基于ARM的冲击波测试系统的便携终端设计❋

卫 欣中北大学计算机与控制工程学院(山西太原，030051)



基于ARM的冲击波测试系统的便携终端设计
❋

卫 欣
中北大学计算机与控制工程学院(山西太原，030051)

[摘 要]在冲击波测试中，测试系统的状态难以监测，测试参数一旦设置不当便无法现场更改；而以PC为系统的控制终端，在户外试验时存在操作不便、不易携带的缺点。针对以上问题，设计了基于ARM的便携控制终端。利用Qt技术设计了图形控制界面，对无线通信进行了性能测试。手持终端通过无线控制测试系统，实现了对测试系统状态的监测、数据的无线传输与波形显示。将手持终端应用于弹药试验，结果表明，其具有良好的可靠性和稳定性。

[关键词]冲击波；测试系统；便携终端；ARM；Qt

[分类号] TJ510.6

引言

爆炸冲击波是评价武器毁伤效应的重要参数，准确测量冲击波超压可以为弹箭威力评价、毁伤效能提供可靠依据[1-2]。目前，主要采用引线法和储存法获取冲击波超压[3-4]。储存法弥补了引线法存在的布线繁锁、抗干扰能力弱和信号引入噪声等缺点[5-6]，但其不足是试验完成后需要回收测试装置读取数据[7]。随着通信技术的发展，无线技术也应用到冲击波测试中[8-10]。由于测试条件恶劣并且爆炸具有极大的破坏性，通常将无线测试节点布置于地面。这使得无线传输信道变得复杂，信号衰减严重[11]，大大影响数据的传输速率和传输距离，甚至导致数据无线传输失败。而且，测点布置好后难以获悉其工作状态，因人为等各种因素引起测点不在正确的状态从而导致测试失败时有发生。另外，测试大多在户外进行，传统测试系统以PC为控制终端，其成本较高、不易携带，操作不便[12]，使测试效率大打折扣。

本文通过研究储存测试原理并结合无线WiFi技术，设计了基于ARM的便携式手持终端，通过手持终端无线控制冲击波测试系统，实现了测试系统工作状态的监控和数据的无线读取、储存与显示。手持终端还设有USB接口，当出现无线故障时可通过USB接口读取数据，防止数据丢失，进一步提高了测试的可靠性。

1 系统总体组成

整个系统主要由冲击波测试系统和手持终端组成，如图1所示。

1)冲击波测试系统。主要负责采集冲击波信号并储存数据。冲击波信号经过传感器并通过放大、滤波等调理电路的处理，再经过AD转换成数字信号并储存。其无线通信模块选用新力维公司WM001S WiFi模块，该模块集成微控制器(MCU)和802.11 b/g 2.4GHz无线射频收发芯片为一体，内置完整的TCP/IP协议栈，以服务器模式集成在测试系统中。另外，测试系统的USB芯片采用FTDI公司的FT245RL，实现利用USB接口将数据输出。

2)手持终端。为节省开发周期，实现便携，硬件平台选用自带3.5寸触摸屏的ARM开发板，在此平台上使用Qt设计图形控制界面。该开发板的CPU采用含ARM920T内核的S3C2440，是专用于手持设备的高集成、低耗能的16/32位RISC嵌入式微处理器。板载64M SDRAM、256M Nand Flash和2M Nor Flash，板上设有4线触摸屏接口，并连接3.5寸的电阻触摸屏为显示控制器，还集成了串口、网口、USB接口等通信接口。利用USB接口的RT3070无线网卡完成与测试系统的无线通信。在图形控制界面上，通过点击触摸屏发送相关指令，即可实现对冲击波测试系统的控制，完成测试任务。

2 手持终端软件总体设计

手持终端主要工作是控制测试系统、监测测试系统的状态、读取与显示获取的数据。这些都可通过手持终端的人机交互控制界面来完成。具体内容包括:通过无线发送控制指令，设置测试系统的工作参数；通过对测试系统进行状态扫描，获悉测试系统的工作状态，利用参数回读的功能来验证测试系统是否在正确的工作状态。若不在设定的工作状态(如人为因素导致的误触发等)，可通过设置参数的功能进行现场更改，确保测试顺利进行。读取采集到的测试数据并进行储存，然后通过波形显示出来。

因此，软件设计主要包括3大模块:USB有线通信模块、无线通信模块和人机界面模块。手持终端的软件总体结构如图2所示。

2.1 USB驱动设计

测试系统的USB芯片选用FTDI公司的FT245RL，但并未提供其在ARM的Linux下的驱动，为实现手持终端与测试系统的USB通信，首先要完成支持Linux下的FT245RL驱动设计。USB驱动属于字符设备驱动，可利用USB芯片的VID和PID识别不同厂家的芯片，而FT245RL芯片的VID 为0x0403，PID为0x6001。

首先找到Linux的内核源码中的USB驱动的框架程序，根据“/drivers/usb/”目录下的usb-skeleton.c文件，对ft245的驱动程序进行编写，得到修改好的ft245.c驱动文件后，将该文件置于/drivers/char/的目录下。然后对同一目录下的“kconfig”和“Makefile”文件进行修改，在内核源码中添加对ft245驱动支持，在终端通过＃Make menuconfig命令实现对内核的配置。再执行＃Make SUBDIR = drivers/char/modules命令编译出驱动模块，完成后将在/drivers/char/的目录下发现名为ft245.ko的文件。最后将ft245.ko文件移入到开发板中，采用insmod ft245.ko命令实现动态加载。此时便实现手持终端与测试系统的USB通信。

2.2 RT3070无线网卡驱动的移植与测试。

手持终端利用USB接口的无线网卡与测试系统实现无线通信，选用以Ralink公司的RT3070芯片为核心的无线网卡。首先对官网获取其驱动程序源码，通过相关配置、编译完成移植后，利用wireless_tool工具来设置无线网卡参数。测试系统无线模块的ESSID为ubnt，IP为192.168.1.20，执行iwlist ra0 scanning命令对附近的网络进行搜索，根据超级终端的反馈信息判断是否能搜索到ubnt无线网络，成功搜索到后再通过iwconfig ra0 essid ubnt命令，完成与测试系统的无线模块网络的关联。在超级终端执行ping192.168.1.20的命令，来验证无线网卡和测试系统的无线模块之间的无线网络是否实现连通，若两者完成连通，说明无线网卡驱动已经移植成功，并可与测试系统进行无线通信。测试成功后，手持终端可通过无线监控测试系统。

2.3 控制界面的设计

控制界面以图形化和传统代码相结合的方式，采用Qt/Embedded编程，先利用派生自QWidget的QMainWindow的子类化来完成主界面窗口的设计，再通过Qt Pesigner From Class来创建“设置参数”与“参数回读”两个控制界面子窗口；“数据显示”界面则以常用的代码编写实现数据坐标与波形显示的功能。“设置参数”与“参数回读”两个子控制操作界面分别如图3、图4所示。

2.4 后台处理程序设计

主要包含USB有线通信和无线方式的两大设计内容，以完成参数设置与回读、数据读取与显示。

1)设置参数:由冲击波经验公式分析可知，冲击波超压峰值因弹药的当量和距爆心的距离不同而变化。为了获取完整的数据，需要根据测试要求对测试系统合理设置参数。通过发送指令，完成采样频率、负延时点数、触发电平、放大倍数和数据长度等参数的设置。

2)参数回读:通过对测试系统发送参数回读指令，然后接收测试系统反馈的信息，利用ui→label→setText[tr(“有关参数”)]命令，在ui文件的标签Label中进行显示，由此监测测试系统的工作状态，以判断测试系统是否处于设定的状态，及验证参数是否已设置成功。

3)数据读取:发送读取数据指令，接收测试系统送回的数据，并将数据以二进制形式在指定文件中进行储存。

4)波形显示:QPainter类可用来绘制几何图形、像素映射和显示文字，因此，通过其实现坐标和数据波形的绘制。首先对重绘事件函数、初始化界面函数和坐标设定函数进行声明，然后在WaveDisplay.cpp文件中将其重新定义，分别为:Void WaveDisplay:: paintEvent ( QPaintEvent*e)、void WaveDisplay::initInterface()和void Draw::resizeEvent(QResizeEvent*e)。完成二进制文件中数据读取和波形显示的功能。

设计完成后，在手持终端上通过控制界面发送相关命令，对冲击波测试系统进行控制，完成测试任务，其工作流程如图5。

3 无线通信性能测试

为了验证手持终端与测试系统无线通信的可靠性和稳定性，在实际爆炸环境下(靶场)进行无线性能测试。首先将冲击波测试系统埋设于地面，并保持与弹药试验布置的情况一致。为了便于测试，每次测试令测试系统处于待触发状态，并且其储存测试数据大小均设置为512KWord，然后人为触发或者软件触发(手持终端)。在距测试系统不同距离处利用手持终端，在图形控制界面上点击参数回读指令，回读测试系统的工作状态，进一步验证参数回读功能的可靠性，然后进行数据的读取，并记录其完成所需要的时间。在同一距离处重复读取3次，并将3次读取时间的均值作为数据传输时间。每次读数过程均未发生掉点和传输中断的情况，进一步证明无线通信的稳定性和可靠性。

测试结果见表1。由结果可知，手持终端能成功回读测试系统的工作参数和通过无线可靠地读取数据。但随着距离增大，无线传输速率减小，信号严重减弱；其主要原因是测试系统布置于地面，使得无线传输信道变得复杂，尤其由地面吸收较多的无线电波造成信号衰减严重，进而导致数据的无线传输速率和传输距离受到很大影响。为此，可通过灵活调整手持终端与测试系统的距离，使无线传输性能更佳，以保证快速有效地读取数据，提高测试效率。

表1 无线通信性能测试结果Tab.1 Test results of wireless performance

在某弹药静爆威力测试中，弹药用木架架高1 m，测试系统布置于地面，测试现场如图6所示。手持终端在150 m远处控制测试系统，通过对其进行状态扫描，成功获取了事先设定好的工作参数，确保了测试系统在正确的工作状态。爆炸完成后利用手持终端，通过无线成功读取了其中一套测试系统采集到的冲击波压力数据(图7)，并在波形显示窗口显示了测试结果(图8)。

4 结论

本文设计的冲击波测试系统的手持终端具有以下优点:1)成本低、小巧便携、易操作；2)实现了无线控制和冲击波监测，可读取数据并显示冲击波波形，当出现无线故障时，可通过USB接口读取数据，确保数据不丢失；3)可灵活调整与测试系统的距离，以充分利用更佳的无线传输性能，避免因测点布置于地面引起无线信号衰减严重而造成数据读取失败的问题。

该手持终端稳定可靠，在实弹测试中得到了应用，提高了测试效率，节省了实验开支，具有较高的实用价值。

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Design of a Portable Terminal Based on ARM for the Test System of Shock Wave Pressure

WEI Xin
School of Computer Science and Control Engineering，North University of China (Shanxi Taiyuan，030051)

[ABSTRACT]In the measurement of shock wave overpressure，the status of test system is hard to be monitored，and test parameters could not be adjusted on site once they are improperly set up.Meanwhile，it is inconvenient to operate and hard to carry the traditional PC in outdoor experiments.In order to solve such problems，a portable control terminal for shock wave pressure test system based on ARM was designed.The graphic application program was developed by the software of Qt.Performance test in the actual explosion environment was used to verify the reliability and stability of wireless communication.The functions of system state monitoring，data transmittal by wireless and waveform display could be realized by the portable terminal with wireless test system.Results show that the portable terminal has good stability and reliability in real explosion experiments.

[KEY WORDS]shock wave；test system；portable terminal；ARM；Qt

作者简介:卫欣(1990～)，男，硕士研究生，主要从事自动控制原理研究。E-mail:340225944@ qq.com

收稿日期:❋2015-07-10

doi:10.3969/j.issn.1001-8352.2016.02.014