基于UWB的无线触发系统的设计与实现.pdf

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基于奈尴叽シ⑾低车纳杓朴胧迪赵宽,马游春,,太原;斜贝笱б瞧骺蒲в攵馐越逃恐氐闶笛槭遥引言对炮弹爆炸进行高速摄像采集是研究炮弹爆炸过程和失,重则延误武器研发的进程。因此,一定要提高采集触题,以及内触发丢失信息的缺点,设计了基于?榈奈尴叽シ⑾低常桓孟低骋訤魑猆模块的核心控制器,射频唬琈毁伤威力的重要手段,在军工领域有着重要的作用。高速摄像机采集存储的数据量十分巨大,而内存空间有限,因此需要定点触发高速摄像采集系统,以保证完整记录炮弹落地的过程。对于一个实验采集系统来说,系统的触发电路是否稳定可靠,决定了采集系统能否顺利实现功能。若系统没有顺利完成触发,误触发或者延迟触发,都会令采集系统采集到的数据出现缺失或错误,得不到正确的实验数据,甚至造成采集实验的失败,轻则带来巨大的经济损发系统的稳定与可靠,选择正确合理的触发方式。目前,常用的触发方式主要有内触发、光学触发、断线触发和电磁触发,这些触发方式都是通过炮弹撞击地面,才给出的触发条件,这样高速摄像机就无法记录下炮弹快落地时爆炸前的画面。为防止记录范围不够全面,需要在炮弹落地前提前触发该系统。目前采用的就是无线触发来人为的提前预触发。无线触发电路的主要功能是在收到相应的无线信号后产生触发脉冲。而人为预触发因为是人通过计算时间来给出的触发信号,难免会有不稳定性,为了能定量的进行预触发,提高触发系统的稳定性和可靠性,引入了尴卟饩嘞低常琔际具有功耗低⋯,对信道衰落不敏感,抗干扰能力强等优点孟低扯耘诘氲孛嬲镜木嗬胧凳奔嗖猓坏┑酱预定距离时,给出触发信号,即可精准地完成提前触发,文章编号:——一中图分类号:摘要:为了获取炮弹落地前后的动作信息,同时为了克服手动预触发高速摄像机的不稳定性及存在的延时和记录完整性问芯片为?楹诵模谂诘氲孛嬲痉直鸱胖肬模块作为标签,通过饩嗨惴ň芳扑愠隽降憔嗬耄毙于给定距离时给出触发信号,实现高速摄像机的提前触发;对测距系统进行静态误差测量与靶场试验,静态误差在~⑾低晨梢酝瓿稍ごシⅲ足炮弹记录实验的预触发需求。关键词:高速摄像采集;徊饩嗨惴ǎ晃尴叽シⅲ籇籉一,;籺;;收稿日期:一—;修回日期:——。基金项目:国家重点实验室基金作者简介:赵宽,男,黑龙江伊春人,硕士研究生,主要从事无线通信和电子测试仪器与系统方向的研究。马游春,男,江苏盐城人,博士,副教授,硕士生导师,主要从事高速数据采集与存储系统方向的研究。引用格式:赵宽,马游春,刘鹏嫒,⑾。,—投稿网址:甹甤/甤痶文献标识码:.,琓珻琣琩猼—,.,琣,~瑀甌.:,:,甋.
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低秤布杓低辰峁辜霸置在高速摄像机处,并将定位基站的触发信号线接在高速母叩缙铰龀澹咚偕像机接收到脉冲信号即开始启动,采集炮弹落地到爆炸的成谙呗呒治鲆牵芍苯拥饔茫岣叩魇韵低在整个测距系统中,、、饶?目前市场上使用最为广泛的淦凳辗⒛?槲狣现高精度定位,定位精度可达±位,数据传输速率最高可达,有效通信距离为站发送的龀逍藕沤谢居氡昵┲涞木嗬氩馐裕能力和射频功率可编程的功能,可在恶劣环境下保持通信第赵宽,等:基于奈尴叽シ⑾低车纳杓朴胧迪保证每一次实验都稳定可靠。触发系统结构该触发系统主要有炮弹标签与地面基站两部分组成。炮弹标签为贫昵孛婊疚猆定位基站。在炮弹发射之前,将炮弹标签安装在炮弹上,定位基站放摄像机的触发接口上,炮弹发射后,定位基站检测到与炮弹的距离小于指定距离时,触发系统会自动触发,高速摄像机启动,完成实验。无线触发系统如图尽系统触发原理无线触发系统的触发原理为:在地面站低衬谠设一个距离值,然后标签与地面基站进行数据传输,地面基站会实时测量基站与标签的数据到达时间并采用测距算法对两者距离进行实时计算监测,一旦检测到距离值小于预设距离,基站会输出一段过程,即完成提前触发的任务。距离信息也可以由串口实时显示在上位机上。低车挠布钩芍饕S芍骺啬?椤⑸淦凳辗⒛块、天线收发模块、存储模块、电源模块、时钟模块、发射与接收双路放大模块组成,如图尽魑V控制器,对模块进行电平信号的发送和数据的接收,并通过串口接收来自上位机的指令和将距离信息上传至上位机。作为测距模块,对基站与标签进行实时测距。发送接收放大电路用于延长发射距离和提高信号性能。主控制器核心与单片机相比,得益于其内部并行处理数据流的架构,拥有更快的处理数据的能力,同时成本相对较低,开发速度更快,因此选择作为主控芯片。选择就瞥龅腟盗蠿芯片,封装为。该芯片内部有雎呒ピ#唤鲂阅艹色,功耗也十分低1喑逃肰布枋鲇镅裕涤更强的行为描述能力,丰富的仿真语句和库函数。内部集的效率。控制器模块是硬件平台的核心,是定位基站与定位标签的控制器,为电路提供相应时序、控制以及数据交互功能,且能够衔接通过无线通信模块或串口通信模块与机中上位机进行数据交互,并完成对整个硬件系统的复位功能。?楹功率放大器之前,?樘峁缭茨?榈脑砣缤所示。淦凳辗⒛?公司研制的堑谝豢閁无线收发器,具有功耗低、成本低、抗干扰能力强的特点,可实,其遵循曜伎赸。支持到达时间到达时间差虿饩等多种算法,所支持的射频波段宽,可支持~砥刀笥襕荨J萁换ソ涌诓捎肧接口。其定位原理类似卫星定位,需要有基站、标签及中心控制器,通过基达到指定距离时进行后续操作“。该芯片有较强的抗多径的稳定。其外围电路设计如图尽查阅芯片资料可知,。时钟管理部分主要包括三部分:晶体振荡器、时钟锁相环和射频J敝铀嗷芬酝獠烤д裎2慰际钟输入,用来产生ㄐ攀褂檬敝雍褪趾蠖耸褂檬敝樱锁相环用于提供接收链下发射链上变频的本地振荡器的时钟,也以该外部晶振作为参考。该模块内部带有一次性可编程存储器,用于存储校准图尴叽シ⑹疽馔图居布蛲投稿网址:甹甤·—战斗部落地点掩体
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。订计算机测量与控制第卷数据,如功率电平、天线延迟值、晶体初始频率误差调整、测距范围精度调整等,当使用时需要对这些参数进行调整时,可自行检索调整啊5逼系缪沟鹘谄鞅唤檬保存储器可以在最低功耗状态下保持的配置数据。发射与接收双路放大模块在无线通信系统中,影响通信的因素都有:发射功率级、发射机天线增益、传播通过程中的损耗、接收机天线增益、接收机灵敏度。为了增强信号的收发性能,同时延长与标签之间的通信距离,在后增加了增益电路。将外部功率放大器连接来增加发射功率,将低噪声放大器与连接来提高接收机灵敏度,从而提高通信最远距离。“。.⑸渎肪斗糯蟮缏飞杓在发送路径上外加一个放大器,当处于发送模式时,通过配置牛涓奈J褂肊獠糠糯器雌粲猛獠抗β史糯笃鳎F羯淦低ǖ溃獠縋能;当处于接收模式时,外部被禁用,设置直接使开启射频通道。图7⑸渎肪锻獠抗β史糯蟮缏图,为逆变器,可以避免两条路径同时启用的情况,猼7⑸湫藕牛由淦悼9豒墓ü采图缭茨?樵硗外围设计电路图投稿网址:甹甤删图蠺一·
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蕖栅¨,骸ひ籘吲一,赢叫‰:謓在设备盏绞莅蠹锹即耸钡氖笨讨礚。由式惴ㄓ肴砑杓备赥。。时刻收到数据包,等待#笨毯螅璞窧给于。!耙籘蚓,占频端口ü齊端口到功率放大器的牛通过功率放大器的攀涑龇糯笮藕胖辽淦悼9豒丝冢詈蟠庸ü采淦刀丝到天线。原理图中最右端猼=邮招藕牛商煜呔齍墓ü,将射频路径切换成包括穆肪叮诜⑺湍J下,拥缏分幸瞥M贾薪系偷纳淦德肪都次=邮章径,由天线到上的公共射频端口,再通过胨ゼ器到达丝冢詈蟮酱锇吐住M贾薪细叩纳淦德肪段发送路径,从公共射频端口进入,从丝诘酱颮端口,通过公共射频端口最后到达天线。饩嗨惴测距算法一般为通过测量标签和地面基站之间的到达时间、角度、强度等物理量,然后通过相应的测距算法计算出标签与基站的具体距离。常用的测距技术有基于信号到达角度基于信号接收强度于信号到达时间龋悸堑讲饩喑杀尽⒋渚嗬搿⒒肪条件,选择饩嗨惴ㄗ魑1疚牡牟饩喾椒ā惴ǹ煞治5ケ叩ハ虿饩嗪退虿饩啵捎诘ハ测距对于时钟的同步要求较高,因此选择双向测距算法,其测距原理如图尽在!J笨蹋璞窤首先向设备⒊鲆桓鍪莅发送确认消息,此时的发送时间可计算为!R籘。。,,~傻玫降绱挪ㄔ诳罩械姆尚惺奔涠。,两个设备间的距离即为飞行时间乘电磁波的飞行速度。籘图β史糯蟮缏吩硗图驮肷糯蟮缏吩硗投稿网址:甹甤唬疞一!猨,。籘。姒.】【狪凸曰簁¨.
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抟患甭臣斌趑佗螅∞一瓦忑┭伸闪烁歉上猼。录甭虫鄞蕹矬袷‰细‰。一,。”。“觥#。二欢≈荩该时间即畒俏猅璞窧在丁笨探邮崭檬R籺。一“耇“一到确认信息后等待笨蹋俅蜗蛏璞窧发送数据包,猼““,。由于设备蜕璞窧使用自己的时钟,时钟会存在一则可以得到真实值和实际测量值的误差为:÷轎“一了’■,■,因为L】墒÷裕谑腔虻茫的第一个上升沿启动发送。表允玖薝帧的一般结俾噬柚梦8咚倌J剑⒔ざㄒ搴玫腸峁固逍计算机测量与控制第卷定的漂移,以弧直鸨硎旧璞窤和氖敝悠以5ノ,则测量的N#然后,测得的飞行时间与实际飞行时间之间的误差为:因为,远远大于丁#蛏鲜龉娇梢曰蛭#由此可见当艹な奔渲蠡馗碅时,测距的误差也会增大,如当G,时钟漂移为保獾玫时间误差为,乘以光速,计算出的距离误差可达到A思跎偈敝悠频挠跋欤岢隽艘恢钟呕惴╪“,该算法增加了设备蜕璞窧之间的信息传输。其基本原理如图尽这种测距算法称为双边双向测距。首先设备赥。时刻将数据包发给设备璞窧在笨淌盏礁檬莅在收到该数据包后,却齌。的时间发送确认信息,此时该时刻记为,设备盏饺啡闲畔⒌氖奔湮狶,据包‘”由于:丁’×丁啦一鶬×⑦驣、罷×丁州襭。电磁波在空中的飞行时间为:由于每个独立设备有自己的时钟,:化简可得:。““疶。从上式可以看出蚑。晕蟛畹挠跋旌苄。虼这种算法可以优化时钟漂移带来的影响啊辗⑷砑杓ㄐ呕赟通信协议进行数据收发,,选择模式谑敝构,它由包括前导码和帧定界符的开始耐绞撞靠J迹驪首标ㄒ甯帧的数据有效载荷部分的长度和数据速率。.昵〥菔辗标签进行数据发送前要进行一系列配置。首先要对硬件进行复位,并将ㄐ潘俾噬柚梦笥遥柚猛瓿珊蠖訢谐跏蓟耸苯入完成对其的配置。对于发送过程,需对寄存器—涫莼撼迤、—传输帧控制猩柚茫⑸柚们暗悸爰嗖獬笔奔洹=ǚ⑺褪据写入数据寄存器,并配置发送端参数,启动发送后数据开始传输,等待数据传输完成,读取发送寄存器状态,发送完成将该位置缓蠼邮斩苑椒祷氐娜啡习成功接收后,帧计数加一,将状态寄存器的曛位和错误位清除,并对接收到的数据的长度和内容进行校验,对数据包发送时间和确认包接收时间进行记录。准备发送二次确认数据包,首先设置二次确认数据包的发送时间械氖奔浯!、慈攵稳啡鲜包中,不断查询芯片状态直到发送完成。.綝菔辗基站部分在数据接收前也需要与标签端一样进行前期初始化及芯片配置,当开始接收数据时,将的接收使能打开,检查猄拇嫫鞯腞和图ū咚虿饩丁★。即:猼耙籩·,,琓虹表ㄐ胖〗峁投稿网址:甹甤。一厶\■
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、、、、∥~百箦鞒■■露.¨除。~醯■壑塞:笠ネ醯┑┦艽观宜柯⒛纤鼙ど既瓣藤嚣雒胬鲈倮:笛椴馐第唬磁卸闲酒刺钡匠晒邮栈蛘叻⑸砦螅所示。读取接收寄存器状态,保证数据接收完成,在猄拇嫫髦星宄曛疚籖,分别读取寄存器—蚏狟椿竦媒邮盏降氖据长度和接收数据,判断所接收到的数据是否是初始发送数据,如果数据正确则获得初始发送数据的接收时间丁。,并将数据写入中,将接收状态寄存器的值置除该位,准备发送确认数据包,首先设置确认数据包的发送时间#浯紊柚梅⑺屯瓿珊蠖苑娇F艚邮盏难映偈间、设置接收超时时间,之后发送确认数据包,重复上述操作,等待二次接收,判断接收到的数据是否为二次确认数据包,获得接收数据包时的时间丁咏邮盏亩稳啡数据包中可以读取到丁。、、#链思扑愕绱挪ㄔ诳中飞行时间所需的鍪奔浣诘闶迪秩ú拷邮铡3绦蛏杓流程如图尽静态误差分析对测距系统进行误差测量,在静态环境下,测量基站分别到个标签的距离,在东南西北个放置一个基站,为,,,,龌疚С梢桓稣叫吻颍在区域内布满个测试点为至ū昵┥系纾将基站通过串口连接至上位机,上位机即可实时显示基站与测试点的距离。龌居霰昵┑某跏嘉恢萌缤为了能直观地观测到测距误差,将测试得到的距离信息文件导入软件,通过编写程序,仿真得出测距误差的热度,如图所示。由误差热度图分析可以得到,琓,琓处对应的误差值为,说明这些位置误差相对较小。面积最大的区域对应的误差为~,说明测距误差大部分分布在~靶场测试分析在与某单位进行的炮弹落地测试实验时,将该系统作为采集记录装置的触发系统,进行了问笛椋瓿闪对高速摄像机的提前触发,记录下完整的炮弹落地爆炸的过程,成功地完成了实验。实验设置距离参数为内触发,实验结束后,将测试后的距离信息文件进行分析,得到触发时基站与炮弹的距离如表尽实验结果测得触发时距离误差在笥遥愣愿速摄像机提前触发的需求。在实际应用中,为了防止环境和人为因素影响精度,应将基站天线安装与地面垂直,远离墙壁、玻璃、树木等遮挡物,炮弹上标签的天线也应当露出‘图收发程序设计流程图龌竞个标签的初始距离图测距误差热度图以表シ⑹被居肱诘木嗬氡实验次数设定值/触发时距离/投稿网址:甹瓹否初始化设置寄存器将初始数据包传给标志位虴位帧序列号获得接收数据和数据长度是否为确认数据包获得初始数据包发送时间确认数据包接收时间设置二次确认数据包发送时间将、、写入二次确认数据包中是否发送成功。埔遇辍廾羌∞∞们加∞踮∞∞、—
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守ヂǎヂ乎驻守蜱尊眵淳曲诤蛐诤韭诤蚰诤曲诤韭渺乎蚰秽淳诤曲诤韭诤廿诤毋诤韭守曲守旦鹁纶旱尊蚰时咀%鼬%乒曲诤旦痕亨琢ā雙%乒曲尊驰尊唑富嗝炷啄第壕掳牍悔旱诤曲诤旦壕纶壕纶憾勤篿‰崾计算机测量与控制第卷本文设计了一种基于?榈奈尴叽シ⑾低常牟饩嗨惴ň肥迪至硕约锹甲爸玫奶崆按シⅲ捎效解决记录系统的记录数据的完整性问题,硬件上直接采用?椋ù蟮亟档土松杓颇讯龋倍源砊算法进行改进,消除了氖毖游侍狻=谐绦虮嘈矗通过进行实验测距来验证整体系统的可行性。通过使用软件进行误差分析,得到误差热度图,可以得到系统的测距误差为~,在实际的靶场测试环境中得到的触发时距离数据,误差在笥遥徊窖橹ち讼低的有效性及可靠性。测试结果表明,该系统误差小,稳定性高,满足工程需求,具有很强的现实使用价值。机测量与控制,,:.李伟杰,戴亚文,唐雨,,说明此时集群资源的利用率最高;然后随着节点数目的不断增加,加速比略有下降,说明此时处理数据的时间要小于节点间的通信时间,集群资源得到浪费。对于庑┦莨婺=洗笫菁此担随着节点数目的增加,算法的加速比呈现上升状态,并且由数据规模为募铀俦缺浠呖梢钥闯觯孀沤点数目的不断增加,加速比增长的幅度在逐渐变小。由此可以看出改进后的猰算法在并行化执行时能够有效提升聚类效率,并且数据量越大时算法的效率越高。本文通过引入“最大最小原则”来优化中心点的选取,进而定义深度指标计算公式,计算得到最佳的个数及区域半径,避免了传统算法初始阈值人为指定的问题;接着借助三角不等式定理对猰算法进行优化,减少冗余的距离计算,加快收敛速度;最后结合植际娇蚣芙ǜ慕蟮乃惴ú⑿谢迪郑在构建的微博文本数据集上进行实验,结果表明改进算法的准确率和扩展性都得到提升。但是,由于中心点的计算花费时间较长,如何在保证聚类准确度的同时,提高中心点的生成效率还有待研究。郧欤贖教ㄏ碌腃—咝惴参考文献:石潇杰,李恒通,石峰,,朱轶龙,陈亚奇,:.:中北大学,.:平埽啪赣睿硪缭螅龋瓺谖奕嘶褐械挠用及系统设计缱邮澜纾—藕悖赨的室内高精度定位方法研究与应用阜新:辽宁工程技术大学,.,.煳母眨:L危≡评溃龋诔泶际醯墓斓澜煌ǘㄎ算法研究扑慊饬坑肟刂疲:.,,—:大连理工大学,.:华中师范大学,.—饩嗨惴ㄓ呕投ㄎ算法融合的研究浜海夯V惺Ψ洞笱В陈伟森,裴海龙,,,:.甀甀统设计扑慊饬坑肟刂疲:.辖拥页羁〈常猿甂—,,:撕##镄溃恢钟呕跏贾行牡腒—类算法扑慊际跤敕⒄梗缱涌萍迹:—.跫臀埃匝睿钌荜停恢只诟慕鳮—惴ǖ耐络流量分类方法缱蛹际跤τ茫钕ぃ崂鲇保缀剑龋恢諯—慕惴ǖ牟⑿化实现与应用缱涌萍即笱аПǎ:—.镉袂浚铈孺拢接拢贛的猰聚类算法的优化扑慊饬坑肟刂疲:獾鲁跸欤炯幔贖姆植际骄劾嗨惴ㄑ究蕉ɡ砉ご笱аП自然科学版:叛∑,:—.李淋淋,倪建成,⑿芯劾嗨惴扑慊际跤敕⒄梗:一甀/:—.投稿网址:甹甧‘,,:珿甃—琑甎——...—瓵—,