基于X P E的水聲浮標(biāo)采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

林開(kāi)泉，李國(guó)良，徐國(guó)貴，張永超，張學(xué)波

（91388部隊(duì)，廣東 湛江 524022）

0 引言

水聲浮標(biāo)用于水下目標(biāo)的定位和跟蹤、水聲對(duì)抗、海洋調(diào)查和海洋監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，它一般包括水聽(tīng)器、采集模塊、無(wú)線通信裝置和GPS/北斗接收裝置[1]。以往水聲浮標(biāo)的采集系統(tǒng)只進(jìn)行采集和信號(hào)處理，智能化程度不是很高，基站無(wú)法對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并且體積和功耗比較大[2]。

XPE是一種嵌入式操作系統(tǒng)，它以組件化的形式實(shí)現(xiàn)Windows操作系統(tǒng)的功能，使用和Windows XP Professional一樣的二進(jìn)制碼，即經(jīng)過(guò)編譯后可以在XP運(yùn)行的應(yīng)用程序同樣可以在XPE運(yùn)行[3]。XPE只按需添加必要的組件，占用的內(nèi)存更少，不僅繼承了XP在穩(wěn)定性、通用性上的優(yōu)點(diǎn)，還具有模塊化、體積小、可以按需定制的優(yōu)點(diǎn)[4]。

本文基于XPE（Windows XP Embedded）實(shí)現(xiàn)水聲浮標(biāo)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，浮標(biāo)除了可以采集，它本身具有操作系統(tǒng)，基站不但能夠?qū)崟r(shí)接收到浮標(biāo)采集的水聲數(shù)據(jù)，而且還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行遙控。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

基于XPE的水聲浮標(biāo)采集系統(tǒng)主要由PCMB-6872嵌入式板、PCH2001采集卡、水聽(tīng)器、浮標(biāo)電池、GPS/北斗接收模塊、漏水報(bào)警裝置、無(wú)線網(wǎng)橋和微波天線構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 中，PCMB-6872板是一種低功耗的PC/104標(biāo)準(zhǔn)嵌入式工業(yè)主板，板載512MB內(nèi)存，尺寸96 mm×90 mm，具有網(wǎng)口、USB接口、串口、顯示器口等眾多接口。水聲浮標(biāo)需要布放在水中，浮標(biāo)結(jié)構(gòu)如果太臃腫則不利于布放和回收，功耗太大則會(huì)限制它下水后的使用時(shí)間?；谝陨峡紤]，PCMB-6872嵌入式板因?yàn)槌叽缧?、功耗低、接口豐富、運(yùn)行可靠，搭載XPE操作系統(tǒng)，非常適合應(yīng)用于水聲浮標(biāo)中。采集卡采用阿爾泰科技的PCH2001采集卡，PCH2001采集卡是一種基于PC/104總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接與PCMB-6872板的PC/104接口相連。PCH2001采集卡轉(zhuǎn)換器類型為AD7321，轉(zhuǎn)換精度為13位，可以實(shí)現(xiàn)16路單端或者8路雙端采集，采樣速率為31 kHz～250 kHz，存儲(chǔ)器深度為16 K字FIFO存儲(chǔ)。

2 X P E操作系統(tǒng)構(gòu)建

XPE系統(tǒng)與XP系統(tǒng)不同，它沒(méi)有現(xiàn)成的系統(tǒng)可以安裝，必須根據(jù)實(shí)際的使用需要，以組件化的形式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)的過(guò)程比較復(fù)雜，但它具有小型化、運(yùn)行速度快、占用資源小等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制和嵌入式系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用[5]。XPE系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要包括以下步驟：安裝XPE系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具；硬件平臺(tái)分析；根據(jù)客戶需求進(jìn)行組件設(shè)計(jì)[6]。水聲浮標(biāo)采集系統(tǒng)功能需求主要包括支持C++程序開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信、信息加密和遠(yuǎn)程控制等。

XPE組件數(shù)據(jù)庫(kù)提供的組件有上萬(wàn)個(gè)組件，在配置下需要添加哪些組件根據(jù)硬件和該操作系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)怎樣的功能決定，但有些組件是文件系統(tǒng)為FAT32的XPE操作系統(tǒng)所必須的，這主要有FAT組件、Fat Format組件、Shell組件、NT Loader組件。除了上述組件外，水聲浮標(biāo)采集系統(tǒng)程序由于采用C++編寫(xiě)，所以添加支持C++程序的Microsoft Visual C++Run Time組件和Microsoft C++Run Time Libraries組件。浮標(biāo)采集后的數(shù)據(jù)需要用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站，因此需要添加網(wǎng)絡(luò)相關(guān)組件，主要包括Client for Microsoft Networks組件、Core Networking組件、TCP/IP Networking組件TCP/IP Version6等組件。基站對(duì)浮標(biāo)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程桌面控制，因此添加Terminal Server Clint組件、Network Location Awareness Service組件。系統(tǒng)需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)文件共享，因此添加TCP/IP Networking with File sharing and Clint for Microsoft Networks宏組件以及File sharing組件。用在水聲浮標(biāo)的XPE操作系統(tǒng)需要安裝一些應(yīng)用程序，因此添加Windows Application Compatibility宏組件和Shell Application Compatibility宏組件。添加完組件后再使用目標(biāo)設(shè)計(jì)器自動(dòng)檢測(cè)組件的關(guān)聯(lián)關(guān)系，最終生成需要的系統(tǒng)映像文件，將映像文件拷貝到第二個(gè)大小為700 MB的硬盤(pán)分區(qū)，重新啟動(dòng)板子即完成了XPE操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和安裝。

3 水聲浮標(biāo)采集系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

水聲浮標(biāo)采集系統(tǒng)除了實(shí)時(shí)采集水聽(tīng)器探測(cè)到的水聲數(shù)據(jù)外，其功能還包括將浮標(biāo)位置信息、浮標(biāo)電池電壓和漏水報(bào)警信息等浮標(biāo)狀態(tài)信息傳遞至基站，同時(shí)浮標(biāo)能夠響應(yīng)基站發(fā)送過(guò)來(lái)的各種命令，實(shí)現(xiàn)基站對(duì)浮標(biāo)的遙控。浮標(biāo)和基站的通信采用無(wú)線方式進(jìn)行，浮標(biāo)自帶微波發(fā)射天線，經(jīng)過(guò)功率放大后發(fā)射功率可以達(dá)到30 dBm.為了減少無(wú)線通信的壓力，使水聲數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳輸至基站，需要對(duì)水聲數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。為了確保信息傳輸?shù)陌踩瑢?duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行加密處理。

水聲浮標(biāo)采集系統(tǒng)的程序采用C++進(jìn)行編寫(xiě)，經(jīng)過(guò)編譯后的可執(zhí)行文件放在開(kāi)機(jī)啟動(dòng)項(xiàng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)上電后開(kāi)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行程序。程序采用多線程編程，除了主線程外，采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸與通信、GPS/北斗信號(hào)接收等都是一個(gè)單獨(dú)的線程，這樣做可以實(shí)現(xiàn)采集不丟點(diǎn)和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示，基本邏輯如下：系統(tǒng)初始化后，浮標(biāo)開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)基站的采集命令，如果是采集水聲數(shù)據(jù)命令，則采集水聲數(shù)據(jù)，否則采集浮標(biāo)狀態(tài)信息；采集到水聲數(shù)據(jù)后程序根據(jù)是否內(nèi)記數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和加密處理，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站；采集到浮標(biāo)狀態(tài)信息則無(wú)需上述存儲(chǔ)、壓縮和加密步驟，直接用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把浮標(biāo)狀態(tài)發(fā)送給基站；完成數(shù)據(jù)傳輸后，程序進(jìn)行是否停止采集的判斷，如果停止采集則采集結(jié)束，否則繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

圖2 水聲浮標(biāo)采集系統(tǒng)程序流程圖

3.1 水聲數(shù)據(jù)和電池電壓的采集

在編寫(xiě)采集程序之前，需要安裝設(shè)備商提供的采集卡驅(qū)動(dòng)程序。編寫(xiě)采集部分程序的時(shí)候，首先創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象，然后進(jìn)行采集卡參數(shù)初始化。這些參數(shù)包括輸入量程、采集模式、觸發(fā)方式、采樣頻率等。本采集程序?qū)⒉蓸宇l率默認(rèn)設(shè)置為200 kHz，浮標(biāo)可以根據(jù)基站的命令更改采樣速率。采集卡的輸出量程設(shè)置為-5 V～5 V，采樣方式為半滿，采集模式為連續(xù)、單端采集，觸發(fā)方式為邊沿觸發(fā)，觸發(fā)方向?yàn)樨?fù)向，采用軟件觸發(fā)。設(shè)置好以上采集參數(shù)后，初始化硬件和啟動(dòng)設(shè)備，然后調(diào)用采集函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)既定的采集。因?yàn)椴捎玫氖前霛M的方式進(jìn)行采集，所以每次采集的數(shù)據(jù)量為8k個(gè)字，當(dāng)存儲(chǔ)器未到半滿時(shí)則會(huì)等到半滿時(shí)再讀出采集卡存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)包括水聲數(shù)據(jù)和浮標(biāo)電池電壓，但是水聲數(shù)據(jù)是最重要的數(shù)據(jù)，所以在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，默認(rèn)情況只采集水聲數(shù)據(jù)，以防止采樣頻率設(shè)置比較高時(shí)采樣丟點(diǎn)，只有當(dāng)基站發(fā)送查詢浮標(biāo)狀態(tài)時(shí)才采集電池電壓信號(hào)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸與通信

浮標(biāo)與基站基于TCP/IP協(xié)議利用無(wú)線網(wǎng)橋進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，浮標(biāo)是服務(wù)器，基站是客戶端。除了傳輸數(shù)據(jù)，在基站與浮標(biāo)的通信中，基站還需要對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行控制，這種控制是依賴于數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和幀類型的定義實(shí)現(xiàn)的。浮標(biāo)與基站的通信采用比較簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，主要包括幀頭、幀類型及補(bǔ)碼、數(shù)據(jù)段。“幀類型及補(bǔ)碼”與浮標(biāo)下達(dá)的命令一一對(duì)應(yīng)，基站下達(dá)的命令包括查詢浮標(biāo)狀態(tài)、采集水聲數(shù)據(jù)、內(nèi)記數(shù)據(jù)清除、停止采集數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)回傳和關(guān)機(jī)。浮標(biāo)收到一幀命令首先根據(jù)“幀類型和補(bǔ)碼”判斷該幀包含的命令，然后做出回應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的命令，浮標(biāo)與基站通信的幀類型定義如表1所示。

表1 浮標(biāo)與基站通信的幀類型定義

浮標(biāo)的通信部分程序采用Winsock進(jìn)行編程，程序調(diào)用 socket、bind、listen 等 Windows API函數(shù)完成創(chuàng)建套接字、綁定和監(jiān)聽(tīng)工作后，采用Winsock I/O模型中的WSAAsyncSelect模型實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)是否接受連接和接收數(shù)據(jù)的判斷，避免通信阻塞的出現(xiàn)。當(dāng)通信狀態(tài)不好時(shí)，通信有可能出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。為了避免這種情況，Winsock提供了幾種套接字I/O模型供選擇：阻塞模型、select模型、WSAAsyncSelect模型、WSAEvent Select模型、Overlapped模型和Completion Port模型。WSAAsyncSelect模型給指定的窗口發(fā)送自定義消息，通過(guò)消息對(duì)應(yīng)的參數(shù)（WPARAM、LAARAM）來(lái)判斷是否發(fā)生錯(cuò)誤或者感興趣的事件，感興趣的事件主要有連接事件、讀事件和寫(xiě)事件。在使用WSAAsyncSelect模型時(shí)首先自定義一個(gè)消息，然后調(diào)用WSAAsyncSelect函數(shù)，最后調(diào)用WSAGETSELECTEVENT函數(shù)判斷發(fā)生了哪類事件，最后進(jìn)行響應(yīng)。

3.3 G PS/北斗信號(hào)接收

程序用串口來(lái)接收GPS/北斗信號(hào)，得到浮標(biāo)的位置信息。程序打開(kāi)串口后，進(jìn)行串口配置，通過(guò)DCB結(jié)構(gòu)體設(shè)置好波特率、停止位、奇偶校驗(yàn)位等參數(shù)。打開(kāi)串口時(shí)設(shè)置串口為異步I/O操作，并調(diào)用GetOverLappedResult函數(shù)獲取異步I/O操作結(jié)果，調(diào)用ReadFile函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)串口的讀操作。程序接收到GPS/北斗信息后，只將浮標(biāo)經(jīng)緯度發(fā)送給基站，其他信息不用。

3.4 水聲數(shù)據(jù)的壓縮和加密

水聲浮標(biāo)采集系統(tǒng)采用Adaptive Differential Pulse Code Modulation（ADPCM）數(shù)據(jù)壓縮算法和對(duì)稱密鑰加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和加密。ADPCM是一種針對(duì)16bit聲音波形數(shù)據(jù)的有損壓縮算法，它將聲音流中每次采樣的16bit數(shù)據(jù)以4bit存儲(chǔ)，壓縮比為4∶1.ADPCM通過(guò)保存波形的變化情況來(lái)達(dá)到描述整個(gè)波形的目的，即ADPCM記錄的量化值不是每個(gè)采樣點(diǎn)的幅值，而是該點(diǎn)的幅值與前一個(gè)采樣點(diǎn)幅值之差。本采集程序ADPCM壓縮算法在基本不影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的情況下可以有效降低數(shù)據(jù)量，對(duì)于16k個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的壓縮時(shí)間可以控制在幾十個(gè)毫秒量級(jí)，不會(huì)影響實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。程序采用對(duì)稱密鑰加密方法進(jìn)行加密，加密和解密使用同一個(gè)密鑰。當(dāng)收發(fā)雙方能夠安全地傳遞蜜鑰時(shí)，對(duì)稱密鑰加密是最好的加密方法，適用于本系統(tǒng)音頻通信數(shù)據(jù)流的加密。

4 試驗(yàn)結(jié)果

在完成適用于水聲浮標(biāo)的嵌入式XPE操作系統(tǒng)、浮標(biāo)采集軟件、船載基站顯控軟件開(kāi)發(fā)后，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)，船載基站遙控浮標(biāo)，完成采集數(shù)據(jù)、浮標(biāo)狀態(tài)查詢、GPS/北斗信號(hào)接收、數(shù)據(jù)壓縮和加密、數(shù)據(jù)傳輸和通信等操作。在該試驗(yàn)中，浮標(biāo)采集的信號(hào)源條件為：信號(hào)頻率 13.51 kHz，LFM信號(hào)，帶寬1 kHz，脈寬 10 ms，周期4 s，功率175 dB，系統(tǒng)采樣頻率 80 kHz.在收到采集和控制指令后，浮標(biāo)完成水聲信號(hào)采集和回傳，經(jīng)船載基站信號(hào)處理后，其結(jié)果如圖3所示。圖3中，系統(tǒng)能穩(wěn)定接收信號(hào)，時(shí)域信號(hào)明顯，頻譜圖在13 kHz～14 kHz出有一個(gè)較強(qiáng)的信號(hào)，25 kHz～28 kHz為信號(hào)倍頻程所致，在14 kHz附近每隔4 s由一個(gè)明顯的亮點(diǎn)，為接收的發(fā)射信號(hào)。試驗(yàn)表明系統(tǒng)運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)采集、通信、信號(hào)處理等功能完整。作性。在編程的時(shí)候也盡量考慮了程序的可靠性和健壯性，避免采集丟點(diǎn)和通信阻塞等情況的出現(xiàn)。

圖3 船載基站接收的浮標(biāo)采集數(shù)據(jù)及分析圖

5 結(jié)論

本文主要給出了一種新的水聲浮標(biāo)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，該方法的創(chuàng)新部分在于，浮標(biāo)采集系統(tǒng)是基于XPE操作系統(tǒng)的，這個(gè)操作系統(tǒng)是一個(gè)面向需求的Windows操作系統(tǒng)，通過(guò)組件設(shè)計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)所需要的功能，使用這種操作系統(tǒng)有三點(diǎn)好處：一是只添加了需要的組件，因此系統(tǒng)占用內(nèi)存?。欢呛蚗P使用一樣的二進(jìn)制碼，在XP下可以運(yùn)行的應(yīng)用程序在XPE也能運(yùn)行；三是這種系統(tǒng)使用的嵌入式板，功率損耗小。試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行正常，各項(xiàng)功能完整，應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)部分，除了實(shí)采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳輸功能外，基站可以通過(guò)程序?qū)Ω?biāo)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，提高了采集系統(tǒng)的可操