面向艦艇通用數(shù)據(jù)采集的協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與測(cè)試

王黎明，鄭 健，張福生

（中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì) 廣東 湛江 524022）

隨著信息技術(shù)與總線技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)家日前的大型武器平臺(tái)也向自動(dòng)化、信息化發(fā)展，復(fù)雜性越來(lái)越高。這類(lèi)武器系統(tǒng)通常由多個(gè)分系統(tǒng)、子設(shè)備組成，通過(guò)不同種類(lèi)的總線連接在一起[1]。艦艇作為主要的作戰(zhàn)平臺(tái)之一，在國(guó)防中發(fā)揮重要的作用，經(jīng)歷了新舊總線技術(shù)，現(xiàn)今已發(fā)展到分布式的體系結(jié)構(gòu)[2]?，F(xiàn)役艦艇總線接口主要有：RS232和RS422串口、1553B總線接口以及以太網(wǎng)接口等。串口的傳輸率較低，不適合大數(shù)據(jù)量的傳輸，同時(shí)會(huì)造成數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分散的弊端；1553B總線對(duì)信號(hào)傳輸電纜和連接器均具有嚴(yán)格的要求[3]，成本較高；艦艇分布式網(wǎng)絡(luò)采用成熟的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，裝備配有以太網(wǎng)接口接入交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，并配備專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)服務(wù)器[4]。由于傳輸率、協(xié)議通用性以及技術(shù)發(fā)展等多方面原因，艦艇總線接口中1553B總線與串口將來(lái)必然會(huì)被分布式以太網(wǎng)代替。為了適應(yīng)現(xiàn)有艦艇數(shù)據(jù)采集需要，并考慮未來(lái)分布式網(wǎng)絡(luò)建設(shè)要求，這里設(shè)計(jì)了一種基于DSP的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，用以解決現(xiàn)階段艦艇多接口數(shù)據(jù)采集通用化的要求。

1 協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

協(xié)議轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of the hardware design

協(xié)議轉(zhuǎn)換器的CPU選用三星公司ARM11內(nèi)核的S3C6410處理器，該處理器主頻為667 M，并發(fā)處理能力強(qiáng)，支持包括100M以太網(wǎng)與RS232等多種接口。操作系統(tǒng)方面支持流行的Linux與Android系統(tǒng)。

由于ARM11不直接支持1553B接口，所以選用DDC公司的BU—61580芯片作為外部設(shè)備連接1553B總線與CPU，該芯片可以自動(dòng)高速的接收1553B總線上的數(shù)據(jù)。1553B接口模塊與1553B總線連接時(shí)需加裝耦合器。

ARM11支持的串口僅為4個(gè)RS232接口，所以來(lái)自RS422接口的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換，串口轉(zhuǎn)換適配器結(jié)構(gòu)與原理十分簡(jiǎn)單，這里選用勝為DCP-3202 RS485/RS422轉(zhuǎn)RS232雙向通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器。

以太網(wǎng)通信模塊芯片采用Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)卡控制器，符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)。RTL8019AS芯片內(nèi)置16KB SRAM，用于收發(fā)緩沖，支持8/16位數(shù)據(jù)總線、8個(gè)中斷請(qǐng)求、16個(gè)I/O基地址選擇等多種特性。

CPU通過(guò)中斷方式分別與1553B接口模塊、RS232接口模塊進(jìn)行通信，將接收的數(shù)據(jù)用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行封裝后，通過(guò)以太網(wǎng)通信模塊傳輸至以太網(wǎng)。

目前無(wú)線中繼器與路由器產(chǎn)品豐富、價(jià)格低、體積小，因此沒(méi)有必要在協(xié)議轉(zhuǎn)換器中嵌入無(wú)線傳輸模塊。這里選用符合IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的TPLINK54M域展無(wú)線路由器，在網(wǎng)絡(luò)傳輸性能上能符合高速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)[5]。協(xié)議轉(zhuǎn)換器與無(wú)線路由器通過(guò)以太網(wǎng)雙絞線互聯(lián)，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸協(xié)議加密、封裝，能安全可靠地傳輸至目的服務(wù)器。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

協(xié)議轉(zhuǎn)換器軟件在Linux2.6系統(tǒng)下利用C++語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)的程序經(jīng)編譯后寫(xiě)入EPROM中作為固件開(kāi)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行。軟件流程圖如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Flow chart of the software design

軟件首先進(jìn)行硬件設(shè)備初始化，之后建立兩個(gè)線程，分別是1553B—以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換線程以及串口—以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換線程。具體如下：

1）狀態(tài)初始化。1553B模塊作為外部設(shè)備必須進(jìn)行初始化，1553B模塊初始化是對(duì)BU—61580芯片內(nèi)部各寄存器進(jìn)行配置，使其工作在指定模式下，同時(shí)對(duì)芯片RAM區(qū)（包括消息描述堆棧區(qū)以及消息塊存儲(chǔ)區(qū)）進(jìn)行初始化。串口初始化主要是工作方式以及波特率的設(shè)置。

2）1553B—以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換。首先建立Socket套接字，指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康腎P地址與端口；利用中斷的方式讀取BU—61580芯片RAM區(qū)的數(shù)據(jù)并存入系統(tǒng)緩存；讀取系統(tǒng)緩存的1553B數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析并存入緩存；由于S3C6410處理器支持以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議和MAC協(xié)議，因此將解析的緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的封包工作即可傳送至RTL8019AS以太網(wǎng)卡控制器；RTL8019AS芯片用于完成數(shù)據(jù)包物理層封裝并將其轉(zhuǎn)發(fā)至以太網(wǎng)。

3）串口—以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換。與1553B—以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換類(lèi)似，主要也分套接字的建立、數(shù)據(jù)的讀取與解析、以太網(wǎng)協(xié)議封裝以及數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

2 系統(tǒng)性能測(cè)試

2.1 數(shù)據(jù)采集測(cè)試服務(wù)端設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集測(cè)試服務(wù)端硬件采用帶有無(wú)線網(wǎng)卡的高性能便攜式工控機(jī)，軟件采用C#語(yǔ)言在微軟的Visual Studio 2010集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下開(kāi)發(fā)。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集測(cè)試軟件流程圖Fig.3 Flow chart of the data acquisition test software

數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置包括服務(wù)端、無(wú)線路由器以及協(xié)議轉(zhuǎn)換器（客戶(hù)端）IP地址設(shè)置，無(wú)線路由器的安全加密算法選擇（如WPA2—PSK加密算法）以及加密口令設(shè)置，服務(wù)端無(wú)線網(wǎng)卡解密算法選擇以及解密口令設(shè)置。一般設(shè)好后不用再重復(fù)設(shè)置。網(wǎng)絡(luò)連通性檢查利用ICMP協(xié)議進(jìn)行，檢查網(wǎng)絡(luò)是否連通。

采集后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中以便于管理、查詢(xún)等，這里選用成熟的SQL Server2005數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。軟件利用ADO.NET技術(shù)操作數(shù)據(jù)庫(kù)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、打開(kāi)、數(shù)據(jù)寫(xiě)入、數(shù)據(jù)修改以及數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)閉等。

程序利用建立的Socket套接字偵聽(tīng)指定的本機(jī)端口，如果有發(fā)往本機(jī)該端口的IP數(shù)據(jù)包則接收并存入緩存。無(wú)線路由器轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)是由無(wú)線傳輸協(xié)議加密封裝的，解密以及協(xié)議解析由本機(jī)無(wú)線網(wǎng)卡自動(dòng)完成。

數(shù)據(jù)分類(lèi)按數(shù)據(jù)來(lái)源進(jìn)行，根據(jù)數(shù)據(jù)源IP地址的不同進(jìn)行分類(lèi)，同一源IP地址的數(shù)據(jù)存入相同的數(shù)據(jù)記錄表。

2.2 性能測(cè)試

考慮到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分散的情況，需要用到多個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器（一般不超過(guò)10個(gè)）。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下布置多個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)連接數(shù)據(jù)發(fā)送端，開(kāi)機(jī)后由發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)無(wú)線路由器傳輸至服務(wù)端，服務(wù)端是采用高性能的工控機(jī)，安裝的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)并采集數(shù)據(jù)，同時(shí)利用HP公司的LoadRunner[6]工具進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)：10個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器連接發(fā)送端并全部開(kāi)機(jī)準(zhǔn)備好，每15秒增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，直至增加到10個(gè)節(jié)點(diǎn)并發(fā)，持續(xù)5分鐘后每15秒減少一個(gè)節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果如圖4與圖5所示。

圖4 場(chǎng)景設(shè)計(jì)與系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間Fig.4 Diagrams of test scenario design and system response time

圖5 網(wǎng)絡(luò)吞吐量與CPU使用率Fig.5 Diagrams of network throughput and CPU usage

隨著節(jié)點(diǎn)的增加，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間以及網(wǎng)絡(luò)吞吐率也響應(yīng)緩慢增加。10個(gè)節(jié)點(diǎn)并發(fā)期間，系統(tǒng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間以及網(wǎng)絡(luò)吞吐率達(dá)到最大值，并在一定范圍內(nèi)來(lái)回波動(dòng)。之后隨著節(jié)點(diǎn)減少，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間以及網(wǎng)絡(luò)吞吐率也響應(yīng)緩慢減少。整個(gè)過(guò)程平均系統(tǒng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間3.7 s，平均網(wǎng)絡(luò)吞吐率1.5 MByte。10個(gè)節(jié)點(diǎn)并發(fā)期間，平均系統(tǒng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間4.5 s，最大值6.1 s，沒(méi)有出現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)慢或無(wú)法響應(yīng)的情況，系統(tǒng)穩(wěn)定性與處理能力較強(qiáng)；平均網(wǎng)絡(luò)吞吐率1.8 MByte，最大值2.3 MByte，滿(mǎn)足54 M帶寬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求。系統(tǒng)CPU使用率在整個(gè)過(guò)程比較均衡，平均CPU使用率33%，體現(xiàn)了系統(tǒng)良好的處理能力和高可擴(kuò)展性。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前艦艇通用數(shù)據(jù)采集需要，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的協(xié)議轉(zhuǎn)換器。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下組建數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，證明該協(xié)議轉(zhuǎn)換器能滿(mǎn)足現(xiàn)階段艦艇多接口數(shù)據(jù)采集的需要，新研或改進(jìn)的基于該協(xié)議轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)艦艇通用的數(shù)據(jù)采集。

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