一種車載公用系統(tǒng)管控設(shè)備的設(shè)計(jì)

潘庭發(fā) 趙柏程

摘 要：本文設(shè)計(jì)的集中管控設(shè)備結(jié)構(gòu)形式為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜上架式，高度為1U，后面板出線，設(shè)備所有器件滿足100%國(guó)產(chǎn)化要求;系統(tǒng)平臺(tái)采用國(guó)產(chǎn)銀河麒麟操作系統(tǒng)，集中管控軟件為B/S架構(gòu)，滿足國(guó)產(chǎn)化、跨平臺(tái)的需求和發(fā)展趨勢(shì)。集中管控軟件以嵌入式Web服務(wù)器軟件形式裝載在集中管控設(shè)備的主電路板上，所有管控操作均可在操作終端或任務(wù)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行訪問完成操作。

關(guān)鍵詞：公用系統(tǒng)、國(guó)產(chǎn)化、跨平臺(tái)、集中管控

1.引言

隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展和部隊(duì)等用戶對(duì)裝備智能化需求的提高，通信指揮車的應(yīng)用越來越廣泛，功能越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)通信指揮車各設(shè)備獨(dú)立連接集成、分散使用操作，存在操作繁雜、效率低下、可維護(hù)維修性差、智能化信息化程度差等諸多問題，如何充分發(fā)揮裝備效能一直是困擾裝備用戶的難題。同時(shí)，受國(guó)際芯片等行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)、國(guó)家安全保密要求等大形勢(shì)影響，裝備完全國(guó)產(chǎn)化的需求越來越迫切。

本文基于以上問題提出的一種解決方案，為部隊(duì)等用戶設(shè)計(jì)基于智能控制技術(shù)的完全國(guó)產(chǎn)化的車載公用系統(tǒng)集中管控設(shè)備，減少車輛平臺(tái)公用系統(tǒng)開通、撤收的時(shí)間，提升系統(tǒng)智能化、自動(dòng)化操作程度，以滿足部隊(duì)等用戶快速工作部署及作戰(zhàn)訓(xùn)練需求。

2.設(shè)計(jì)目標(biāo)

集中管控設(shè)備采用19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架式結(jié)構(gòu)，后面板出線形式，整機(jī)功耗小于10W，整體重量小于6kg，環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性、可靠性指標(biāo)滿足相關(guān)國(guó)軍標(biāo)要求，電子元器件完全國(guó)產(chǎn)化，支持國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)、滿足跨平臺(tái)操作要求，主要器件性能具備領(lǐng)域內(nèi)主流處理能力，外部接口以CAN和以太網(wǎng)為主，預(yù)留RS232、RS485接口，具備通信指示、維護(hù)接口功能。

3.應(yīng)用框圖

集中管控設(shè)備典型應(yīng)用如下：

4.硬件設(shè)計(jì)

硬件主要由箱體、連接器、通信主板等組成。

4.1.箱體設(shè)計(jì)

箱體形式為19英寸標(biāo)準(zhǔn)上架式結(jié)構(gòu)，高度1U，屏蔽性能滿足國(guó)軍標(biāo)GJB151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》中相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目的要求，環(huán)境適應(yīng)性滿足GJB150中高低溫、振動(dòng)、沖擊、濕熱等相關(guān)要求。箱體外形圖示如下：

4.2.連接器選型

受限于箱體高度，面板上可用于安裝連接器的空間較小，所以選擇F系列推拉式高密度小圓型連接器，該系列電連接器基于GJB9167-2017標(biāo)準(zhǔn)中F系列要求研制，主要用于電子設(shè)備中低頻信號(hào)傳輸，具有快速插拔、體積小、抗沖擊、防震動(dòng)、高屏蔽性能、耐惡劣環(huán)境、密封性好、使用壽命長(zhǎng)、操作方便等特點(diǎn)。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于軍、民領(lǐng)域的機(jī)械裝備、電臺(tái)設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、醫(yī)療器械、工業(yè)設(shè)備、試驗(yàn)室設(shè)備、船舶重工、伺服電機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸和通訊系統(tǒng)、音視頻傳輸、電源與信號(hào)、通信、電力、高鐵、汽車燈場(chǎng)合的交、直流電路的電氣連接。

4.3.通信主板設(shè)計(jì)

通信主板的實(shí)現(xiàn)形式采用核心板+底板的方式實(shí)現(xiàn)，核心板選擇成熟模塊，底板根據(jù)集中管控設(shè)備的接口需求自行研發(fā)。目前，國(guó)內(nèi)主流的處理器有龍芯、飛騰、瑞芯微、兆芯、申威、海思等品牌，不少品牌都有系列化的核心板，經(jīng)過選型比對(duì)，選擇龍芯2K1000作為核心板。

4.3.1.龍芯2K1000

龍芯2K1000核心板的性能參數(shù)如下：

4.3.2.底板設(shè)計(jì)

根據(jù)集中管控設(shè)備的接口需求和性能要求，底板的對(duì)外接口包括以太網(wǎng)口、CAN口、RS485/RS232口，對(duì)外接口充分考慮電磁兼容性、可靠性等設(shè)計(jì)。主要接口電路設(shè)計(jì)如下：

（1）以太網(wǎng)接口電路

本設(shè)計(jì)選用蘇州裕太車通的千兆工業(yè)級(jí)PHY芯片YT8511H，該公司是一家具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的以太網(wǎng)PHY芯片供應(yīng)商，主要服務(wù)有通信領(lǐng)域包括數(shù)通、安防、車載、工業(yè)和特種行業(yè)，是國(guó)內(nèi)唯一一家以太網(wǎng)PHY芯片公司，主要產(chǎn)品以太網(wǎng)PHY芯片應(yīng)用于汽車、消費(fèi)、工業(yè)等行業(yè)。YT8511H是三速10/100/1000BASE-T千兆以太網(wǎng)物理層收發(fā)器，其設(shè)計(jì)完全符合RGMII接口規(guī)范，從而與標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)訪問控制器（MAC）和交換控制器兼容。以太網(wǎng)接口主要電路原理圖如下：

（2）CAN接口

CAN接口電路的主要芯片為周立功公司的ZLG_SC1300S CAN接口芯片，其符合ISO11898-2標(biāo)準(zhǔn)，具有未上電節(jié)點(diǎn)不影響總線、單網(wǎng)絡(luò)最多可連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)、外殼及灌封材料符合UL94 V-0標(biāo)準(zhǔn)、具有極低電磁輻射和高的抗電磁干擾性、高低溫特性好等特點(diǎn)，性能滿足工業(yè)級(jí)產(chǎn)品要求。

（3）RS485/RS232接口

RS485/RS232接口的主要芯片選擇思瑞浦的TPT3232E，該芯片符合TIA/EIA-232-F以及ITU V.28標(biāo)準(zhǔn)，通信穩(wěn)定、波形無異常點(diǎn)，外部電路拓?fù)浜?jiǎn)單，通常是國(guó)產(chǎn)要求高的情況下的首選芯片。

5.軟件設(shè)計(jì)

5.1.系統(tǒng)軟件選擇

5.1.1.麒麟操作系統(tǒng)

銀河麒麟v10是一款面向桌面應(yīng)用的圖形化桌面操作系統(tǒng)，由國(guó)防科技大學(xué)、中軟公司、聯(lián)想公司、浪潮集團(tuán)和民族恒星公司合作研制的，具有高安全、跨平臺(tái)、中文化等特點(diǎn)，銀河麒麟操作系統(tǒng)是目前我國(guó)通過認(rèn)證的安全等級(jí)最高的操作系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的中文處理能力，目前已廣泛應(yīng)用于軍工、政府、金融、電力、教育、大型企業(yè)等眾多領(lǐng)域。

（1）高安全

首家通過公安部計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢查中心第四級(jí)結(jié)構(gòu)化保護(hù)級(jí)檢測(cè)和中國(guó)人民解放軍信息安全測(cè)評(píng)中心軍用B+級(jí)安全認(rèn)證，是目前國(guó)內(nèi)安全等級(jí)最高的操作系統(tǒng)。

符合《GB/T 20272-2006 信息安全技術(shù) 操作系統(tǒng)安全技術(shù)要求》第四級(jí)結(jié)構(gòu)化保護(hù)級(jí)的要求，是目前我國(guó)通過認(rèn)證的安全等級(jí)最高的操作系統(tǒng)。已廣泛應(yīng)用于軍工、政府、金融、電力、教育、大型企業(yè)等眾多領(lǐng)域，為我國(guó)的信息化建設(shè)保駕護(hù)航。

（2）跨平臺(tái)

符合POSIX系列標(biāo)準(zhǔn)，并兼容Linux目標(biāo)代碼，Linux平臺(tái)上的大型應(yīng)用如圖形環(huán)境、Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)等都可以直接運(yùn)行在麒麟安全操作系統(tǒng)平臺(tái)上，有力拓展了應(yīng)用面。

（3）中文化

嚴(yán)格遵從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB18030-2000《信息交換用漢字編碼字符集基本集的擴(kuò)充》，達(dá)到 GB18030-2000 檢測(cè)規(guī)范的最高級(jí)別“A+”級(jí)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，具有強(qiáng)大的中文處理能力。提供了符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的中文字體，支持符合GB18030標(biāo)準(zhǔn)的打印系統(tǒng)，具有直接使用中文TrueType字庫(kù)進(jìn)行打印的功能。

5.1.2.Web服務(wù)器軟件

嵌入式Web服務(wù)器是嵌入式設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的小型web服務(wù)器，對(duì)硬件要求較低，可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)為用戶提供服務(wù)。是總控制系統(tǒng)的核心控制組件，是與外部網(wǎng)絡(luò)通信的橋梁。本系統(tǒng)的服務(wù)器擬采用Boa服務(wù)器。Boa服務(wù)器是一個(gè)體積小巧的 Web服務(wù)器，最終可執(zhí)行代碼在60KiB左右，Boa服務(wù)器支持CGI，能夠?yàn)镃GI程序fork出一個(gè)進(jìn)程來執(zhí)行。CGI是用戶界面動(dòng)態(tài)加載設(shè)備狀態(tài)信息的關(guān)鍵。這些特點(diǎn)特別適合于系統(tǒng)資源比較少的嵌入式系統(tǒng)，并且它的響應(yīng)速度比常規(guī)的服務(wù)器要快很多。

CGI（Common Gateway Interface）公共網(wǎng)關(guān)接口程序是運(yùn)行在服務(wù)器上的外部程序與Web服務(wù)器之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，是Web服務(wù)器與外部通信的關(guān)鍵。主要實(shí)現(xiàn)HTML文檔與服務(wù)器應(yīng)用程序之間傳遞信息。當(dāng)Web服務(wù)器和客戶端之間建立起TCP/IP連接之后，用戶通過瀏覽器向Web服務(wù)器發(fā)出一個(gè)含有可執(zhí)行應(yīng)用程序的HTTP請(qǐng)求，Web服務(wù)器接收到客戶端的請(qǐng)求后，運(yùn)行指定的應(yīng)用程序讀取與請(qǐng)求相關(guān)的信息，從而獲取請(qǐng)求中所含的數(shù)據(jù);Web服務(wù)器將這些數(shù)據(jù)傳遞給指定的CGI程序，并運(yùn)行該程序;CGI程序運(yùn)行結(jié)束，生成HTML頁(yè)面，再由Web服務(wù)器將HTML頁(yè)面回送給客戶端;最后由客戶端瀏覽器解釋HTML頁(yè)面。

5.2.應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

（1）軟件界面設(shè)計(jì)

界面設(shè)計(jì)以可視化界面為主，通過把復(fù)雜、抽象、專業(yè)的數(shù)據(jù)圖表的屬性和變量，進(jìn)行直觀、動(dòng)態(tài)或是通俗易懂的視覺化設(shè)計(jì)展示出來。目的是為用戶進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警、提示風(fēng)險(xiǎn)、下發(fā)指令時(shí)，做出相關(guān)決策提供依據(jù)。軟件界面的設(shè)計(jì)風(fēng)格如下：

（2）CAN通信協(xié)議設(shè)計(jì)

統(tǒng)一各個(gè)設(shè)備的通信協(xié)議規(guī)則，有利于軟件的整體規(guī)劃和減少研發(fā)工作量、提高軟件可靠性和調(diào)試難度。

要求符合CAN2.0A/B 協(xié)議和ISO11898規(guī)范，CAN總線數(shù)據(jù)幀統(tǒng)一采用擴(kuò)展幀，即29位幀ID。傳輸速率為250kbps，采樣點(diǎn)設(shè)置為80%，3次采樣。數(shù)據(jù)發(fā)送格式為遵從小端字節(jié)序，多字節(jié)字段時(shí)，低字節(jié)先發(fā)送，高字節(jié)后發(fā)送。

CAN數(shù)據(jù)幀包含一個(gè)單一的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。協(xié)議數(shù)據(jù)單元有五部分組成：分別是分包標(biāo)識(shí)、目標(biāo)地址、源地址、主題號(hào)和數(shù)據(jù)域，表1為協(xié)議幀格式定義。PDU被封裝在一個(gè)或多個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀中，通過物理介質(zhì)傳送到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。每個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀只能有一個(gè)PDU。

注1：幀信息中：FF=0為標(biāo)準(zhǔn)幀，F(xiàn)F=1為擴(kuò)展幀;RTR=0為數(shù)據(jù)幀，RTR=1為遠(yuǎn)程幀;DLC為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

注2：DF是分包標(biāo)識(shí)，字節(jié)2（高三位默認(rèn)是0）為00-單包，多包時(shí)01H-首包，02H～1EH中間包，1FH-結(jié)束包;DA是目標(biāo)地址;SA是源地址;PF是主題號(hào)，字節(jié)5為14H-控制，24H-反饋，34-查詢。目標(biāo)地址（DA）和源地址（SA）各占8位，總共可以定義255個(gè)節(jié)點(diǎn)（設(shè)備）地址。

6.結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)各種通信車輛車載公用系統(tǒng)的集中管控進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一款公用系統(tǒng)集中管控設(shè)備，其在軟硬件的選型及設(shè)計(jì)方面，著重考慮電子元器件100%國(guó)產(chǎn)化、軟件跨平臺(tái)的應(yīng)用需求，結(jié)合裝車布線的實(shí)際情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足用戶對(duì)裝備智能化、信息化的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]來清民 編著 《手把手教你學(xué)CAN總線》.北京航空航天大學(xué)出版社 2019.03

[2]吳林印等 《基于通信車載平臺(tái)的可視化集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》廣東通信技術(shù) 2021.01

[3]叢爽 編著 《智能控制系統(tǒng)及其應(yīng)用》 中國(guó)科大出版社 2021.08