面向艦艇通用數(shù)據(jù)采集的協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與測試

王黎明，鄭 健，張福生

（中國人民解放軍91388部隊 廣東 湛江 524022）

隨著信息技術(shù)與總線技術(shù)的不斷發(fā)展，國家日前的大型武器平臺也向自動化、信息化發(fā)展，復(fù)雜性越來越高。這類武器系統(tǒng)通常由多個分系統(tǒng)、子設(shè)備組成，通過不同種類的總線連接在一起[1]。艦艇作為主要的作戰(zhàn)平臺之一，在國防中發(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]。現(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，同時會造成數(shù)據(jù)采集點分散的弊端；1553B總線對信號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，實現(xiàn)整個作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，并配備專門的數(shù)據(jù)采集與存儲服務(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總線與串口將來必然會被分布式以太網(wǎng)代替。為了適應(yīng)現(xiàn)有艦艇數(shù)據(jù)采集需要，并考慮未來分布式網(wǎng)絡(luò)建設(shè)要求，這里設(shè)計了一種基于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

1.1 硬件設(shè)計

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

圖1 硬件設(shè)計結(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，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總線連接時需加裝耦合器。

ARM11支持的串口僅為4個RS232接口，所以來自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個中斷請求、16個I/O基地址選擇等多種特性。

CPU通過中斷方式分別與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，通過以太網(wǎng)通信模塊傳輸至以太網(wǎng)。

目前無線中繼器與路由器產(chǎn)品豐富、價格低、體積小，因此沒有必要在協(xié)議轉(zhuǎn)換器中嵌入無線傳輸模塊。這里選用符合IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的TPLINK54M域展無線路由器，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)換器與無線路由器通過以太網(wǎng)雙絞線互聯(lián)，數(shù)據(jù)通過無線傳輸協(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

協(xié)議轉(zhuǎn)換器軟件在Linux2.6系統(tǒng)下利用C++語言進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)的程序經(jīng)編譯后寫入EPROM中作為固件開機自動運行。軟件流程圖如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計流程圖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，同時對芯片RAM區(qū)（包括消息描述堆棧區(qū)以及消息塊存儲區(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)性能測試

2.1 數(shù)據(jù)采集測試服務(wù)端設(shè)計

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

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

數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置包括服務(wù)端、無線路由器以及協(xié)議轉(zhuǎn)換器（客戶端）IP地址設(shè)置，無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)存儲在數(shù)據(jù)庫中以便于管理、查詢等，這里選用成熟的SQL Server2005數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。軟件利用ADO.NET技術(shù)操作數(shù)據(jù)庫，包括數(shù)據(jù)庫的建立、打開、數(shù)據(jù)寫入、數(shù)據(jù)修改以及數(shù)據(jù)庫關(guān)閉等。

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

數(shù)據(jù)分類按數(shù)據(jù)來源進(jìn)行，根據(jù)數(shù)據(jù)源IP地址的不同進(jìn)行分類，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 性能測試

考慮到實際應(yīng)用場景中數(shù)據(jù)采集點分散的情況，需要用到多個協(xié)議轉(zhuǎn)換器（一般不超過10個）。在實驗室環(huán)境下布置多個協(xié)議轉(zhuǎn)換器節(jié)點連接數(shù)據(jù)發(fā)送端，開機后由發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過無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，安裝的數(shù)據(jù)采集與存儲軟件實時監(jiān)聽并采集數(shù)據(jù)，同時利用HP公司的LoadRunner[6]工具進(jìn)行性能測試。測試場景設(shè)計：10個協(xié)議轉(zhuǎn)換器連接發(fā)送端并全部開機準(zhǔn)備好，每15秒增加一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，直至增加到10個節(jié)點并發(fā)，持續(xù)5分鐘后每15秒減少一個節(jié)點。系統(tǒng)性能測試結(jié)果如圖4與圖5所示。

圖4 場景設(shè)計與系統(tǒng)響應(yīng)時間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)點的增加，系統(tǒng)響應(yīng)時間以及網(wǎng)絡(luò)吞吐率也響應(yīng)緩慢增加。10個節(jié)點并發(fā)期間，系統(tǒng)系統(tǒng)響應(yīng)時間以及網(wǎng)絡(luò)吞吐率達(dá)到最大值，并在一定范圍內(nèi)來回波動。之后隨著節(jié)點減少，系統(tǒng)響應(yīng)時間以及網(wǎng)絡(luò)吞吐率也響應(yīng)緩慢減少。整個過程平均系統(tǒng)系統(tǒng)響應(yīng)時間3.7 s，平均網(wǎng)絡(luò)吞吐率1.5 MByte。10個節(jié)點并發(fā)期間，平均系統(tǒng)系統(tǒng)響應(yīng)時間4.5 s，最大值6.1 s，沒有出現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)過慢或無法響應(yīng)的情況，系統(tǒng)穩(wěn)定性與處理能力較強；平均網(wǎng)絡(luò)吞吐率1.8 MByte，最大值2.3 MByte，滿足54 M帶寬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求。系統(tǒng)CPU使用率在整個過程比較均衡，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

針對目前艦艇通用數(shù)據(jù)采集需要，設(shè)計了一種基于DSP的協(xié)議轉(zhuǎn)換器。通過在實驗室環(huán)境下組建數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，證明該協(xié)議轉(zhuǎn)換器能滿足現(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)可實現(xiàn)艦艇通用的數(shù)據(jù)采集。

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