SSPA電源工作狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李長(zhǎng)春，武 麗

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng)621000）

固態(tài)功率放大器SSPA(Solid State Power Amplifier)具有體積小、重量輕、工作電壓低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域中，在通信系統(tǒng)中也占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。固態(tài)功率放大器需要將多路功率器件進(jìn)行合成，這就需要多路電源進(jìn)行穩(wěn)定供電，在工作中需要對(duì)每一路電源的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)電源的工作電流。對(duì)固態(tài)功率放大器工作時(shí)的電源工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程主機(jī)進(jìn)行分析和處理，以確保系統(tǒng)能夠正常工作。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

SSPA遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由電源模塊、模擬開(kāi)關(guān)、嵌入式處理器AT91SAM7X256和DM9161網(wǎng)卡等構(gòu)成。多路電源的工作電流經(jīng)過(guò)電路轉(zhuǎn)換為電壓，輸入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)的切換實(shí)現(xiàn)分時(shí)采樣，得到137路電源的工作電流數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包，然后DM9161通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程主機(jī)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程采集和監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)采集的工作參數(shù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警，確保系統(tǒng)工作正常。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 μC/OS-II系統(tǒng)移植

μC/OS-II是一個(gè)優(yōu)秀的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，應(yīng)用中首先應(yīng)完成系統(tǒng)的移植。所謂移植，就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核運(yùn)行在某個(gè)微控制器或微處理器上，并對(duì)與處理器相關(guān)的代碼進(jìn)行修改。系統(tǒng)移植主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容：

(1)在OS_CPU.H頭文件中完成配置和定義。其中主要包括與編譯無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)類型的定義；OS_ENTER_CRITICAL、OS_EXIT_CRITICAL、OS_TASK_SW 3個(gè)宏的定義，這3個(gè)宏定義分別表示進(jìn)入中斷、退出中斷和任務(wù)切換；還需要完成堆棧生長(zhǎng)方向的定義[1]。

(2)編寫(xiě)OS_CPU_C.C，其中主要的工作是編寫(xiě)6個(gè)C語(yǔ)言的函數(shù)。其中OSTaskStkInit()是任務(wù)堆棧初始化函數(shù)，這是進(jìn)行移植時(shí)必須重視的函數(shù)，其他5個(gè)函數(shù)都是Hook函數(shù)，供系統(tǒng)內(nèi)核擴(kuò)展。

(3)編寫(xiě)OS_CPU_A.ASM，主要需要編寫(xiě)3個(gè)匯編語(yǔ)言函數(shù)，分別是高優(yōu)先級(jí)就緒任務(wù)啟動(dòng)函數(shù)OSStartHigh-Rdy()、任務(wù)級(jí)的切換函數(shù)OSCtxSw()和中斷下的任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw()[2]。

2.2 uIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議移植

uIP由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院(網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)小組)的Adam Dunkels開(kāi)發(fā)，是一種免費(fèi)的、可實(shí)現(xiàn)的、極小的TCP/IP協(xié)議棧。它可以看作是一個(gè)代碼庫(kù)，通過(guò)一系列函數(shù)為系統(tǒng)底層和應(yīng)用程序之間提供通信，對(duì)于系統(tǒng)本身，它內(nèi)部的協(xié)議是透明的，提高了協(xié)議的適用性[3]。

uIP使用前需要進(jìn)行移植，移植的主要內(nèi)容就是修改網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)部分的內(nèi)容，包括以下幾個(gè)步驟：

(1)編寫(xiě)EMAC網(wǎng)絡(luò)接口庫(kù)，該庫(kù)文件中主要提供了一系列對(duì)ARM控制器中EMAC接口進(jìn)行操作的函數(shù)，控制器對(duì)網(wǎng)卡的操作都是通過(guò)該接口進(jìn)行，包括了EMAC模塊的初始化工作以及與網(wǎng)卡芯片的通信函數(shù)等。

EMAC_Init(AT91C_ID_EMAC,MacAddress.addr,EMAC_CAF_

ENABLE,EMAC_NBC_DISABLE)；//初始 化EMAC接口

……

(2)編寫(xiě)網(wǎng)卡芯片DM9161的驅(qū)動(dòng)程序，包括了DM9161的芯片初始化以及數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收操作等。

MACB_Init(pMacb,BOARD_EMAC_PHY_ADDR);

//初始化DM9161

……

(3)完成本系統(tǒng)uIP的配置選項(xiàng)，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式、緩存區(qū)大小、IP地址、MAC地址、默認(rèn)路由、子網(wǎng)掩碼、uIP 1 s時(shí)間所需要的中斷數(shù)和一些基本數(shù)據(jù)類型的定義，以及最大連接數(shù)、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度以及應(yīng)用層協(xié)議的支持等[4]。

(4)編寫(xiě)應(yīng)用層函數(shù)UIP_APPCALL，uIP協(xié)議在接收到底層數(shù)據(jù)之后，需要上層函數(shù)處理時(shí)，會(huì)調(diào)用函數(shù)UIP_APPCALL。本系統(tǒng)中通過(guò)使用宏定義#define UIP_APPCALL sample_appcall將該函數(shù)定向到sample_appcall。該函數(shù)通過(guò)查詢當(dāng)前狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種處理機(jī)制。當(dāng)遠(yuǎn)程主機(jī)建立一個(gè)連接后，初始化緩存區(qū)給當(dāng)前連接使用；有新數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)讀取數(shù)據(jù)包，分析數(shù)據(jù)包的信息后，返回給遠(yuǎn)程主機(jī)所需要的信息。當(dāng)連接輪詢次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，中止當(dāng)前連接，當(dāng)遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)出斷開(kāi)連接命令或連接超時(shí)后，斷開(kāi)當(dāng)前連接[5]。uIP協(xié)議棧通過(guò)調(diào)用該函數(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

2.3 系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的實(shí)際任務(wù)有啟動(dòng)任務(wù)AppStartTask()、AD采集任務(wù)AD_sampleTask()、網(wǎng)絡(luò)主任務(wù)Network_MainTask()、網(wǎng)絡(luò)周期任務(wù)Network_PerioTask()及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包接收任務(wù)Network_PollTask()，其優(yōu)先級(jí)從高到低。

AppStartTask()是在開(kāi)始時(shí)啟動(dòng)其他任務(wù)以及在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過(guò)LED燈指示系統(tǒng)是否正常工作。AD_sample-Task()是采樣任務(wù)，負(fù)責(zé)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取和處理工作。Network_PollTask()、Network_MainTask()和Network_PerioTask()3個(gè)任務(wù)是網(wǎng)絡(luò)部分的內(nèi)容，并且使用一個(gè)信號(hào)量pNetwork_newdata來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間的通信。

數(shù)據(jù)包接收任務(wù)Network_PollTask()是3個(gè)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最低的一個(gè)，負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)在指定的端口上是否有連接請(qǐng)求或數(shù)據(jù)請(qǐng)求，當(dāng)一個(gè)新的請(qǐng)求到達(dá)該監(jiān)聽(tīng)端口后，該任務(wù)將收到的數(shù)據(jù)包緩存到uip_buf中，設(shè)置數(shù)據(jù)長(zhǎng)度變量uip_len，然后該任務(wù)會(huì)發(fā)送一個(gè)信號(hào)量pNetwork_newdata給網(wǎng)絡(luò)主任務(wù)Network_MainTask()。

網(wǎng)絡(luò)主任務(wù)Network_MainTask()是網(wǎng)絡(luò)任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的，完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理并向應(yīng)用層分發(fā)。平時(shí)一直處于掛起的狀態(tài)，當(dāng)收到數(shù)據(jù)包發(fā)送任務(wù)發(fā)送的信號(hào)量之后，該任務(wù)調(diào)用函數(shù)uip_process()處理數(shù)據(jù)包信息,根據(jù)不同信息完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送，然后繼續(xù)被掛起。

Network_PerioTask()則是周期性運(yùn)行的任務(wù)，其優(yōu)先級(jí)處于另兩個(gè)任務(wù)之間，用于對(duì)連接的管理，處理連接超時(shí)數(shù)據(jù)包重發(fā)。這3個(gè)任務(wù)互相協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的通信[6]。

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)部分是基于VC6.0編寫(xiě)的，主要運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)套接字和多線程編程技術(shù)等實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)運(yùn)行時(shí)，首先讀取注冊(cè)表中保存的設(shè)定值，然后對(duì)保存的指定IP的指定端口發(fā)送連接請(qǐng)求，連接建立后，向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求包，并且在主線程之外創(chuàng)建一個(gè)接收線程，接收線程通過(guò)Socket套接字接收上傳的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，主線程中實(shí)現(xiàn)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示以及報(bào)警信息等，并可以發(fā)送相應(yīng)的功能命令給下位機(jī)，以達(dá)到一些簡(jiǎn)單的控制功能。上位機(jī)運(yùn)行界面如圖2所示。

圖2 上位機(jī)運(yùn)行界面

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了μC/OS-II操作系統(tǒng)和uIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的結(jié)合，并運(yùn)用到電源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。本系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試，軟硬件工作均正常。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性方面都有很好的表現(xiàn)，完全適用于實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用。隨著嵌入式技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用將會(huì)有更大的空間。

[1]邵貝貝.μC/OS-II—源代碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2001.

[2]趙偉國(guó)，李文軍，梁國(guó)偉.實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II在AT91上的移植[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，16(2)：137-139.

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[5]張永濤，黃丹丹，李歐.uIP協(xié)議分析及其應(yīng)用[J].信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，7(2)：147-149.

[6]劉春風(fēng)，張代遠(yuǎn).μC/OS-II下協(xié)議棧uIP的移植與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012，22(9)：143-145.