基于无线数据传输的水下爆炸压力遥测系统

介绍了基于无线数据传输的水下爆炸压力遥测系统。该系统能够对水下多个测点上的爆炸压力峰值、冲击波与二次波波形、爆心与测点间的距离等进行同时测量，并将测量数据实时或重复发送到主控站。同时详尽阐述了系统采用的各种关键技术和软件的功能、通信控制技术等。?
    关键词：数据采集，无线通信，扩频，抗干扰

    武器的命中精度和爆炸威力是武器装备的两个最重要的战术技术指标，水下爆炸压力遥测系统是为考核水中兵器的水下爆炸威力及对舰船的毁伤能力而研制的，它可以对水下多个测点上的爆炸压力峰值、冲击波与二次波波形、爆心与测点间的距离等进行同时测量。
1 系统设计方案
    水下爆炸压力遥测系统由两部分组成：测量站和主控站。测量站由传感器组、数据采集器、单片机控制系统、数字电台等组成；主控站由数字电台、通讯适配器、主控机及其输入输出设备组成。如图1所示。

    其工作过程如下：爆炸发生后，测量站的压力传感器组将单次瞬态爆炸压力波信号转换为相应的电信号，送数据采集器进行采集，然后通过数字电台发送采样数据；主控站数字电台收到采样数据后，通过适配器与主控机建立通讯联系，主控机接收并处理数据，显示打印冲击波峰值、冲击波与二次波波形等。
2 关键技术?
2.1 扩频通信技术?
    Motorola公司生产的GM950I型电台增加一个无线数传Modem后，便成为具有扩频功能的数字电台。其原理是：在发送端用扩频编码去扩展信号频谱，在接收端用相同的编码解扩，使之还原成原始信号。具体做法是：发送端信号经模2加法器调制，再经过伪随机码发生器产生扩频信号，加在载波调制器输入端，利用QPSK方式调制成载波信号，调制后获得的宽带扩频信号放大后发射出去；在接收端，射频信号经放大、射频宽带滤波，由同步电路从发来的扩频编码的相位中拾取同步信号，经解扩后还原出原始信号。
    无线通信采用扩频技术，由于扩频信号隐藏在白噪声中难以检测，因而具有较好的通信保密性，同时使系统有较高的信噪比，抗干扰性能好，易于实现码分多址。
    数字电台与主控机的通信协议为：?
    ·通信接口：标准串行RS?232接口，9线制全双工方式；?
    ·通信字格式：1位起始位，8位数据位，1位停止位；?
    ·波特率：4800bau/s。?
2.2 数据采集技术?
    数据采集一般指将连续变化的模拟量转换成离散的数字量，送处理机进行处理的过程。数据采集的核心是A/D转换芯片的选取及其与处理机的接口方法。数据采集器的电路实现如图2所示。

2.2.1 A/D转换芯片的选取?
    水下爆炸压力遥测系统的数据采集器采用MAXIM公司的MAX153芯片，这是一种基于半闪速技术的高速8位ADC，其主要特性如下：?
    ·转换时间为660ns；?
    ·采样速率为1Msps；?
    ·内部采样/保持；?
    ·单/双模拟输入；?
    ·单一＋5V或±5V供电；?
    ·8位数据并行输出。?
    选择MAX153的主要原因是：对爆炸压力波信号的采集要求有较高的采样率，而对精度要求不高；MAX153外围接口电路简单；＋5V的供电，8位数据并行输出，使之与8位单片机AT89C52的接口变得十分简单。
2.2.2 采样速率的转换及采样控制?
    水下爆炸信号的冲击波波形尖锐，二次波波形平缓。为了节省存储空间，选取冲击波采样速率为1Msps（快采），二次波采样速率为40ksps（慢采）。硬件上分别设计快、慢采时钟电路，由定时器设定快、慢采开始及结束时间，由此选通快、慢采时钟电路，为MAX153的/WR和/RD引脚提供周期分别为1MHz和40kHz、负脉冲宽度为300 ns（/WR）和250 ns（/RD）的读写控制信号。
2.2.3 采集数据存储?
    数据采集器上有一片容量为32K的高速非易失型RAM（HK1235），存储采集数据占用28K，其中冲击波数据12K，存入0000H~2FFFH单元；二次波数据16K，存入3000H~6FFFH单元，存满28K后采样自动停止。由四片SN74F161组成的16位计数器（只用低15位）作为存储器地址产生器。
2.3 双单片机控制技术?
    测量站采用蓄电池供电，为了减少能耗，延长工作时间，采用了双单片机控制技术，即，一片89C52作为值更CPU，一片89C52作为主CPU，分开供电，独立执行各自的功能。刚开机时，值更CPU工作，接收、执行并应答主控站的遥控命令；测量准备时，主控站发遥控开机命令，继电器动作使主CPU上电工作，延时6s后主CPU接管与主控站的通信，值更CPU则退出通信状态，等待接收主CPU的命令。值更CPU主要完成开关机、测量系统自检、串行通讯、电源监视等功能；主CPU主要完成地址译码、峰值检测、数据传输控制、键盘与显示控制等功能。其功能框图如图3所示。
2.4 抗干扰技术?
2.4.1 强干扰环境下的远距离无线通信技术?
    测量站置于海平面的浮体上，主控站设在岸基或海上的动力舰船上，通信距离为5km-10km。由于海水吸收电磁波，且舰船周围电磁干扰比较严重，通信条件恶劣，必须采取必要的抗干扰措施。
    (1)  天线
    天线的架设高度及其增益直接影响着通信距离和通信质量。针对海水吸收电磁波、船上干扰源多的情况，特制防雷电、抗强电磁干扰和多径干扰的可伸缩全向天线。架设高度为10m-20m，增益为6dB~10dB，通信质量很好。
    (2)  冗余设计
    采用两套频点不同的数字电台作为冗余设计，在频点的选择上避开当地环境的主要干扰频带。
2.4.2 电源抗干扰技术?
    用电源电压监视器抗电源干扰，是一种行之有效的方法。系统采用ADM696芯片，确保上电复位，防止断电或电压较低时代码出错；无论何时，只要电源电压低于复位门限，复位端就能可靠复位，同时能检测出电源瞬时降压的干扰脉冲，并产生执行信号使系统可靠复位。
2.4.3 软件抗干扰技术?
    软件设计时采用的抗干扰措施主要有：
    (1)  看门狗Watchdog，亦称程序运行监视器，能有效防止单片机系统在不可预测干扰作用下的程序执行紊乱问题。?
    (2)  软件陷阱与指令冗余。通过在关键的地方人为地插入一些单字节指令，将已经跑飞的程序拉回来。如下面的三字节指令：?
    NOP?
    NOP?
    LJMP  ERROR?
    (3)  关键字重送技术。在系统程序正确执行的情况下，有些单片机系统的外围芯片受干扰后易丢失控制字，而通过在程序的适当位置重送这些控制字，可有效避免这种情况的发生。此外，系统还采取了光电隔离、使用多层电路板、数字地和模拟地单点星形连接且靠近电源、加粗电源线和地线等一系列抗干扰措施。
3 系统软件设计
    系统软件包括测控软件和处理软件两部分。

3.1 测控软件
    (1) 测控软件的主要任务是：对系统进行初始化、自检，预置各种参数，处理键盘输入和液晶屏显示，存储、传输采样数据，实时通信控制，抗干扰设计。?
    (2) 测控软件用汇编语言编写，其功能模块如图4所示。?

    (3) 通信控制方法
    测控软件中通信控制模块至关重要，通信程序一旦出现问题，整个系统就会瘫痪，采取差错控制与容错技术是非常重要的。
    ·主控站发送的命令中包含一定数量的同步符FFH和三字节的密码，测量站在连续收到5个同步符后进行密码验证，验证通过后正式接收命令字节；如未通过，则测量站发一信号让主控站重发，三次验证不过则停发该命令；测量站发/主控站收时，与此相同。?
    ·一条命令由三字节构成，第二字节等于第一字节加15H，第三字节等于第二字节加16H，同时每一个字节后面都标明后面剩余字节的个数，如果收到的命令不符合递增规则或字节数不符，则重发该命令，连续三次错误时停发。
    ·主控站每发一个命令，测量站都回送一个应答信号，该应答信号中包含原命令样本。
3.2 处理软件
    处理软件以Power Builder和Visual C＋＋为开发工具，数据管理部分的软件设计以Windows 9X为运行环境，采用Windows视窗技术，界面友好，操作直观简便。处理软件功能模块如图5所示。
    系统软件采用模块化设计和有效的通信控制方法，接收/发送数据时很少出现少收误收现象，误码率低，系统具有较好的抗干扰性能，通信具实时性、可靠性、安全性。

4 结束语
    水下爆炸压力遥测系统为水中兵器水下爆炸威力及其对舰船的毁伤能力的评估提供了一种较为先进的测量手段。该系统利用在无线通信领域较先进的扩频通信技术、较完善的软硬件设计和抗干扰措施，保证了系统工作的安全性和可靠性。系统同样适用于其它水下爆炸物爆炸压力等的测量，有较大的推广价值。