无线分布式测试系统控制技术研究
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摘要
为了实现大水域条件下水中爆炸冲击波、气泡能等参数的时空场测试,论文研究了一种基于无线传输模式的分布式水中爆炸测试控制技术,与水声信号收发系统、多模信号采集、存储技术相结合,形成了一种多漂浮式基站的水中爆炸测试新方法,可实现在大水域条件下快速测试,并为其时空场重建奠定了技术基础。
本课题在讨论了水中爆炸冲击波的基本特点、传统的测试方法以及分布式测试系统对时间统一性等技术要求的基础上,设计了一种由测控主站和多个漂浮式测试基站组成的具有时空场测试效能的无线分布式测试系统。首先,介绍了无线分布式测试系统的总体设计思想和主要功能,重点对测试系统的测控主站的无线收发、同步授时控制、命令编码、计算机接口等功能及其电路详细的设计,实现测控主站对测试基站的同步授时、电源控制、触发控制、数据传输、参数设置等控制功能。其次,设计了测试基站的无线收发、同步与时钟校准、命令译码、扩展功能总线控制电路及其控制软件,实现了测试基站的数据采集与传输、水声信号收发控制、各模块电源管理、基站之间的时间统一等功能。文中重点完成了测试系统下行命令和上行数据回传协议格式的设计,提出了多信道并行传输方法和大容量数据特征值提取方法,实现了高效回传数据,提高了测试系统的传输效率；研究了无线分布式测试系统的时间同步技术,提出了一种新的时间同步校准的频率测量方法,该方法利用GPS产生统一的时间基准和时钟校准技术,实现了对分布式测试系统的不同测试基站的基准信号同步和时间频率同步,时间同步精度达微秒量级。
因此,及时启动国防建设等领域无线分布式测试技术的研究,并可以推广应用到海洋开发等民用建设中,不仅具有重要的社会和经济意义,也具有深远的战略意义。
In order to achieve the space-time field testing of underwater explosion shock wave and bubble parameters in the blast water conditions, the paper studies a distributed control technology of underwater explosion testing based on wireless transfer mode, integrating acoustic signal transceiver system, multi-mode data acquisition and storage technology, which form a new methods of f the underwater explosion test based on more floating base stations, which will achieves fast test in the blast water and lays technical foundation of the space-time reconstruction.
Having discussed the shockwave's basic characteristics of underwater explosion, the develop mental status of traditional test methods and the time unity of wireless distributed test system, on the basis of which, the author has designed a wireless distributed test system composed of a master station and several floated testing base stations which possess the testing efficacy of space-time field. First, the overall design idea and main functions of distributed test systems are introduced, focusing on the detailed functions and circuits design of control master station's wireless transceiver, synchronous timing and control, command coding, computer interface so as to master station can achieve some operations to base station's, such as synchronous timing, power control, trigger control, data transmission, parameter setting, etc. Second, the author designs control circuits and control software of the test base station's wireless transceiver, clock synchronization and calibration, command decoding, extension bus so as to achieve some functions of the test base station's data collection and transmission, control and transceiver of acoustic signal, power management of modules, time unity among the base stations,etc. In the paper, the author mainly finishes designing downlink commands and plink data back-transmission protocol format, and proposes multi-channel parallel transmission method and large-capacity data eigenvalue extraction method. These methods have achieved an efficient return data and improved the transmission efficiency of the test system. the author also researches time synchronous technology of wireless distributed test system and presents a new method of time synchronization calibration frequency measurement, which uses the GPS to generate unified time base and clock calibration technique and realizes synchronize reference signal and time frequency of the different base stations. In this way, time synchronization accuracy will be up to microsecond range.
Therefore, starting the research of wireless distributed test technology in the areas as the National Defense Construction area in time and applying it to marine development and other civil construction have great social and economic value as well as profound strategic significance.
本课题在讨论了水中爆炸冲击波的基本特点、传统的测试方法以及分布式测试系统对时间统一性等技术要求的基础上,设计了一种由测控主站和多个漂浮式测试基站组成的具有时空场测试效能的无线分布式测试系统。首先,介绍了无线分布式测试系统的总体设计思想和主要功能,重点对测试系统的测控主站的无线收发、同步授时控制、命令编码、计算机接口等功能及其电路详细的设计,实现测控主站对测试基站的同步授时、电源控制、触发控制、数据传输、参数设置等控制功能。其次,设计了测试基站的无线收发、同步与时钟校准、命令译码、扩展功能总线控制电路及其控制软件,实现了测试基站的数据采集与传输、水声信号收发控制、各模块电源管理、基站之间的时间统一等功能。文中重点完成了测试系统下行命令和上行数据回传协议格式的设计,提出了多信道并行传输方法和大容量数据特征值提取方法,实现了高效回传数据,提高了测试系统的传输效率；研究了无线分布式测试系统的时间同步技术,提出了一种新的时间同步校准的频率测量方法,该方法利用GPS产生统一的时间基准和时钟校准技术,实现了对分布式测试系统的不同测试基站的基准信号同步和时间频率同步,时间同步精度达微秒量级。
因此,及时启动国防建设等领域无线分布式测试技术的研究,并可以推广应用到海洋开发等民用建设中,不仅具有重要的社会和经济意义,也具有深远的战略意义。
In order to achieve the space-time field testing of underwater explosion shock wave and bubble parameters in the blast water conditions, the paper studies a distributed control technology of underwater explosion testing based on wireless transfer mode, integrating acoustic signal transceiver system, multi-mode data acquisition and storage technology, which form a new methods of f the underwater explosion test based on more floating base stations, which will achieves fast test in the blast water and lays technical foundation of the space-time reconstruction.
Having discussed the shockwave's basic characteristics of underwater explosion, the develop mental status of traditional test methods and the time unity of wireless distributed test system, on the basis of which, the author has designed a wireless distributed test system composed of a master station and several floated testing base stations which possess the testing efficacy of space-time field. First, the overall design idea and main functions of distributed test systems are introduced, focusing on the detailed functions and circuits design of control master station's wireless transceiver, synchronous timing and control, command coding, computer interface so as to master station can achieve some operations to base station's, such as synchronous timing, power control, trigger control, data transmission, parameter setting, etc. Second, the author designs control circuits and control software of the test base station's wireless transceiver, clock synchronization and calibration, command decoding, extension bus so as to achieve some functions of the test base station's data collection and transmission, control and transceiver of acoustic signal, power management of modules, time unity among the base stations,etc. In the paper, the author mainly finishes designing downlink commands and plink data back-transmission protocol format, and proposes multi-channel parallel transmission method and large-capacity data eigenvalue extraction method. These methods have achieved an efficient return data and improved the transmission efficiency of the test system. the author also researches time synchronous technology of wireless distributed test system and presents a new method of time synchronization calibration frequency measurement, which uses the GPS to generate unified time base and clock calibration technique and realizes synchronize reference signal and time frequency of the different base stations. In this way, time synchronization accuracy will be up to microsecond range.
Therefore, starting the research of wireless distributed test technology in the areas as the National Defense Construction area in time and applying it to marine development and other civil construction have great social and economic value as well as profound strategic significance.
引文
[1]陈小虎.大型复杂设备分布式状态监测系统的研究与实现[J].电子技术应用.2001,6：28-29.
[2]王金涛.一种新型分布式无线监测系统[J].计算机工程与应用.2002,13：55-57.
[3]张劲,钟毅芳.分布式测控系统框架模型研究[J].计算机测量与控制.2006,6.33-44
[4]李洪涛.基于无线数据传输的水中爆炸压力遥测系统硬件设计与实现[D].长沙：国防科学技术大学,2002.
[5]林祥德.水下冲击波测试的无线数据传输技术研究[D].太原：中北大学,2007.
[6]Hiroaki Yamamoto, Hiromitsu Taniguchi, Hiromitsu Oshirna, Features of pressure wave inwater to accompany the underwater explosion,2002:557-560.
[7]王丽芹.面向靶场试验的分布式测量系统的研究与实现[D].西安：西北工业大学,2005.
[8]柴修伟.水下炮孔爆破水中冲击波传播特性[D].武汉：武汉理工大学,2009.
[9]库尔.水中爆炸[M].罗耀杰译.北京：国防工业出版社,1965.
[10]RH Cole. Underwater Explosion[M]. New Jersey:LISA, Princeton University Press,1948.
[11]陆遐龄,梁向前等.水中爆炸的理论研究与实践[J].爆破.2006,23.2：91-94.
[12]袁仲云.水下动态参数数据采集及数据压缩技术研究[D].太原：中北大学,2008.
[13]逢春京.水中爆炸气泡脉动过程的数值模拟研究[D].长沙：国防科学技术大学,2008.
[14]涂巧玲,刘小康,张小燕,蒋杭君,江渝川.短距离无线测控制系统及其应用[J].电子技术.2004,5：16-20.
[15]王丽芹.面向靶场试验的分布式测量系统的研究与实现[D].西安：西北工业大学,2005.
[16]D.L.Mills.Internet Time Synchronization:The Network Time Protocol. IEEE transacation on Communieaions.1991,10.Vol:39:148-153.
[17]F.Sivrikaya and B.Yener. Time synchronization in sensor networks:Survey. IEEE-Networks,2004,18(4):45-50.
[18]Tanenbaum A S. Distributed Operating System[M]. Prentice Hall International, Inc 1995.
[19]LeMehaute B, Wang S, Water Waves Generated by Underwater Explosions,1994: 3371-3377.
[20]杨蕾.基于FPGA的靶场时间统一系统[D].西安：中国科学院授时中心,2007.6.
[21]赵当丽,胡永辉.关于“长河二号”导航系统的时间同步及授时[J].时间频率学报,2003.6.
[22]赵建强.分布式系统高精度时间同步技术研究[D].成都：四川大学,2005.5.
[23]詹建.基于无线传感器网络的协同技术研究[D].兰州：兰州大学,2007.5.
[24]韩翠红.无线传感器网络中时间同步技术的研究[D].北京：北京邮电大学,2006.3.
[25]魏诺.无线传感器网络时钟同步算法研究[D].青岛：中国海洋大学,2006.5.
[26]李光华.水中爆炸及冲击伤的研究[D].上海：复旦大学,2004.5.
[27]陈凯.分布式网络化测试系统中的同步触发技术研究[D].太原：中北大学,2008.5.
[28]于金花.厦门海域水下工程爆破中的冲击波监测与分析[D].厦门：厦门大学,2006.7
[29]翟立铭.适于分布式测试的数据采集系统研究与设计[D].太原：中北大学,2008.5.
[30]孙佳伟.无线传感器网络时间同步的研究[D].辽宁：辽宁科技大学,2008.3.
[31]尤立克RJ.水声原理[M].哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社,1990.
[32]刘伯胜,雷家煌.水声学原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,1997.
[33]赵琳,郑长斌等.冲击波时差法原理及其应用[J].海洋技术.2003,22.2：30-34.
[34]+3.3V, ±15kV ESD-Protected, Fail-Safe, Hot-Swap, RS-485/RS-422 Transceivers. Datasheet.MAXIM Inc,2003.
[35]3V GSM Power Amplifier RF5110G. Datasheet. RFMD Inc,2005.
[36]Romer K, Blum P, Meier L. Time Synchronization and Calibration in Wireless Sensor Networks.Cambridge:MIT Press,2005.33-39.
[37]Single chip 433/868/915MHz Transceiver nRF905. Datasheet. Nordic Inc,2005.
[38]高章飞,蒋正义,朱善安.基于多信道跳频的Ad Hoc网络MAC层协议研究[J].自动化仪表.2005,26.12：5-8.
[39]赵吉靖,备灵芝等.无线触发唤醒的无线数据采集系统设计[J].计算机测量与控制.2007,15.8：30-35.
[40]易雄书.基于GPS的DMB-TH单频网时间同步系统研究[D].成都：西南交通大学,2008.
[41]张春鹏.电子式互感器合并单元同步时钟模块的设计[D].大连：大连理工大学,2007.
[42]黄飞,王刚.基于GPS/北斗系统的时间源研究与设计[J].系统工程与电子技术.2009,31.3：726-729.
[43]李海涛.海上靶场的时间统一及同步精度的测试与分析[D].大连：大连理工大学,2008.
[44]Hutsell, Steven. Recent MCS improvement to GPS timing[J]. Proceeding of ION GPS,1994.1:261-273.
[45]Juliano Tibo Narcio, Jose de Souza Lima, Mauricio Silverira. Implementation of Oscillators Circuits by Using The GPS Technology. Microwave Conference Proc. of APMC2005.SuZhou, China, Dec.2005:44-7.
[46]雷震.GPS同步授时系统的研究与开发[D].武汉：华中科技大学,2004.
[47]贺洪兵.基于GPS的高精度时间同步系统的研究设计[D].成都：四川大学,2005.
[48]邹红艳,郑建勇.基于GPS同步时钟的统一校时方案[J].电力自动化设备.2004,12：8-9.
[49]王鹏.基于FPGA的绝对时间同步系统的设计研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2007.
[50]童宝润.时间统一系统.北京：国防工业出版社,2003.
[51]张勤,李家权等.GPS测量原理及应用.北京：科学出版社,2005.
[52]曹建军.基于GPS和无线传感器网络的时钟同步系统.南京：南京理工大学,2008.
[53]肖远亮.NMEA-0183数据标准在GPS技术中的应用[J].物探准备.2003.13.2：127-130.
[54]王少荣.电力系统分布式广域同步并行处理平台研究[D].武汉：华中科技大学,2007.
[53]于海斌,曾鹏梁,韦华.智能无线传感器网络系统[M].北京：科学出版社,2006：173-181.
[54]侯同强,刘锋沈,达正.采用GPS对铷原子频标进行校频[J].飞行器测控学报,2007,26.4：85-88.
[55]Vyacheslav I V,lllya E K,Irina P C.Accurate Time Synchronization for Digital Communication Network[J]. Microwave and Telecommunication Technology 2007,12:259-260.
[56]Itagaki D,Ohashi K,Saga M,et al.Development of high resolution and high reliability time synchronizing signal distribution technique for substation systems.Developments in Power System Protection.2004,2.2:714-717.
[57]李凡.基于GPS的锁相频率源接收端的设计与实现[D].成都：电子科技大学,2009.
[58]张莹基于GPS校准高稳晶振系统的研究与实现[D].西安：西安电子科技大学,2005.
[59]胡春生,秦石乔,王省书.基于GPS板的新型高精度标准时测量系统[J].电子测量与仪器学报,2006,20.3：57-60.
[60]李顺辉.无线传感网络测量中的数据分发和时间同步研究[D].长沙：湖南大学,2009.
[61]尹群,陈永念,胡海岩.水中爆炸研究的现状和趋势[J].造船技术,2006,6：6-8.
[62]李洪涛.基于无线数据传输的水中爆炸压力遥测系统硬件设计与实现[D].长沙：国防科学技术大学,2003.
[2]王金涛.一种新型分布式无线监测系统[J].计算机工程与应用.2002,13：55-57.
[3]张劲,钟毅芳.分布式测控系统框架模型研究[J].计算机测量与控制.2006,6.33-44
[4]李洪涛.基于无线数据传输的水中爆炸压力遥测系统硬件设计与实现[D].长沙：国防科学技术大学,2002.
[5]林祥德.水下冲击波测试的无线数据传输技术研究[D].太原：中北大学,2007.
[6]Hiroaki Yamamoto, Hiromitsu Taniguchi, Hiromitsu Oshirna, Features of pressure wave inwater to accompany the underwater explosion,2002:557-560.
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[8]柴修伟.水下炮孔爆破水中冲击波传播特性[D].武汉：武汉理工大学,2009.
[9]库尔.水中爆炸[M].罗耀杰译.北京：国防工业出版社,1965.
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[11]陆遐龄,梁向前等.水中爆炸的理论研究与实践[J].爆破.2006,23.2：91-94.
[12]袁仲云.水下动态参数数据采集及数据压缩技术研究[D].太原：中北大学,2008.
[13]逢春京.水中爆炸气泡脉动过程的数值模拟研究[D].长沙：国防科学技术大学,2008.
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[15]王丽芹.面向靶场试验的分布式测量系统的研究与实现[D].西安：西北工业大学,2005.
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[19]LeMehaute B, Wang S, Water Waves Generated by Underwater Explosions,1994: 3371-3377.
[20]杨蕾.基于FPGA的靶场时间统一系统[D].西安：中国科学院授时中心,2007.6.
[21]赵当丽,胡永辉.关于“长河二号”导航系统的时间同步及授时[J].时间频率学报,2003.6.
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[36]Romer K, Blum P, Meier L. Time Synchronization and Calibration in Wireless Sensor Networks.Cambridge:MIT Press,2005.33-39.
[37]Single chip 433/868/915MHz Transceiver nRF905. Datasheet. Nordic Inc,2005.
[38]高章飞,蒋正义,朱善安.基于多信道跳频的Ad Hoc网络MAC层协议研究[J].自动化仪表.2005,26.12：5-8.
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[42]黄飞,王刚.基于GPS/北斗系统的时间源研究与设计[J].系统工程与电子技术.2009,31.3：726-729.
[43]李海涛.海上靶场的时间统一及同步精度的测试与分析[D].大连：大连理工大学,2008.
[44]Hutsell, Steven. Recent MCS improvement to GPS timing[J]. Proceeding of ION GPS,1994.1:261-273.
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[60]李顺辉.无线传感网络测量中的数据分发和时间同步研究[D].长沙：湖南大学,2009.
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