无线差分水平仪设计∗

王鹏超 刘爱东

（海军航空大学兵器科学与技术系 烟台 264001）

1 引言

舰船作为海上活动平台安装有各种精密的武器装备、电子设备及导航设备等［1］。为保证舰船正常航行和各种武器设备有效使用，要求各装备保持良好的安装精度。但海上环境恶劣，舰船在航行中受温度、负载、风浪等影响，船体难免发生变形［2］，为保证舰上设备正常工作，需要定期对安装面与主惯导之间的相对水平度进行测量、对准。系泊阶段，由于船体摇摆，如果无法保证水平度同步测量，将会引起数据的误差。国内大多通过对讲机喊话同时读数，比较两者之差，测出设备相对于基准平台的水平度［3］，这种方法对操作人员素质有很高要求，且随机性较大。

本文设计了一种基于ZigBee 技术的无线差分水平仪，利用无线传输代替人工数据交流，并配合软硬件设计，保证数据同步测量，满足相对水平度测量要求。

2 系统总体设计

无线差分水平仪由数据采集端、无线通信网络和上位机三部分组成，采用星形网络拓扑结构，如图1。

图1 差分水平仪组成

硬件上将两台青岛前哨精密仪器有限公司的WL/AL 9 电子水平仪作为数据采集端，利用WL/AL 9电子水平仪测量基准面水平度，通过RS232串口实现与无线通信网络终端的数据传输。无线通信网络分为终端和协调器两部分，由CC2530 片上系统芯片、收发天线、系统时钟构建硬件平台［4］，利用CC2530芯片内部的RF收发器测量时延数据，结合时钟实现数据同步测量，终端通过RF 收发器接收命令并发送数据［5］。协调器通过R F收发器发送命令并接收各终端节点发回的数据。利用笔记本电脑作为上位机，通过FT232串口转USB 芯片与协调器进行数据交互［6］，进行命令控制和数据分析处理。

无线差分水平仪软件主要包括三部分：上位机程序、协调器程序和终端程序。上位机发送开始数据测量命令到协调器，协调器接收到命令后依次给各终端发送开始时延测量命令，同时启动时钟，测得时延差并写入开始数据测量命令帧，发送给终端，终端按照命令帧要求延时时延差时间后，将开始测量命令发送给水平仪，水平仪工作，传回测量数据，由终端传给协调器再传给上位机进行数据处理，显示水平度差值。

3 通信协议帧格式设计

本文共设计有四种类型的帧，即延时命令帧、测量命令帧、延时数据帧和测量数据帧，通信协议帧由帧头、功能类型、内容类型、帧校验和帧尾五部分组成。

3.1 延时命令帧

延时命令帧的目的是测量协调器与终端间的数据传输时间，进一步得到时延差。由于协调器以广播方式向终端发送命令，因此需要标注本命令帧的目标终端。其帧格式如图2。

图2 延时命令帧格式

1）“@”为固定的帧头，1字符。

2）“C”和“S”代表该帧为延时命令帧，2字符。

3）“目标编号”设定给终端AB 发送（“1”为给终端A，“2”为给终端B）。

4）FCS两个字符为帧校验字符。

5）“*”和“CR”代表帧结束，2字符。

3.2 开始/停止测量命令帧

通过发送开始/停止测量命令帧控制水平仪开始或停止数据测量，并且控制需要延时的终端延时等待相应时间，以保证水平仪同时进行数据测量。帧格式如图3。

图3 上位机发送的数据测量命令帧格式

1）“@”为固定的帧头，1字符。

2）“C”和“D”代表该帧为数据测量命令帧，2字符。

3）“参数设定”设定终端AB 进行延时等待1个字符、等待时间4 个字符、开始停止数据采集1个字符，共6个字符。

4）FCS两个字符为帧校验字符。

5）“*”和“CR”代表帧结束，2字符。

3.3 延时数据帧

延时数据帧用于回应延时命令帧，终端接收到延时命令帧后立即回复延时数据帧，以完成传播时间测量，为确定来源，延时数据帧包含发送该数据帧的终端编号。为保证传播时间准确性，进行多次测量，延时数据帧又包含延时数据编号，标注是第几次测量的延时数据帧。其帧格式如图4。

图4 延时数据帧格式

1）“@”为固定的帧头，1字符。

2）“D”和“E”代表该帧为数据帧，2字符。

3）“延时数据”包括终端A B 标识、延时数据编号，共两个字符。

4）FCS两个字符为帧校验字符。

5）“*”和“CR”代表帧结束，2字符。

3.4 测量数据帧格式

测量数据帧将水平仪测得的数据发送回数据处理模块，并附有数据序号和数据来源的水平仪标号。其帧格式如图5。

图5 水平仪发送数据帧格式

1）“@”为固定的帧头，1字符。

2）“D”和“T”代表该帧为数据帧，2字符。

3）“发送数据”包括水平仪测量数据4字符、水平仪编号1 字符、测量数据的序号3 字符，共8 个字符。

4）FCS两个字符为帧校验字符。

5）“*”和“CR”代表帧结束，2字符。

3.5 校验方法

为了减少和避免信息编码传输和存取过程中随机性的错误对测量的影响，需要对数据编码采用校验。本设计采用奇校验方法，就是在每一个传输的数据后面加一个检验位，传输数据时实际数据中1 的个数为偶数时，校验位就是1；实际数据中的1的个数为奇数时，校验位就是0。在接收数据时只需要检查1 的个数是奇数还是偶数，若为奇数则传输正确，否则传输错误［7］。

4 数据采集端

数据采集端主要实现基准面和安装面水平度的测量。

4.1 数据采集端硬件设计

数据采集端由两台青岛前哨精密仪器有限公司电子水平仪组成，通过RS232串口与无线通信网络终端有线连接。该水平仪测量范围为0 ～±500 mm/m，分辨力可以达到0.01 mm/m，在测量范围内示值误差为±（1+A×2%）［8］。

4.2 水平度测量方法

两台水平仪分别测量基准面和安装面水平度，为差分处理提供数据。在测量前先将两台水平仪放置在基准面上进行相对零度的调整，再将水平仪一台置于主惯导基准面，另一台置于安装面进行测量。水平仪只能测量一条直线的水平度，测量水平度时需要对水平仪进行转动，由线到面得到平面的水平度，在无线差分水平仪工作时，水平仪采用“米字型”测量法。以基准面为例，在基准面上建立平面直角坐标系，X 轴正方向指向舰首，在水平仪上也建立平面直角坐标系，X 轴正方向指向水平仪把手前部。在工作时，时刻保持两个坐标系XOZ 面平行，如图6，测量一段时间后将两台水平仪同时以原点为圆心顺时针转45°，如图7，再进行测量。重复上述操作操作，直至水平仪坐标系与基准面坐标系重新重合，完成整个测量过程。

图6 两坐标系重合

图7 水平仪坐标系旋转

5 无线传输网络

无线传输网络主要实现命令、数据传输和传输时延的测量。

5.1 无线传输网络硬件设计

无线传输网络利用ZigBee 星型拓扑结构构建传输网络［9］，利用CC2530 芯片内部的RF 收发器进行数据及命令的传输，并配合时钟模块实现传输时延测量。无线传输网络分为终端和协调器两部分，终端利用RS232 串口传输芯片实现与水平仪的数据传输，协调器利用FT232实现与上位机的数据交互［10］。

5.2 无线传输网络软件设计

5.2.1 协调器软件设计

协调器发送延时测量命令给终端A 并触发协调器内部时钟，等待接收到终端回令后记录时间，得出传输时延，停止时钟，若在一定时间内没有收到回令，则协调器重新发送延时测量命令直至收到回令，在向终端B 重复上述步骤。在延时测量时对每一条传输线的延时进行10 次测量取平均值，作差得到延时差，将二分之一的延时差写入数据测量命令帧里，然后向两个终端发送数据测量命令，等待接收终端回传的数据。如图8。

5.2.2 终端软件设计

终端在接收到协调器发送的延时命令后向协调器立即回复指令，在接收到数据测量命令后，对命令进行分析触发终端内部的时钟进行延时等待，在延时等待结束后向水平仪发送开始数据采集命令，并将会收到的测量数据传输给协调器［11］。如图9。

图8 协调器程序流程图

图9 终端程序流程图

6 上位机

上位机完成时延和停止数据测量命令帧的发送、同步数据的处理和水平度差值显示功能，以个人笔记本为硬件平台，通过USB与协调器有线数据传输。

上位机软件通过控制协调器向终端发送开始延时测量命令、停止数据测量命令，在接收到回传数据后对数据进行分析，除去超出量程的数据，找到相对应的两个来自不同终端的同时刻数据进行作差，并将差值结果显示在笔记本上。如图10。

图10 上位机程序流程图

7 系统测试

由于舰艇空间复杂，设备分布又较为分散，位于舰艇不同位置处的终端与协调器之间通信效果具有显著区别［12～13］。主要分为终端与协调器可以通视和不可通视两大类。为了测试系统的传输稳定性和同步性效果，在模拟环境下对丢包率、误码率和传输时延稳定性进行了测试［14］。

终端分别在通视50m、有墙壁遮挡10m 和有墙壁遮挡30m 的位置向协调器等时间间隔发送1000个数据，协调器对丢包率、误码率和传输时延稳定性进行测试。实验结果显示，在三种情况下数据包都能准确到达，丢包率、误码率均为0，但时延误差有明显差异。为使结果便于观察，图11 中只显示前20次实验结果。

结果显示通视情况下效果最好，误差可精确到3ms，有墙30m 情况最差。但三种情况下误差都在6ms范围内，满足舰艇相对水平度测量需求。

图11 时延误差实验结果

8 结语

本文利用ZigBee无线传输网络传输技术，提出一种新的水平度差分标校方法［15］。设计了无线差分水平仪的总体方案，选择了相对实用的组网方案和帧格式，提出传输延迟测量方法、实现了在误差允许范围内数据采集的同步。降低了相对水平度测量工作对操作人员的依赖程度，为操作人员提供了极大地便利，与传统水平对准相比，在方便程度、测量效率等方面都有很大的改善。下一阶段研究工作主要将实现更远、更复杂环境下数据传输，并进一步提高同步精度。