錢(qián)燦軍 曹毓華

（揚(yáng)州萬(wàn)方電子技術(shù)有限責(zé)任公司 揚(yáng)州 225006）

1 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的信息化和電子化，功能多樣而又實(shí)用的手持式無(wú)線通信終端日益受到軍方的重視。由于該終端能夠?qū)⑿l(wèi)星定位、地圖導(dǎo)航、數(shù)據(jù)采集、無(wú)線傳輸?shù)裙δ芗捎谝惑w，對(duì)于高科技戰(zhàn)爭(zhēng)中各作戰(zhàn)個(gè)體至關(guān)重要，國(guó)外一些國(guó)家早已從事相關(guān)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，并將此類(lèi)產(chǎn)品裝備到特定的作戰(zhàn)場(chǎng)合［1］。

本文所研究的手持式無(wú)線通信終端可以配套應(yīng)急指揮通信車(chē)使用，當(dāng)應(yīng)急指揮通信車(chē)駐車(chē)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，多個(gè)用戶分別攜帶手持式無(wú)線通信終端分散作業(yè)，能夠進(jìn)行本地定位導(dǎo)航、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)信息無(wú)線傳輸?shù)綉?yīng)急指揮通信車(chē)指控平臺(tái)，供指揮員決策使用。該終端采用高性能嵌入式工業(yè)級(jí)處理器Freescale i.MX53構(gòu)建主控平臺(tái)，選用嵌入式操作系統(tǒng)Android 7.0，集成了顯控模塊、GPS/北斗模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)信通信模塊等，通過(guò)軟硬件合理設(shè)計(jì)，滿足了作戰(zhàn)實(shí)際使用需求。

2 終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研究了一種性能和功能要求都很高的手持式無(wú)線通信終端，該終端不僅具備通用手持終端的功能要求，而且還具備定位導(dǎo)航、數(shù)據(jù)采集和無(wú)線通信等功能，能夠滿足特種應(yīng)用場(chǎng)合多種通信需要。

終端設(shè)計(jì)有主控模塊、顯控模塊、GPS/北斗模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和無(wú)信通信模塊。主控模塊構(gòu)建系統(tǒng)主控平臺(tái)，顯控模塊提供系統(tǒng)顯示和按鍵輸入功能。通過(guò)地圖導(dǎo)航定位軟件實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航、態(tài)勢(shì)共享等功能；使用數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)、圖片圖像等實(shí)時(shí)采集、態(tài)勢(shì)感知功能，與紅外熱成像結(jié)合使用，可在夜間采集現(xiàn)場(chǎng)紅外圖像，通過(guò)圖像融合能夠?qū)崿F(xiàn)多源信息采集融合處理功能；采用通用SLIP串口通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)通信傳輸。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊是基于i.MX53系列處理器的嵌入式系統(tǒng)模塊，為嵌入式應(yīng)用提供可靠的心臟。該模塊采用小型化、低功耗的設(shè)計(jì)風(fēng)格，同時(shí)模塊化的設(shè)計(jì)減輕了開(kāi)發(fā)工作［2］。i.MX平臺(tái)支持多種系統(tǒng)啟動(dòng)模式，為設(shè)計(jì)帶來(lái)更多的靈活性，板載64GB eMMC存儲(chǔ)芯片，完美地支持高性能操作系統(tǒng)的同時(shí)滿足了多媒體系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)空間的需求。

該模塊可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、多媒體終端、手持設(shè)備等領(lǐng)域，是目前業(yè)內(nèi)高端工業(yè)級(jí)ARM平臺(tái)。i.MX53系列處理器是Freescale開(kāi)發(fā)的基于ARM Cortex?-A8核的工業(yè)級(jí)CPU，其理想的性能和超低功耗可滿足高端、高級(jí)應(yīng)用的嚴(yán)苛要求。

2.2 顯控模塊設(shè)計(jì)

顯控模塊主要提供屏幕顯示和鍵盤(pán)控制功能。

屏幕顯示由OLED顯示屏實(shí)現(xiàn)，同TFT-LCD相比，OLED是主動(dòng)發(fā)光而不需背光源的顯示器，具有高對(duì)比度、寬視角、高發(fā)光效率、快速響應(yīng)、低工作電壓、超輕薄等優(yōu)勢(shì)。更重要的是OLED環(huán)境適應(yīng)性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于液晶顯示，可耐受的溫度區(qū)間達(dá)到-40℃～85℃溫度范圍［3］。因此OLED顯示屏用在軍用手持式無(wú)線通信終端領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢(shì)。

2.3 GPS/北斗模塊設(shè)計(jì)

GPS/北斗模塊采用CC50-BG衛(wèi)星導(dǎo)航模塊，同時(shí)支持BD2 B1和GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn)，并行雙32通道。模塊體積小，系統(tǒng)集成簡(jiǎn)單方便。主要為手持式無(wú)線通信終端提供本地雙模定位、實(shí)時(shí)地圖導(dǎo)航功能。CC50-BG衛(wèi)星導(dǎo)航模塊是基于導(dǎo)航SOC芯片ProGee II的一款小體積，多系統(tǒng)、高靈敏度，低功耗，易集成的模塊產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)高精度三維定位、三維測(cè)速、精確授時(shí)，廣泛應(yīng)用于航運(yùn)、公路交通、車(chē)載導(dǎo)航、手持及物品跟蹤等領(lǐng)域［4］。

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)和圖片音視頻采集功能?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)包括現(xiàn)場(chǎng)溫度、氣壓、濕度等參數(shù)。溫度傳感器采用智能溫度傳感器DSI8B20，采集的數(shù)據(jù)可直接送入微處理器而無(wú)需AD轉(zhuǎn)換，能直接讀出被測(cè)溫度［5］。濕度傳感器采用HIH3610，是帶溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葌鞲衅?。氣壓傳感器采用MAX4115AP，是帶有片上信號(hào)調(diào)理及溫度補(bǔ)償功能的絕對(duì)壓強(qiáng)傳感器［6］。音視頻采集包括音頻采集和圖片圖像采集，音頻采集通過(guò)麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)音頻輸入，圖片圖像采集通過(guò)終端集成攝像頭將攝取的圖片圖像數(shù)據(jù)經(jīng)視頻壓縮處理后傳輸?shù)綉?yīng)急指揮通信車(chē)［7］。

2.5 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)了一個(gè)450MHz～460MHz的數(shù)字通信收發(fā)信道模塊，射頻收發(fā)芯片選用CC1100，主要通過(guò)無(wú)線信道傳輸控制命令和數(shù)據(jù)信息。無(wú)線通信模塊由功放單元、信道單元及天線單元組成，其原理框圖如圖2所示。

圖2 無(wú)線通信模塊原理框圖

無(wú)線通信模塊工作在接收時(shí)，天線接收空間的信號(hào)，經(jīng)預(yù)選濾波器選頻后經(jīng)收發(fā)開(kāi)關(guān)切換至收通道，通過(guò)balun網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶庑盘?hào)后送至I/Q路混頻，得到203KHz的I/Q路中頻信號(hào)，中頻信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器送數(shù)字解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)，再經(jīng)基帶信號(hào)處理［8］，解擾、解交織、FEC解碼，還原發(fā)端的數(shù)據(jù)信息，送往檢測(cè)終端的無(wú)線通信模塊微處理器進(jìn)行顯示處理。

無(wú)線通信模塊工作在發(fā)射時(shí)，由微處理器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)信道單元的基帶信號(hào)處理器進(jìn)行FEC編碼、交織、加擾，送往數(shù)字調(diào)制器后直接進(jìn)行上變頻。射頻信號(hào)經(jīng)balun網(wǎng)絡(luò)后轉(zhuǎn)變成單端信號(hào)，將其送至功率推動(dòng)單元放大后通過(guò)收發(fā)開(kāi)關(guān)送給天線發(fā)射出去。

3 無(wú)線組網(wǎng)通信設(shè)計(jì)

3.1 組網(wǎng)方式

采用有中心星型網(wǎng)，由主站和從站組成通信系統(tǒng)。本文采用一個(gè)主站，帶九個(gè)從站，主站和各從站通信，從站之間不能相互直接通信，采用分時(shí)輪詢方式進(jìn)行通信組網(wǎng)［9］。主站初始化后，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)成員數(shù)目（1～9），然后分時(shí)逐一向各個(gè)從站發(fā)送詢問(wèn)信息，各從站根據(jù)需要，進(jìn)行相應(yīng)的命令請(qǐng)求；待主站完成命令的執(zhí)行，主站回發(fā)相應(yīng)的結(jié)果。

3.2 通信狀態(tài)機(jī)

CC1100通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的 4線 SPI總線（SI、SO、SCLK、CSn）接口和控制器相連，收發(fā)的數(shù)據(jù)信息、控制命令以及芯片的工作模式的設(shè)置、讀/寫(xiě)緩存數(shù)據(jù)、讀/寫(xiě)狀態(tài)寄存器、芯片測(cè)試等都通過(guò)該接口進(jìn)行交互［10］。對(duì)CC1100狀態(tài)機(jī)的控制就是通過(guò)對(duì)這些命令寄存器和配置/狀態(tài)寄存器的讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)。片內(nèi)部分配置/狀態(tài)寄存器和硬件上測(cè)試接口相結(jié)合，可完成芯片的測(cè)試功能［11］。

圖3 無(wú)線通信狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

CC1100內(nèi)置一個(gè)可以在不同操作狀態(tài)（模式）之間轉(zhuǎn)換的狀態(tài)機(jī)［12］。應(yīng)用該狀態(tài)機(jī)，通過(guò)控制器發(fā)送控制命令或內(nèi)部事件的發(fā)生來(lái)切換至相應(yīng)的工作狀態(tài)。其射頻控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。這里借用系統(tǒng)狀態(tài)寄存器FSMSTATE中讀出的狀態(tài)字（方括號(hào)內(nèi)的數(shù)字）作為各個(gè)狀態(tài)的標(biāo)識(shí)。

3.3 數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)

送入無(wú)線通信模塊數(shù)字調(diào)制器的數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。原始數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)經(jīng)用戶可選擇添加的字節(jié)長(zhǎng)度和地址字節(jié)，經(jīng)無(wú)線通信模塊的包處理硬件首先進(jìn)行CRC-16校驗(yàn)并將2字節(jié)的校驗(yàn)碼添加在數(shù)據(jù)域后面，其后自動(dòng)插入前置碼序列和同步頭，送入數(shù)字調(diào)制器。

圖4 數(shù)據(jù)幀格式

手持式無(wú)線通信終端主站、從站和無(wú)線通信模塊間傳輸數(shù)據(jù)域（用戶有效載荷）信息，最長(zhǎng)60字節(jié)一幀。用戶有效載荷幀格式采用SLIP協(xié)議，SLIP是一個(gè)簡(jiǎn)單的面向字符的協(xié)議，在每個(gè)用戶信息幀的首尾各加一個(gè)特殊的標(biāo)志字節(jié)END，封裝成為SLIP幀［13］。標(biāo)識(shí)字節(jié)END的編碼為（C0H）。

4 終端軟件設(shè)計(jì)

4.1 終端應(yīng)用軟件

終端系統(tǒng)軟件可分為地圖定位導(dǎo)航、數(shù)據(jù)采集處理和信息傳輸交換軟件。地圖定位導(dǎo)航軟件主要提供現(xiàn)場(chǎng)地圖、實(shí)時(shí)導(dǎo)航以及態(tài)勢(shì)處理；數(shù)據(jù)采集處理軟件主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，包括通過(guò)攝像頭采集現(xiàn)場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合、封包處理；信息傳輸交換主要實(shí)現(xiàn)串口、網(wǎng)口傳輸及態(tài)勢(shì)信息共享功能，可將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息無(wú)線傳輸?shù)綉?yīng)急指揮通信車(chē)，供指揮員決策使用。

1）地圖定位導(dǎo)航軟件設(shè)計(jì)

用戶通過(guò)GPS/北斗獲得當(dāng)前位置的經(jīng)緯度、速度、方向、當(dāng)前所在地區(qū)的時(shí)間等信息。終端自動(dòng)計(jì)算出目的地與當(dāng)前用戶位置的距離，并計(jì)算出到達(dá)目的地的最短或最優(yōu)路徑，并在終端態(tài)勢(shì)地圖上標(biāo)出，作為用戶的參考前進(jìn)路線［14］。電子地圖上疊加態(tài)勢(shì)表示層實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，態(tài)勢(shì)圖元包括位置、報(bào)文、音頻、視頻等信息，并可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)由應(yīng)急指揮通信車(chē)指控平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)共享。

2）數(shù)據(jù)采集處理軟件設(shè)計(jì)

終端具備現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集功能，可通過(guò)USB和串口實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，連接攝像頭對(duì)態(tài)勢(shì)目標(biāo)進(jìn)行圖片圖像采集，分別在白天和夜晚（通過(guò)紅外實(shí)現(xiàn)）兩種場(chǎng)景進(jìn)行攝取，通過(guò)融合處理實(shí)現(xiàn)圖像融合。通過(guò)對(duì)態(tài)勢(shì)目標(biāo)位置和不同場(chǎng)景圖片圖像進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)采集，從而滿足態(tài)勢(shì)感知、多源信息融合處理需求。圖片按JPEG編碼壓縮，圖像以H.264格式碼流存儲(chǔ)和傳輸。

3）信息傳輸交換軟件設(shè)計(jì)

信息傳輸交換包括通信報(bào)文、短消息、現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)等方面信息交互和態(tài)勢(shì)共享，通過(guò)終端串口、網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集信息無(wú)線傳輸?shù)綉?yīng)急指揮通信車(chē)指控平臺(tái)，供指揮員決策使用。終端具備通信報(bào)文、短消息編輯、存儲(chǔ)、收發(fā)等功能，由終端唯一地址識(shí)別碼進(jìn)行通信?，F(xiàn)場(chǎng)采集態(tài)勢(shì)信息可以通過(guò)指控平臺(tái)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)終端位置、圖元信息等，實(shí)施區(qū)域內(nèi)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)信息共享。

4.2 無(wú)線通信控制軟件

無(wú)線通信控制軟件為嵌入式軟件設(shè)計(jì)，主要完成原始數(shù)據(jù)接收和發(fā)送、對(duì)CC1100初始化及工作參數(shù)、波道頻率等設(shè)置功能。

無(wú)線發(fā)送：控制程序接收原始數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行組幀，通過(guò)SPI總線發(fā)往CC1100的發(fā)送FIFO緩沖區(qū)，同時(shí)控制CC1100的發(fā)射狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

無(wú)線接收：控制程序控制從CC1100的接收FIFO緩沖區(qū)中讀出數(shù)據(jù)信息，拆包，還原出發(fā)端的數(shù)據(jù)信息，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕邮铡?/p>

波道設(shè)置：控制程序接收手持式無(wú)線通信終端的波道設(shè)置命令和波道號(hào)，控制CC1100內(nèi)部頻率合成器，切換到相應(yīng)的波道頻率上來(lái)進(jìn)行射頻信號(hào)的收發(fā)。無(wú)線通信模塊可以預(yù)置100個(gè)波道頻率。

控制軟件采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，嵌入到手持式無(wú)線通信終端主控芯片軟件中，與之一起完成數(shù)據(jù)信息和控制信息的交互。無(wú)線通信控制軟件實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 無(wú)線通信控制軟件實(shí)現(xiàn)框圖

模塊接電初始化后，CC1100參數(shù)配置單元完成對(duì)CC1100工作寄存器的參數(shù)進(jìn)行配置，串口接收數(shù)據(jù)處理單元完成對(duì)串口接收中斷所得的命令、數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，CC1100數(shù)據(jù)發(fā)送單元完成對(duì)串口接收的需無(wú)線發(fā)送的信息進(jìn)行射頻發(fā)射處理，CC1100數(shù)據(jù)接收單元完成對(duì)空間無(wú)線接收到的信息進(jìn)行處理［15］，UART0中斷服務(wù)單元完成對(duì)核心模塊單元收、發(fā)信息傳輸處理，/INT0中斷服務(wù)單元完成對(duì)CC1100接收到或發(fā)送出一幀信息的指示進(jìn)行處理。

5 終端實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

5.1 終端功能模塊實(shí)現(xiàn)

通過(guò)方案設(shè)計(jì)、樣機(jī)設(shè)計(jì)和樣機(jī)試制過(guò)程，分階段完成了各功能模塊的軟硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了手持式無(wú)線通信終端定位導(dǎo)航、數(shù)據(jù)采集和無(wú)線通信等功能，滿足了作戰(zhàn)場(chǎng)合多種通信需要。圖6所示為終端主控模塊實(shí)物圖，圖7所示為終端無(wú)線通信模塊實(shí)物圖。

圖6 終端主控模塊實(shí)物圖

圖7 終端無(wú)線通信模塊實(shí)物圖

5.2 終端通信距離測(cè)試

終端通過(guò)波道設(shè)置命令“C0H，05H，（CBH，00H，01H，波道號(hào)（0～64H）），XOR校驗(yàn)字，C0H”、功率設(shè)置命令“C0H，05H，（CAH，00H，01H，功率代碼（0～9）），XOR校驗(yàn)字，C0H”、數(shù)據(jù)發(fā)送命令“C0H，字節(jié)長(zhǎng)度（n），（數(shù)據(jù) 1，數(shù)據(jù) 2，…，數(shù)據(jù)n-1），XOR校驗(yàn)字，C0H”進(jìn)行無(wú)線通信距離測(cè)試。

陪試設(shè)備采用標(biāo)通用計(jì)算機(jī)RS232標(biāo)準(zhǔn)串口外接無(wú)線通信模塊，38400bps，200ms間隔，采用1.8m折疊天線；手持式無(wú)線通信終端采用內(nèi)置無(wú)線通信模塊，38400bps，200ms間隔，采用標(biāo)配短波天線。拉距測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表如表1所示。

表1 拉距測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

通過(guò)上述測(cè)試，通信距離在1km時(shí)通信不丟包，通信距離在2km時(shí)設(shè)置為中功率、大功率通信不丟所，通信距離在3km時(shí)設(shè)置為大功率時(shí)通信不丟包，滿足預(yù)定設(shè)計(jì)要求，整機(jī)無(wú)線通信設(shè)計(jì)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

5.3 無(wú)線通信模塊性能指標(biāo)測(cè)試

輸出功率測(cè)試：終端從天線口通過(guò)衰減器連接頻譜儀，將無(wú)線通信模塊設(shè)置為大功率發(fā)射測(cè)試常發(fā)狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果表明，輸出功率不低于500mW。

接收靈敏度測(cè)試：采用兩臺(tái)終端進(jìn)行測(cè)試，一臺(tái)作為發(fā)射測(cè)試終端，另一臺(tái)作為待測(cè)終端。先從發(fā)射測(cè)試終端天線口連接頻譜儀，測(cè)試出輸出電平值；再將發(fā)射測(cè)試終端通過(guò)可調(diào)衰減器連接待測(cè)終端，通過(guò)調(diào)節(jié)衰減器衰減量［16］，使得待測(cè)終端接收測(cè)試數(shù)據(jù)誤包率為1%，通過(guò)衰減器的衰減量推算出待測(cè)終端天線接收電平，能夠滿足不高于-80dBm指標(biāo)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文完成了惡劣環(huán)境下終端系統(tǒng)主控模塊、顯控模塊、GPS/北斗模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了地圖導(dǎo)航定位、數(shù)據(jù)采集處理和信息傳輸交換軟件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了無(wú)線通信控制程序，開(kāi)展了無(wú)線組網(wǎng)方式、數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)和軟件模塊化設(shè)計(jì)。由于時(shí)間進(jìn)度限制，本文所研究的手持式無(wú)線通信終端，沒(méi)有采用GPRS、GSM、4G等移動(dòng)通信方式，不能與民用領(lǐng)域移動(dòng)互聯(lián)，不具備通用性。這主要從軍用安全保密需要考慮，將無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)為專用無(wú)線通信模塊，組建專用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)通信保密性強(qiáng)。

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