基于Z85230的雷達中繼設(shè)備維修平臺嵌入式軟件設(shè)計

聶停順，郝福珍

(華北計算技術(shù)研究所 后勤信息化事業(yè)部，北京100083)

電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展推動了雷達技術(shù)的發(fā)展。雷達憑借其發(fā)現(xiàn)目標距離遠、測定目標坐標速度快、能全天候工作等優(yōu)良特性在警戒、引導(dǎo)、武器控制、偵察等方面得到廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的重要電子裝備[1]。但雷達中繼設(shè)備一旦發(fā)生故障將使這些優(yōu)良特性受到嚴重影響，據(jù)統(tǒng)計，中繼故障設(shè)備占所有故障設(shè)備的70%左右，而中繼設(shè)備維修的基礎(chǔ)建設(shè)還很薄弱，缺乏集成、高效的故障檢測手段。然而，中繼級信號檢測設(shè)備具有雷達數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、信號模擬、接口協(xié)議分析、鏈路質(zhì)量檢測等功能，可以滿足中繼設(shè)備維修的要求。

Z85230是Zilog公司生產(chǎn)的比較成熟的串行通信控制芯片，支持的協(xié)議豐富、操作方便，是該設(shè)備的關(guān)鍵部件。嵌入式處理器AT91RM9200本身集成了豐富的外設(shè)，成本低、體積小、功能強，是中繼信號檢測設(shè)備的控制器[2-4]。

1 設(shè)備的功能要求

中繼信號檢測設(shè)備(以下簡稱檢測設(shè)備)具有以下功能：

(1)3個10/100 Mb/s對外網(wǎng)口，方便參數(shù)配置和接入雷達服務(wù)器主機；

(2)4個串行接口,同時支持 HDLC/BSC/ASYNC,可接入不同的雷達或中繼設(shè)備，接口最高速率達115 200 b/s；

(3)支持網(wǎng)口到串口、串口到網(wǎng)口的雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；

(4)能夠檢測雷達設(shè)備的接口協(xié)議；

(5)能夠檢測中繼級設(shè)備的鏈路質(zhì)量。

2 硬件平臺

維修平臺采用C/S設(shè)計模式，如圖1所示。在硬件方面采用ARM處理器AT91RM9200作為檢測設(shè)備的控制器，是控制模塊的核心器件；Z85230構(gòu)成檢測設(shè)備的串口模塊。

圖1 維修平臺C/S模型

3 嵌入式軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)流模型及其分析

根據(jù)設(shè)備的功能要求將檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)流分為兩大類：(1)航空管制中心用戶對設(shè)備的配置數(shù)據(jù)流，雙方按照約定的通信協(xié)議發(fā)送配置和響應(yīng)信息；(2)雷達信息數(shù)據(jù)流，可由雷達數(shù)據(jù)服務(wù)器主機發(fā)起，也可以由雷達中繼級設(shè)備發(fā)起。前者屬于雷達數(shù)據(jù)的回放過程，雷達數(shù)據(jù)從雷達主機經(jīng)檢測設(shè)備回放出來；后者屬于雷達數(shù)據(jù)的錄制過程，數(shù)據(jù)經(jīng)檢測設(shè)備最后轉(zhuǎn)發(fā)給雷達數(shù)據(jù)分析軟件。如圖2所示。

圖2 雷達中級檢測設(shè)備數(shù)據(jù)流模型

3.2 軟件模塊劃分及其實現(xiàn)

按照功能將檢測設(shè)備的軟件部分劃分為通信模塊、配置模塊、轉(zhuǎn)發(fā)模塊、協(xié)議分析模塊、IP地址搜索模塊和底層驅(qū)動模塊。其中IP地址搜索模塊屬于單獨的模塊，與其他模塊沒有關(guān)系。模塊間關(guān)系如圖3所示。

圖3 嵌入式軟件各模塊間關(guān)系

3.2.1 通信模塊

該模塊的主要功能包括：(1)偵聽來自配置管理軟件的連接請求；(2)接收來自配置管理軟件的配置命令；(3)接收來自網(wǎng)口的雷達數(shù)據(jù)；(4)將配置命令的執(zhí)行結(jié)果以及協(xié)議分析模塊的分析結(jié)果發(fā)送給配置管理軟件；(5)設(shè)備關(guān)閉或重啟時對內(nèi)存進行清理。

配置命令通過以太網(wǎng)傳輸，延遲相對較大。為降低配置命令的發(fā)送延遲和接收延遲，設(shè)置發(fā)送器直接從用戶空間獲取數(shù)據(jù)，接收器直接將數(shù)據(jù)交付給用戶空間緩存，而不經(jīng)過中間緩存。

3.2.2 配置模塊

配置模塊用于解析和執(zhí)行配置命令，并將執(zhí)行結(jié)果交付給通信模塊最終發(fā)送給配置管理軟件。串口配置命令是該模塊中最重要的命令，該命令用于對串口參數(shù)進行配置，直接影響到串口能否正常工作。該命令將串口配置參數(shù)傳輸給底層驅(qū)動，數(shù)據(jù)量相對較大，不能使用get_user()和put_user()等少量數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)。本文采用ioctl命令配合 copy_from_user()和 copy_to_user()函數(shù)實現(xiàn)用戶空間與內(nèi)核空間之間的大量數(shù)據(jù)交換。串口配置命令的關(guān)鍵代碼如下：

3.2.3 轉(zhuǎn)發(fā)模塊

轉(zhuǎn)發(fā)模塊按照雷達中繼檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)流模型將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)口或者串口，其中轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)口的數(shù)據(jù)流按照轉(zhuǎn)發(fā)表的設(shè)置進行，轉(zhuǎn)發(fā)到串口的數(shù)據(jù)流按照數(shù)據(jù)幀標示進行。本文中為每一個串口建立兩個線程，分別負責(zé)發(fā)送、接收和封裝成幀的工作。

3.2.4 協(xié)議分析模塊

在配置管理軟件的配合下，該模塊實現(xiàn)從未知雷達協(xié)議的串行鏈路中推斷出雷達協(xié)議。一則便于對未知雷達協(xié)議的串行鏈路進行故障診斷；二則便于對中繼設(shè)備的參數(shù)進行配置。本項目中使用兩片CPLD對各串口各引腳的狀態(tài)進行采集，并將采集結(jié)果發(fā)送給配置管理軟件，由配置管理軟件對采集結(jié)果進行分析推斷，最后再將推斷的結(jié)果發(fā)送給檢測設(shè)備作為協(xié)議分析的基參數(shù)，檢測設(shè)備在此基礎(chǔ)上重新采集各引腳的狀態(tài)，重復(fù)以上過程即可逐漸接近雷達協(xié)議。

3.2.5 IP地址搜索模塊

航空管制中心的中繼設(shè)備一般以IP地址作區(qū)分，隨著規(guī)模的不斷擴大，人工管理將逐漸變得異常困難且效率低下。該模塊通過響應(yīng)配置管理軟件的地址搜索指令，將設(shè)備的基本信息發(fā)送給配置管理軟件，因此在未知設(shè)備IP地址的前提下也能對設(shè)備進行配置管理。本項目中，在檢測設(shè)備端啟動一個進程負責(zé)偵聽來自網(wǎng)絡(luò)的地址搜索指令，當識別到搜索指令后該進程將設(shè)備的基本信息以廣播的形式發(fā)送出去。

3.2.6 底層驅(qū)動模塊

檢測設(shè)備要求同時支持多種鏈路控制協(xié)議，這是驅(qū)動程序設(shè)計的關(guān)鍵。本項目采用Linux下tty設(shè)備驅(qū)動程序框架結(jié)構(gòu)[5]，該結(jié)構(gòu)封裝了通用的設(shè)備訪問接口，只需編寫鏈路規(guī)程和硬件驅(qū)動即可方便地對設(shè)備進行控制。以下是Z85230的中斷處理和tty驅(qū)動程序的設(shè)計。

(1)中斷處理函數(shù)的設(shè)計

Z85230芯片的每個通道都有3個中斷源，按照中斷優(yōu)先級由高到低分別為：接收中斷、發(fā)送中斷、外部/狀態(tài)中斷。另外A通道中斷源優(yōu)先級高于B通道。中斷處理流程如圖4所示。

圖4 Z85230中斷處理流程

(2)構(gòu)建tty驅(qū)動程序

tty驅(qū)動程序最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是tty_driver，它用于向tty核心注冊和注銷驅(qū)動程序，該結(jié)構(gòu)提供了tty驅(qū)動程序最重要的信息。為獲得tty_driver對象，首先調(diào)用alloc_tty_driver()，該函數(shù)向tty核心申請并返回指向tty_driver對象的指針。

初始化tty_driver對象之后，調(diào)用函數(shù)tty_register_driver(driver)，并傳遞初始化的tty_driver對象，即可向tty核心注冊該驅(qū)動。

最后一步是注冊中斷服務(wù)程序，本項目中兩片Z85230分別連接在兩條不同的中斷線上，因此需將中斷處理函數(shù)注冊到不同的中斷號上。調(diào)用Linux內(nèi)核中斷注冊函數(shù)request_irq()即可完成中斷注冊過程。

request_irq(z85230_irqs,z85230_interrupt,SA_INTERRUPT,"Z85230_SERIAL",&z85230_devs);

注意：z85230_devs為觸發(fā)中斷的設(shè)備；z85230_irqs為中斷號，兩芯片需單獨注冊；z85230_interrupt為中斷處理函數(shù)。

4 設(shè)備功能測試

4.1 轉(zhuǎn)發(fā)功能測試

測試過程：首先使用配置管理軟件對設(shè)備的串口進行配置，參數(shù)如表1所示。

表1 串口配置參數(shù)

連接串口1和串口2，然后在主機端發(fā)送錄制好的雷達數(shù)據(jù)，測試設(shè)備的雷達數(shù)據(jù)回放和錄制功能。統(tǒng)計結(jié)果如表2所示，雷達數(shù)據(jù)接收演示如圖5所示。

表2 錄制與回放功能測試結(jié)果統(tǒng)計表

圖5 雷達數(shù)據(jù)接收演示窗口

4.2 協(xié)議分析功能測試

測試過程：將串口1連接到雷達情報服務(wù)器的輸出端口，啟動協(xié)議分析功能，對情報服務(wù)器的輸出端口的數(shù)據(jù)協(xié)議進行分析，協(xié)議分析過程如圖6所示。

圖6 協(xié)議分析過程演示

雷達中繼信號檢測設(shè)備改變了中繼級設(shè)備傳統(tǒng)的手工故障定位方式，在配置管理軟件的配合下可以有效地幫助技術(shù)人員快速定位故障設(shè)備。將檢測設(shè)備的不同功能組合起來不僅可以實現(xiàn)中繼級設(shè)備鏈路質(zhì)量的檢測，還可用于非雷達中繼級串行設(shè)備信號的檢測。檢測設(shè)備的協(xié)議分析功能目前還不完善，只能識別出通信協(xié)議類型、通信角色等。對波特率、同步字符還不能正確識別，必須人工或配置軟件干預(yù)，還需要進一步完善。

[1]邱榮欽.雷達技術(shù)的發(fā)展[J].電子科學(xué)技術(shù)評論，2005(3)：1-6.

[2]郝福珍，李天萬，王江少.基于 Z85230的雷達情報服務(wù)器的設(shè)計[J].計算機工程與應(yīng)用，2009，45(10)：76-79.

[3]Zilog Inc.Z85230/Z80230 enhanced serial communications controller[S].2002.

[4]Atmel Corporation.ARM920T-based microcon-troller AT91RM9200 datasheet[S].2009.

[5]JONATHAN C，ALESSANDRO R，GREG K H，et al.Linux設(shè)備驅(qū)動程序(第 3版)[M].魏永明，耿岳，鐘書毅，譯.北京：中國電力出版社，2006.