基于串口服務(wù)器的調(diào)制解調(diào)器監(jiān)控單元設(shè)計(jì)

徐加瑞，趙清坤，張競博

(1.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431；2.68252部隊(duì)，寧夏 吳忠 751100)

基于串口服務(wù)器的調(diào)制解調(diào)器監(jiān)控單元設(shè)計(jì)

徐加瑞1，趙清坤2，張競博1

(1.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431；2.68252部隊(duì)，寧夏 吳忠 751100)

摘要針對船載衛(wèi)通站配置的1∶1調(diào)制解調(diào)器及其倒換開關(guān)存在的缺乏統(tǒng)一監(jiān)控功能，人機(jī)交互界面不友好，操作使用不便等問題，提出了一種基于串口服務(wù)器的調(diào)制解調(diào)器監(jiān)控單元設(shè)計(jì)方案。該監(jiān)控單元在不改變現(xiàn)有設(shè)備間連接關(guān)系前提下，采用單片機(jī)作為控制器，以觸控屏作為人機(jī)交互的主要手段，優(yōu)化操作菜單結(jié)構(gòu)。測試結(jié)果表明，方案設(shè)計(jì)正確，提高了操作設(shè)備的便捷性，較好地解決了現(xiàn)有設(shè)備存在問題。

關(guān)鍵詞調(diào)制解調(diào)器；串口服務(wù)器；單片機(jī)；監(jiān)控單元

調(diào)制解調(diào)器為全雙工衛(wèi)星通信設(shè)備，將輸入的數(shù)字信號經(jīng)過成幀處理、信道編碼和中頻調(diào)制后輸出中頻調(diào)制信號，再將下變頻器輸出的中頻信號經(jīng)過中頻解調(diào)、信道譯碼以及解幀處理后輸出發(fā)端的數(shù)字信息[1]，其具有豐富的數(shù)據(jù)接口，在船舶上其連接著IP高速復(fù)分接器、上/下變頻器等設(shè)備，起著承上啟下的作用，為衛(wèi)星通信鏈路中的核心設(shè)備[2]，因此建立實(shí)現(xiàn)對調(diào)制解調(diào)器監(jiān)視控制系統(tǒng)具有作用。本文提出了一種基于串口服務(wù)器的調(diào)制解調(diào)器監(jiān)控單元設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對1∶1調(diào)制解調(diào)器全面的監(jiān)視控制功能。

1調(diào)制解調(diào)器現(xiàn)狀分析

船舶為了提高衛(wèi)星通信的可靠性，調(diào)制解調(diào)器采用1∶1熱備份。為解決主備機(jī)切換問題，一般會另加一臺倒換開關(guān)。但目前1∶1調(diào)制解調(diào)器分機(jī)存在以下不足：(1)統(tǒng)一監(jiān)控功能匱乏。倒換開關(guān)依靠兩個指示燈顯示在線狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)部分參數(shù)的同步，查看工作狀態(tài)/告警信息或者設(shè)置參數(shù)需分別在兩臺調(diào)制解調(diào)器上操作；(2)人機(jī)界面不友好。圖1(a)顯示了調(diào)制解調(diào)器操作主界面，顯示屏僅能顯示兩行信息，圖1(b)圖顯示了調(diào)制解調(diào)器菜單樹形結(jié)構(gòu)圖，菜單層次多，不夠扁平化，主次區(qū)分不明顯，將常用與較少使用甚至不使用的選項(xiàng)放置在一起；(3)倒換開關(guān)不具備IP接口，當(dāng)分機(jī)連接IP高速復(fù)分接器時(shí)，用戶需要另添置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

圖1　調(diào)制解調(diào)器菜單示意圖

2設(shè)計(jì)方案

船舶通過站監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了對多套衛(wèi)通站信道設(shè)備的集中監(jiān)控，站監(jiān)控利用串口完成與被監(jiān)控設(shè)備的通訊，因此調(diào)制解調(diào)器的遠(yuǎn)控端口不能直接應(yīng)用于監(jiān)控單元?；谏鲜鲆蛩?，遵循不改變已有連接關(guān)系的原則，方案采用站監(jiān)控配置的串口服務(wù)器[3]和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控單元與調(diào)制解調(diào)器的通訊。

監(jiān)控單元在衛(wèi)通站中的位置關(guān)系如圖2所示。串口服務(wù)器將調(diào)制解調(diào)器方便快捷地接入以太網(wǎng)，支持串口和以太網(wǎng)口的雙向數(shù)據(jù)傳輸。為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控單元與調(diào)制解調(diào)器通訊，調(diào)制解調(diào)器所對應(yīng)串口服務(wù)器端口的目的IP地址應(yīng)包括監(jiān)控單元IP地址。

圖2　調(diào)制解調(diào)器監(jiān)控單元在衛(wèi)通站的位置關(guān)系

監(jiān)控單元與調(diào)制解調(diào)器間的通訊分為主動發(fā)送和被動接受。采用單片機(jī)(MCU)[4-5]完成此項(xiàng)工作。工作原理：MCU主動定時(shí)查詢兩臺調(diào)制解調(diào)器的狀態(tài)參數(shù)，將接受數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在前面板上；監(jiān)控單元等待用戶操作指令，MCU完成指令解析，發(fā)送給調(diào)制解調(diào)器執(zhí)行；MCU接受調(diào)制解調(diào)器的主動上報(bào)信息，并存儲，在前面板顯示。MCU主要功能包括：A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集存儲以及與調(diào)制解調(diào)解調(diào)器通訊。

3監(jiān)控單元的硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控單元的硬件設(shè)計(jì)及內(nèi)外部連接關(guān)系如圖3所示。監(jiān)控單元由電源、單片機(jī)、倒換同步開關(guān)、觸控屏和HUB等5部分組成。電源模塊主要給單片機(jī)及HUB供電，前面板觸控屏由單片機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動，倒換同步開關(guān)由兩臺調(diào)制解調(diào)器2條控制線饋電。單片機(jī)是整個監(jiān)控單元的核心，完成與調(diào)制解調(diào)器的通訊，執(zhí)行用戶操作指令，具備網(wǎng)口和串口兩種接口。倒換同步開關(guān)[6]是與調(diào)制解調(diào)器完全適配的原廠配件，完成兩臺調(diào)制解調(diào)器1：1冗余熱備份及主備機(jī)的切換，執(zhí)行收發(fā)中頻信號匯集與分發(fā)及部分狀態(tài)參數(shù)的同步。觸控屏為監(jiān)控單元的人機(jī)交互部分，提供易于操作的界面，顯示調(diào)制解調(diào)器狀態(tài)信息，接受用戶操作指令，并傳輸給單片機(jī)執(zhí)行。HUB完成主備調(diào)制解調(diào)器與IP高速復(fù)分接器的IP數(shù)據(jù)傳輸。

監(jiān)控單元與調(diào)制解調(diào)器的通訊有兩種工作模式：網(wǎng)口通信和串口通信。正常情況下，采用網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)對調(diào)制解調(diào)器的監(jiān)控，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)無法使用時(shí)，會自動切換到串口通信模式。如圖3加粗虛線連接所示。

圖3　調(diào)制解調(diào)器監(jiān)控單元硬件組成框圖

4軟件設(shè)計(jì)

4.1通訊協(xié)議

調(diào)制解調(diào)器遠(yuǎn)控端口通過串口服務(wù)器映射為監(jiān)控單元虛擬串口[7]，它們應(yīng)用層通訊仍需定義之間的串口通訊協(xié)議，傳送數(shù)據(jù)按此協(xié)議組幀，幀結(jié)構(gòu)如表1所示。例如<0001/TFQ=0950.0000{CR}，可以解析為將地址為0001的調(diào)制解調(diào)器的發(fā)頻率設(shè)置為950 MHz。

表1　監(jiān)控單元與調(diào)制解調(diào)器通訊數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

4.2軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控單元軟件主要包括設(shè)備監(jiān)視和控制兩大功能。單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。通過Keil C[8]軟件編程實(shí)現(xiàn)，主要控制單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)通信。具體是指定時(shí)向調(diào)制解調(diào)器發(fā)送查詢命令，等待查詢響應(yīng)，完成數(shù)據(jù)分析，存儲告警信息，利用新數(shù)據(jù)刷新顯示屏界面及指示燈狀態(tài)；解析用戶在觸控屏上的操作設(shè)置，轉(zhuǎn)化為控制命令(遵循表1協(xié)議)發(fā)送給調(diào)制解調(diào)器執(zhí)行，等待控制響應(yīng)，完成數(shù)據(jù)分析，存儲告警信息，實(shí)時(shí)更新顯示屏數(shù)據(jù)及指示燈狀態(tài)。以此完成監(jiān)視控制任務(wù)。單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了兩臺1∶1熱備份調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)的完全同步，當(dāng)參數(shù)設(shè)置完成，點(diǎn)擊確認(rèn)鍵執(zhí)行時(shí)系統(tǒng)會彈出對話框詢問是否執(zhí)行同步操作。監(jiān)控單元上電后，對各模塊進(jìn)行初始化，包括定時(shí)器、開門狗、A/D模塊、串口模塊、網(wǎng)口模塊和觸控屏。

圖4　單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程

針對調(diào)制解調(diào)器操作菜單層次多、不夠扁平化的問題，監(jiān)控單元軟件依據(jù)調(diào)制解調(diào)器現(xiàn)有菜單，利用大尺寸顯示屏的優(yōu)勢做了優(yōu)化。優(yōu)化后，菜單分為常用(General)、設(shè)置(Config)、測試(Test)、狀態(tài)(Status)以及用戶(User)5大類，如圖5所示。

圖5　監(jiān)控單元前面板示意圖

軟件將常用的菜單選項(xiàng)：主備機(jī)切換，調(diào)制解調(diào)方式，收發(fā)頻率、電平值、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)速率、編碼方式，數(shù)據(jù)接口，遠(yuǎn)控模式，告警信息，收電平，Eb/N0，IP配置等歸類在常用菜單里，在任務(wù)實(shí)戰(zhàn)中，用戶只需在常用選項(xiàng)里操作即可完成調(diào)制解調(diào)器的參數(shù)配置。設(shè)置菜單包括調(diào)制、解調(diào)兩類參數(shù)配置。測試菜單與原有菜單保持一致，包括正常、單載波、發(fā)送1010交替序列、中頻環(huán)回、數(shù)字環(huán)回以及I/O接口環(huán)回6種模式。狀態(tài)菜單包括調(diào)制、解調(diào)、接口狀態(tài)。用戶菜單主要進(jìn)行一些個性化設(shè)置。

5測試驗(yàn)證

測試驗(yàn)證過程中調(diào)制解調(diào)的主要參數(shù)設(shè)置如表2所示。驗(yàn)證從以下兩方面進(jìn)行：一是正確性，包括監(jiān)控單元向調(diào)制解調(diào)器發(fā)送參數(shù)后調(diào)制解調(diào)器的執(zhí)行情況及調(diào)制解調(diào)器上報(bào)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)時(shí)監(jiān)控單元的響應(yīng)情況；二是應(yīng)用監(jiān)控單元前后操作設(shè)備的便捷性，主要針對設(shè)備操作時(shí)間進(jìn)行比較。

表2　調(diào)制解調(diào)器主要參數(shù)設(shè)置

結(jié)果顯示：(1)方案設(shè)計(jì)完全正確。調(diào)制解調(diào)器能夠執(zhí)行監(jiān)控單元發(fā)送的命令，監(jiān)控單元解決了1∶1調(diào)制解調(diào)器部分IP參數(shù)無法同步的問題，另外監(jiān)控單元存儲及實(shí)時(shí)顯示調(diào)制解調(diào)器上報(bào)狀態(tài)參數(shù)，比如開機(jī)后調(diào)制解調(diào)器失鎖及設(shè)備配置完成后鎖定情況；(2)設(shè)備操作便捷性得到提升。如圖6所示，設(shè)備操作時(shí)間縮短近一倍。此外，人機(jī)交互體驗(yàn)提升明顯。

圖6　監(jiān)控單元應(yīng)用前后操作時(shí)長對比

總體而言，NLDD離子注入能量和劑量對導(dǎo)通電阻值和品質(zhì)因數(shù)的影響均為線性，電阻值的變化趨勢和電容相反，品質(zhì)因數(shù)的變化趨勢和電阻基本一致。但是在設(shè)計(jì)器件時(shí)，除了考慮導(dǎo)通電阻和關(guān)斷電容，文中還需綜合考慮其他因素。如本次實(shí)驗(yàn)中若想得到較低的品質(zhì)因數(shù)，則要求砷注入劑量增大，硼注入劑量減小，但這么做會引出一個矛盾因素，即擊穿電壓也會隨之降低，且會遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。這是個相互矛盾的條件，所以設(shè)計(jì)器件時(shí)需在品質(zhì)因數(shù)與擊穿電壓之間尋找一個平衡點(diǎn)。權(quán)衡利弊后，本實(shí)驗(yàn)最終選取有較高BV值的第4片晶圓作為最佳條件，也為射頻開關(guān)器件的生產(chǎn)工藝提供了一定的依據(jù)和基礎(chǔ)。

3結(jié)束語

基于0.13 μm絕緣體上硅CMOS[9]工藝，證實(shí)了熱退火溫度通過影響NLDD的擴(kuò)散過程影響導(dǎo)通電阻值和關(guān)斷電容值。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，輕摻雜注入過程砷和硼的注入劑量為主要影響因素，且導(dǎo)通電阻值和關(guān)斷電容值有著相反的變化趨勢，品質(zhì)因數(shù)有著與導(dǎo)通電阻相同的變化趨勢。提升品質(zhì)因數(shù)的同時(shí)，擊穿電壓會有所降低，需尋找品質(zhì)因數(shù)和擊穿電壓的平衡點(diǎn)。

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Design of the Modem Monitor Unit Based on the Serial Server

XU Jiarui1，ZHAO Qingkun2，ZHANG Jingbo1

(1.China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China;2.Unit 68252, PLA，Wuzhong 751102，China)

AbstractFor the problems about lack of unified monitor feature, unfriendly man-machine interface and inconvenient operation of the modem monitor unit of ship-borne satellite communication station, a design scheme of the modem monitor unit based on serial device server is put forward. On the premise of not changing existing connections between devices, the monitor unit adopts MCU as a controller and the touch panel as the main means of human-computer interaction, optimizes the structure of the operation menu. The test results show that the scheme is correct and the convenience of operation is improved, which preferably solves the problems of existing equipment.

Keywordsmodem；serial server；MCU；monitor unit

收稿日期:2015-09-28

作者簡介:徐加瑞(1984-)，男，工程師。研究方向：衛(wèi)星通信。張競博(1984-)，男，工程師。研究方向：衛(wèi)星通信。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.038

中圖分類號TN763

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)06-132-04