ZigBee无线通信技术在单兵激光模拟训练系统中的应用

1.引言

随着激光技术的发展，其在军事训练器材中的应用，发挥着越来越重要的作用。单兵激光模拟训练系统采用以光代弹的原理，结合声光效果，可逼真的模拟实际战场环境的实兵对抗，是和平时期部队训练和青少年展开野外拓展对抗游戏的有效器材之一。

图1 通信单元

图2 ZigBee通信电路

图3 通用MAC帧格式

图4 CC2420初始化流程图

图5 数据通信流程

单兵激光模拟训练系统主要由头盔、背带和激光发射机等3个部件组成。头盔具有激光接收和发烟控制功能；背带具有激光接收、毁伤模型计算以及与导控主台无线数据通信功能；发射机用于激光发射控制。3个部件之间实时可靠的数据通信是系统正常工作的基础。本文主要研究利用ZigBee无线通信技术实现单兵激光模拟训练系统各部件之间的数据交互。

2.硬件结构

背带与头盔、发射机之间采用点对多点的通信方式。背带、头盔和发射机均内嵌ZigBee通信单元(图1)，通信单元由ARM主控芯片、ZigBee射频无线收发芯片和2.4GHz天线组成。

通信芯片选用TEXAS INSTRUMENTS公司的CC2420 ZigBee射频无线收发器。芯片的主要技术特点如下：

●射频单片无线收发芯片，带有基带调制解调器，并对MAC(介质访问层)层提供支持；

●直接序列扩频的基带调制解调器，其码片速率可到2MChips/s，有效数据传输率达250kb/s；

●电流耗损非常低(RX:18.8mA，TX:17.4mA)；

●输出功率可以通过编程来改变；

●不需要额外的RF开关和滤波器；

●两个(发送缓冲区和接收缓冲区)128Byte的数据缓冲区；

●硬件实现MAC加密(AES-128)；

●48脚的QLP封装，7*7mm。

CC2420芯片与ARM主控芯片之间采用SPI总线进行数据通信。FIFOP脚接ARM芯片的外部中断脚，当CC2420芯片接收到有效数据后，该引脚置高，ARM芯片产生中断，进行接收数据处理。RESTEn脚接ARM芯片的输出脚，用于对CC2420芯片的复位。

CC2420芯片的射频输入/输出是差分和高阻抗的，射频端口最适宜的差分负载值阻抗为115+j180Ω。单兵激光模拟训练系统中使用的天线为2.4GHz的单极天线，因此必须使用非平衡变压器来增强其性能。图2所示的射频输入/输出电路由一个半波传送天线、C3、L1、L2和L3构成，半波传送天线直接设计在印制板上，与电路匹配的天线阻抗为50Ω。

3.软件设计

单兵激光模拟训练系统中最多同时工作的单兵激光模拟器数量可达数千套；每套单兵激光模拟器的背带与头盔、发射机之间采用点对多点的通信方式，背带为中心节点，头盔和发射机为子节点；各单兵激光模拟器相互之间不能出现数据串扰。因此整个系统可以看作由几千个独立的微型通信系统构成。

由于ZigBee的IEEE地址有8个字节，因此有足够的容量可以满足单兵激光模拟训练系统对地址唯一性的要求。

3.1 数据帧格式

通信数据帧采用IEEE 802.15.4通用MAC帧格式，格式见图3。

1)帧控制域：帧控制域长度为16位，包括定义帧类型、加密、应答、目的地址模式和源地址模式等。

本应用中帧控制域的定义如下：帧类型为数据帧(001)；加密禁止(0)；应答允许(1)；目的地址模式为64位IEEE地址(11)；源地址为64位IEEE地址(11)。

2)序列号域：在每个帧中都包含序列号域，其长度为1个字节。每发送一个新的帧序列号，值加1。

3)目的PAN标识域：目的PAN标识域长度为2个字节。由于本应用中未使用个人局域网，该值固定为0x0001。

4)IEEE目的地址域：IEEE目的地址域长度为8个字节。该地址为数据帧的目标地址。

在单兵激光模拟训练系统中每个头盔、背带、发射机的IEEE地址均被设置唯一的。通过配置CC2420芯片的MDMCTRL0(0x11)寄存器的ADR_DECODE位，可以打开CC2420芯片的硬件地址解码功能，CC2420芯片可以只接收目的地址与本机地址相同的数据帧。

5)源PAN标识域：源PAN标识域长度为2个字节。由于本应用中未使用个人局域网，该值固定为0x0001。

6)IEEE源地址域：IEEE源地址域长度为8个字节。该地址为数据帧的源地址。

3.2 通信数据流程

单兵激光模拟器的背带、头盔和发射机的IEEE地址均分别预先写入各自的ARM主控芯片，在初始化时写入CC2420芯片的内部寄存器。CC2420芯片的初始化程序流程图见图4。

背带作为主节点，与其配套的头盔和发射机的地址预先保存至背带的ARM主控芯片中。单兵激光模拟器运行后，背带首先向头盔和发射机发射设置指令，头盔和发射机的ARM主控芯片接收到数据包后，首先将数据包中背带的64位IEEE地址保存至内存中，然后用该地址向背带回复应答数据包。

背带与头盔、发射机之间的数据通信采用应答方式，流程见图5。

4.结论

该通信技术已在单兵激光模拟训练系统中进行了实际应用，取得了很好的通信效果。经实测单兵激光模拟器3个部件之间的通信时延小于100ms；30m范围内200套单兵模拟器同时工作，相互之间不会出现通信串扰。

[1]IEEE Std 802.15.4™-2003,IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systemsLocal and metropolitan area networks-Specific requirements Part 15.4:Wireless Medium AccessControl(MAC)and Physical Layer(PHY)Speci fi cations for Low-Rate WirelessPersonal Area Networks(LR-WPANs),IEEE Published by The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc.3 Park Avenue,New York,NY 10016-5997,USA.

[2]王晓海.国外空间激光通信系统技术最新进展[J].电信快报,2006(7):16-21.

[3]陈富强.单兵综合战术对抗训练激光模拟系统研究[D].国防科学技术大学硕士学位论文,2007.