基于并行多串口的潛艇數據采集系統設計

鄭 健，王黎明，張永峰

(中國人民解放軍91388部隊，湛江 524022)

1 引言

國外主流潛艇作戰系統皆采用分布式體系架構，實現了從傳感器探測至指揮決策到武器發控的功能流程，并向綜合化、智能化、開放式、軟件化、網絡化等方向發展［1］。我國潛艇作戰系統目前還處于集中式發展階段，盡管各分系統在地理和形式上是分散的，但是從目標探測、信息搜集、數據處理乃至指令發送等方面，其傳輸的網絡還是樹狀結構，沒有形成完整的封閉系統［2］。因此，數據采集不可能像分布式網絡一樣接入交換機即可，只能采取點對點的方式進行。盡管部分主戰潛艇更換了新型設備(如指控設備等)，但各系統間數據傳輸接口受限于設計布局而無法更改，部分仍然采用串口作為主要的傳輸接口。對潛艇作戰系統各個通道進行數據采集，主要包括聲納、導航、以及指控系統與各分系統的交互信息，不可避免造成數據采集點較多的問題，傳統的方法是對每個數據通道配備一臺數據采集計算機。這里設計了一種基于并行多串口的數據采集系統，可在一臺數據采集機上同時采集潛艇作戰系統多個通道的信息，解決了由于潛艇空間狹小而造成數據采集設備的安放問題，同時可節約設備購置成本。

2 系統組成

系統硬件設計采用成熟的MOXA公司的UPort1400系列協議轉換器(以下簡稱MOXA協議轉換器)，它以異步串行通信方式工作，可以同時將4路RS232/RS422/RS485串口信息轉換為USB接口信息。各數據采集點的三通線纜制作根據航空插座相關芯線定義進行，接入MOXA協議轉換器端的接口采用9針串口，嚴格按照協議轉換器芯線定義進行焊接制作。

針對潛艇數據采集的實際情況，采集點主要分布在指揮艙以及武器發控艙，2個艙室分別配置1臺加固筆記本作為數據采集機，前端配備多個MOXA協議轉換器連接各采集點，協議轉換器與數據采集機用USB線纜連接。具體系統組成見圖3系統測試部署圖中的系統主體部分。

3 系統設計

在32位Windows系統中，多任務是指系統可以同時運行多個進程，每個進程也可以同時執行多個線程，系統不停的在多個線程之間切換。由于時間很短，看上去多個線程在同時運行。每個進程都有一個主線程，線程是并行執行的，可以把線程看作是操作系統分配CPU時間的基本實體，系統不停的在各個線程之間切換。系統為每一個線程分配一個CPU時間段，某個線程只有在分配的CPU時間段內才擁有對CPU的控制權［3］。

多線程技術能很好地解決各種邏輯并發性和物理并行性，改善系統的各項性能，如吞吐量、計算速度、響應時間等，提高系統的執行效率和資源利用率，同時也大大提升了程序的可讀性和穩定性［4］。

本系統在WindowsXP操作系統下，利用多線程技術在Visual Studio2010平臺上進行軟件開發。軟件流程圖如圖1所示。

圖1 數據采集軟件流程圖

軟件運行后需要對連接各采集點的協議轉換器串口進行參數設置，包括波特率、奇偶校驗位以及停止位等。設置完成后打開相應串口，利用多線程技術實時監聽串口，分別對接收到的有效數據進行分離與解析，疊加時標后存盤，并在程序監控界面實時顯示解析的數據。

程序根據需要監控的串口通道數建立多個線程，每個線程中包含一個串口對象用于通道數據讀取，一個數據解析函數用于源碼解析與存盤。主要數據結構如下:

(1)每個串口對象各擁有一個緩沖區gPort-Buffer，用于保存從串口獲得的數據。CMainFrame::Analyze(int port)從中取出若干字節數據解析，解析后將用于解析的數據從緩沖區中刪除。

(2)其他全局數據

Contents:每種數據的最新源碼及解析結果;

int g_nTypeSelected=0;選擇的數據類型。

串口類主動監視串口，當檢測到有數據到達時，將數據保存，并發送WM_COMM_Display消息通知CMainFrame處理(相應的函數為 BOOL CMain-Frame::Analyze(int port))。數據解析函數CMain-Frame::Analyze(int port)的功能流程見圖2所示。

圖2 數據解析功能流程

4 系統性能測試

考慮到實際應用場景中數據采集點較多的情況，需要用到多個MOXA協議轉換器。根據實際需求以及可擴展性分析，潛艇各艙室最多同時需采集16個串口通道，因此MOXA協議轉換器需4臺。在實驗室環境下系統測試部署圖如圖3所示。

圖3 系統測試部署圖

另外，在測試過程中查看CPU使用率以及數據傳輸吞吐量。系統CPU使用率在整個過程中比較均衡，平均 CPU使用率為67%，數據吞吐量為8.6Mb/S。在系統采集過程中CPU時間主要用于源碼數據解析以及I/O存儲，串口的數據吞吐率較低，一般上限為1Mb/S，即使多個串口并發傳輸也遠遠達不到USB接口數據傳輸率的上限(480Mb/S)，因此，系統仍有較大的可擴展性。

5 結 束 語

虛線框內為數據采集系統的主體部分，串口數據采集機采用松下CF30加固筆記本(2.4G雙核CPU，4G內存)，屬于目前較主流的配置，可以應付日常普通的數據計算及處理。虛線框外為數據發送端，利用實驗室現有的PC機，分別與MOXA協議轉換器連接，MOXA協議轉換器有串口—USB雙向轉換功能，這里是將USB信息轉換為標準RS422串口信息。分別在每臺PC機上運行4個串口調試助手進程，分別設置好串口參數后，同時發送在潛艇上實際采集的不同類型的數據源碼(共16種)。串口數據采集機運行數據采集軟件，實時監控數據解析情況，結束后查看解析存儲后的數據文件。數據采集過程中程序互操作響應與監控顯示正常，沒有發現系統響應較慢或無法響應的情況，系統穩定性與處理能力較強，解析后的數據能正常存儲。

以上介紹了一種基于并行多串口的潛艇數據采集系統，該系統較好的利用了成熟的MOXA多串口—USB協議轉換器，用于實現多串口并行數據采集。重點闡述了該系統軟件流程以及主要的數據結構。通過在實驗室環境下的系統性能測試，證明該系統穩定、處理能力強、系統總體開銷小，滿足目前部分主戰潛艇作戰系統數據采集的需要，并有較強的系統可擴展性。

［1］蔡勇，呂云飛，黃牛.潛艇新型作戰系統發展構想［J］.船電技術，2011，31(2):1 －6.

［2］郭傳福，夏惠誠.分布式作戰系統集成方案構想［J］.艦船電子工程，2001(1):16－19.

［3］胡乃平，趙振.基于 VC6.0串口通信動態鏈接庫(DLL)的設計與應用［J］.微計算機信息，2007，23(3－3):214－216.

［4］賈廣雷，劉培玉，耿長欣.多線程技術及其在串口通信中的應用［J］.計算機工程，2003，29(1):247－249.