1、基于 Android 和 WiFi 的冲击波测试系统设计 任小军 梁志剑 尤文斌 牛跃听 中北大学计算机与控制工程学院 中北大学电子测试技术国家重点实验室 解放军军械工程学院 摘 要： 针对目前引线电测法和存储测试法等冲击波测试方法中准备工作繁琐、可移动性差等缺点, 本文提出一种基于 Android 和 WiFi 冲击波测试系统方案。系统用Android 智能手机作为冲击波数据波形的显示、处理工具和记录仪控制终端;将CC3200 芯片 (TI) 嵌入到存储记录仪作为 WiFi 热点。智能手机连接热点, 通过 Socket 机制的 UDP 协议远程控制记录仪和读取记录仪中的数据, 最终利用手机计
2、算、处理和分析冲击波数据。通过多次试验表明, Android 智能手机等可以在高达 110m 范围内准确控制记录仪且能高速读取数据, 系统运行稳定。该系统大大减少了测试前期准备工作, 方便快捷、实用性较强。关键词： 冲击波记录仪; Android 操作系统; CC3200 芯片; WiFi 无线通信; Socket 套接字; 远程控制; 作者简介：任小军 (1992-) , 男, 山西吕梁人, 硕士研究生, 主要研究方向为仿真与可视化、数据处理。基金：国家自然科学基金资助项目 (61471385) Design of Shock Wave Test System Based on Androi
3、d and WiFiREN Xiaojun LIANG Zhijian YOU Wenbin NIU Yueting Science and technology on Electric Test and Measurement Laboratory; Ordnance Technology Institute; Abstract： This paper proposes a shockwave test system based on Android and WiFi for the shortcomings which are tedious preparation and poor mo
4、bility of the current test methods such as wire measurement method and storage test method. Using Android smartphone as the shock wave data display, processing tool and the recorder control terminal; with the CC3200 chip (TI) embedded in storage recorder as a wireless hotspot. The smart phone connec
5、ts the hotspot with remote controlling recorder and reading its data through the UDP protocol of the Socket mechanism, and finally use the phone to calculate, process and analyze the shockwave data. Through many tests show that the Android smart phone can accurately control the recorder and read dat
6、a at high speed as far as 110 m. The system greatly reduces the preparation of pre-test work, is convenient and strongly practical.Keyword： shock wave recorder; android operating system; CC3200 chip; WiFi communication; socket; remote control; 0 引言爆炸冲击波是武器装备的重要杀伤因素之一, 因此对冲击波的测试成为武器评测中的重要环节。目前最常用的冲击波
7、测试办法有引线电测法和存储测试法, 中北大学电子测试技术重点实验室提出了 Zig Bee 无线传感网络和存储测试相结合的设计方案1,2, 在一定程度上避免了引线电测法前期布置现场的繁琐准备, 实现了对冲击波测试记录仪的远程控制。然而, Zig Bee 由于其传输距离短, 且各厂商之间通信协议不同3, 相互之间无法兼容使其抗干扰能力差、安全性能低等缺点逐渐暴露, 无法在日益复杂化、恶劣化测试环境下满足系统的要求;另外, Zig Bee 工作模式下仍需要一台笔记本 PC 连接 Zig Bee 中心节点配合无线信号功率放大器才能对记录仪实现远程控制, 布置这些装置仍需要连接较长的引线, 工作也是相当
8、繁琐4。最终, 数据采集完成后 Zig Bee 也无法满足大容量、高速率的无线传输要求5。针对以上问题, 本文在分析了存储测试法的基础上, 以 Android 智能手机等便携式移动终端作为数据显示和控制终端的开发平台, 结合无线 Wi Fi/ARM 处理器 CC3200 和 CPLD 等设备, 通过手机连接无线 Wi Fi 实现终端和记录仪的互连及数据传输, 最终实现该冲击波测试系统。1 冲击波无线系统介绍1.1 系统关键技术Android 是基于 Linux 操作系统的开源手机操作系统6, 结合智能手机强大的数据处理能力在生产、生活中逐渐占据了广阔的应用市场, 大有取代 PC 的势头。Lin
9、ux 平台为 Android 提供了基本的用户界面、中间层、底层内核等基础功能, 用户可以在此基础上利用 JAVA 语言开发自定义 APP 程序。总之, Android 操作系统具有其独有优势7, 即开放性、广泛的应用选择, 软件设计时可以有较多的选择和参考。Wi Fi 技术又称为 802.11b 标准, 采用 2.45GHz 无线频率, 传输速率可达1600Mbps, 与各种直接序列扩频技术 (DSSS) 兼容。在数据链路层 (MAC) , Wi Fi 使用了载波监听多点接入/碰撞避免 (CDMA/CA) 传输模式;同时增加了网络层, 使用动态分配 ip 机制提高了数据传输的安全性8, 具有
10、突出的技术优势9。Wi Fi 无线电波覆盖范围广, 传输半径可达 50300m;无需布线, 非常合适移动应用;健康安全, 支持 WAP/WAP2 等高等加密和安全机制, 具有极强的抗干扰和安全加密机制;资费低成本。1.2 系统结构和工作流程本冲击波测试系统采用 C/S 架构10, 主要由智能手机客户端、记录仪服务器和数据采集端组成。系统的结构布局如图 1 所示, 电源管理模块给 Wi Fi 模块、CPU 模块和时序模块供电;准备就绪后, 用户在智能手机客户端点击对应按钮通过无线 Wi Fi 向记录仪传输命令信息;Wi Fi 模块网络处理器接收到来自手机的无线信息后, 从中解密提取有效命令并传输
11、给 CPU 主控模块 ARM 微处理器, CPU根据命令控制时序模块产生时钟、片选存储芯片或进行数据采集和发送等。图 1 冲击波系统结构布局和流程 下载原图2 系统设计与实现2.1 硬件平台设计系统传输和控制单元采用 TI 公司的 CC3200, 这是一款集成应用 MCU 子系统、Wi Fi 网络处理器子系统和电源管理子系统于一体的强大功能处理芯片11, 大大减少系统芯片使用量, 记录仪体积更加微型化。应用 MCU 采用 ARM Context-M4 内核, 运行频率为 80MHz, 具有强大的运算处理能力、丰富的片内外设和独立可编程、通用/复用输入输出 (GIOP) , 可以控制冲击波数据采
12、集和传输等;Wi Fi 网络处理器特有 Wi Fi Internet-on-a-chip 专用 MCU, ROM 中自带了 Wi Fi 以及互联网 TCP/UDP 协议栈、802.11b/g/n 射频基带、MAC 等, 完全省去了 Wi Fi 模块和其他 MCU 互联的处理负担;电源管理功能支持宽范围电源电压, 可以配置为高/级低功耗模式。CPLD 芯片选用 Xlinx 公司的 XCR3256, 该芯片强大的并行处理能力能够为系统的多线程并行工作提供准确的时序。选用三星公司的大容量 FLASH 存储芯片 k9k8g08u0b 作为数据存储单元, 其读写速度高达 57MB/s12, 通过 SPI
13、 串行外部接口与 Wi Fi 模块传输数据。如图 2 所示为系统的硬件设计框图。图 2 系统硬件设计框图 下载原图2.2 Android 平台软件设计2.2.1 整体设计方案Android 客户端在系统中主要的功能分为两部分:装置读数和配置记录仪工作状态。读数前, 软件后台自动载入记录仪装置的 Wi Fi 热点网络配置文件供软件选对目标服务器, 然后连接记录仪服务器读取数据并实时显示数据波形;配置记录仪工作状态时, 点击装置号按钮向对应的记录仪发送控制命令并实时监测记录仪的工作状态转换, 给出状态指示, 此功能通过 Android 系统的多线程实现。如图 3 所示为智能手机软件系统的基本功能流
14、程, 如图 4 所示为软件程序模块结构框图。图 3 软件系统功能流程 下载原图图 4 程序模块结构图 下载原图2.2.2 用户界面设计软件的界面系统主要通过 Android Studio 的图形用户界面编程系统 (GUI) 设计, 其具有丰富的图形界面组件13。人性化的操作界面极大程度的吸引了用户的青睐, 本系统在界面设计时采取了极简主题, 操作简单, 上手迅速。如图5 所示为记录仪工作状态控制中心界面示意图。图 5 控制中心界面 (截图) 下载原图数据波形绘制界面主要功能是显示数据波形, 主要采用了 Github 最新发布的hellocharts-android 开源图表库, 该库在图形绘制
15、方面支持以下 Chart 类型:Line Chart、Column Chart、Pie Chart、Bubble chart、Combo chart 和Preview charts;此外, 还支持滑动、平移、缩放、自定义坐标、预览、动画等图像处理功能。系统实现时, 用到 Line Chart View 控件的主要实现代码以下:Line Chart View.set Zoom Enabled (true) /支持缩放Line Chart View.set Interactive (true) /支持图表与用户互动Line Chart View.set Value Selection Enable
16、d (true) /支持波形选中Line Chart View.set Line Chart Data (Line Chart Data) /添加波形数据3 系统网络通信功能的实现3.1 系统网络组织系统采用 Wi Fi 的无线 mesh 自组网技术形成自定义的类 Ad Hoc 局域网, 所有记录仪装置将处于同一个无线局域网内。主要实现方案为:将某一记录仪装置设置为 Wi Fi 站点模式 (SP) , 其余记录仪设备配置为一般接入点 (AP) 建立关联, 并加入当前站点设备局域网中。此过程中关联设备扫描周围 Wi Fi 信号并发出连接请求, Wi Fi 站点对其进行认证, 使用动态主机配置协议
17、 (DHCP) 为加入的关联设备动态分配 ip 地址, 所有 AP 设备完成“入网”, 客户端只需连接站点 WIFI 信号即可通过 IP 地址路由实现对局域网内所有记录仪的远程控制, 可以通过局域网广播形式实现对所有记录仪的统一触发。如图 6 所示为系统的网络拓扑结构。图 6 系统网络拓扑 下载原图3.2 UDP 通信实现基于 Android 手机和记录仪通信的实现主要分为数据接收和发送两部分14, 本系统记录仪 CC3200 芯片采用多线程完成, 使用 Socket 机制的 UDP 协议编写数据收发函数, 函数名分别为 UDPRec Thread 和 UDPSend Thread。Socke
18、t (套接字) 在通信时由客户端和服务端两部分组成, CC3200 服务端使用 Server Socket, Android 手机客户端使用 Client Socket, 两个 Socket 之间建立连接可以相互发送信息, 实现系统的协调工作。基于 UDP 的 Socket 服务器设计流程主要是: (1) 创建一个套接字对象 Socket, 开启服务端套接字; (2) 绑定设置本地 ip、端口; (3) 循环等待客户端连接; (4) 响应客户端请求; (5) 关闭连接和套接字15。基于 UDP 的 Socket 客户端设计流程是: (1) 创建套接字对象, 开启客户端套接字; (2) 设置套接
19、字远程端口和 ip, 这是正确找到目标服务器和数据准确发送的保障; (3) 连接服务器; (4) 发送数据请求; (5) 接收数据; (6) 关闭连接和套接字15。3.2.1 客户端网络设计Android 客户端系统在通信过程中主要功能包括 AP 信号的扫描、AP 信号选择以及与服务端的交互, 这里主要调用了 SDK 中的 Wi Fi Manager 和 Wi Fi Info 两个类16。通过 Wifi Manager.get Scan Results () 返回一个 Scan Result列表, 其中包含了扫描 Wi Fi 热点的网络名字 (SSID) 、接入点地址 (BSSID) 、信号强
20、度 (Level) 等信息, 根据 SSID 连接服务器 Wi Fi 热点信号;Wi Fi Info 对象通过 Wifi Manager.get Connection Info () 方法获取, 通过 Wi Fi Info.get Ip Address () 来获取 AP 的 ip 地址, 供 Client Socket 找到目标服务器, 实现客户端到服务器的信息传输。3.2.2 服务器网络设计CC3200 服务器系统在通信过程中主要功能包括配置工作模式、Wi Fi 热点 SSID和 Pass Word 以及响应与客户端交互, 主要调用了 CC3200 的 Simple Link Net Ap
21、p Event Handler 和 Simple Link Wlan Event Handler 事件机制。首先, 使用 sl_Wlan Set Mode 函数设置 CC3200 为 AP (接入点) 工作模式;通过 TI 公司提供的 Wi Fi Smart Config 工具配置 CC3200 的 Wi Fi 热点的 Network Name (SSID) 和 Password17;在客户端连接到无线 Wi Fi AP 时, 触发网络连接事件 Simple Link Wlan Event, 在事件处理函数中获取客户端设备网络接口信息;客户端向服务器发送信息触发 Simple Link Net
22、 App Event, 函数得到客户端的网络 IP 地址和网关, Server Socket 使用该 ip 和网关信息获取客户端发来的命令信息和向客户端返回响应数据。4 系统测试将设计好的硬件记录仪和手机 APP 搭建成测试系统, 在记录仪无线 Wi Fi 覆盖范围内, 使用智能手机在不同距离范围内远程操控记录仪, 测试结果表明:手机在距离记录仪 110m 范围内 Wi Fi 连接稳定, 指令发送和响应准确, 系统运行稳定正常;使用 iperf 和 Network Tools 软件测得该过程中数据平均传输速率为40Mbps。使用该测试系统在靶场对某型号对地炮弹进行了冲击波超压测试, 18 套冲
23、击波测试记录仪分布在如图 7 所示的编号结点处, 爆心和记录仪传感器距地高度为0m。如图 8 (左) 所示为 11m 处 10 号记录仪节点测得的冲击波数据经过 Wi Fi网路传输到 Android 智能手机显示的波形曲线, 图 8 (右) 为左图定标、滤波处理后波形曲线, 可以看出基本符合冲击波的衰减规律, 与预期试验数据基本吻合, 证明了设计的可靠和成功。图 7 靶场冲击波测点布置图 下载原图图 8 手机测试效果 (截图) 下载原图5 结语本文采用 Simple Link Wi Fi CC3200 微控制器和 Android 智能终端设计并实现了基于 Android 和 Wi Fi 冲击波
24、测试系统。该系统利用时下广泛流行的Android 智能手机作为控制终端开发平台, 应用程序开源设计和实现, 极大的提高了软件系统的开发效率和跨平台性, 软件系统具有了升级换代的特性;利用开放的 Android 平台结合 Wi Fi 实现对记录仪远程控制和装置读数, 避免繁琐的前期布线准备和笨重的 PC, 具有很好的便捷性, 大大提高了试验效率;无线Wi Fi 保证的数据传输的安全性。本系统与时俱进, 紧扣如今发展的主流技术, 具有经济、智能、便捷等突出的优点, 随着智能手机硬件的升级、数据处理及 Wi Fi 网络传输速度的不断提高, 其必将有广阔的应用前景。参考文献1王成帅.ZigBee 无线
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