, Army Officer Academy， Hefei230031)

AbstractUsing the design patterns with the dual frequency， with the integrated use of low frequency carrier phase positioning， wideband， linear FM spread-spectrum positioning， wireless communication technology， the “based on dual band technology guns locator”is developed， it will be installed in the buttstock with anti dismounting function. Based on the advantages of wireless low frequency wake-up， the main chip of the main chip of the gun is awakened， and the high frequency positioning mode is switched.

Key Wordslow frequency wake, high frequency localization, wireless communication