一種車載公用系統(tǒng)管控設備的設計

潘庭發(fā) 趙柏程

摘 要：本文設計的集中管控設備結構形式為標準機柜上架式，高度為1U，后面板出線，設備所有器件滿足100%國產化要求;系統(tǒng)平臺采用國產銀河麒麟操作系統(tǒng)，集中管控軟件為B/S架構，滿足國產化、跨平臺的需求和發(fā)展趨勢。集中管控軟件以嵌入式Web服務器軟件形式裝載在集中管控設備的主電路板上，所有管控操作均可在操作終端或任務系統(tǒng)的計算機上通過網絡瀏覽器進行訪問完成操作。

關鍵詞：公用系統(tǒng)、國產化、跨平臺、集中管控

1.引言

隨著電子信息技術的快速發(fā)展和部隊等用戶對裝備智能化需求的提高，通信指揮車的應用越來越廣泛，功能越來越復雜，傳統(tǒng)通信指揮車各設備獨立連接集成、分散使用操作，存在操作繁雜、效率低下、可維護維修性差、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，受國際芯片等行業(yè)發(fā)展趨勢、國家安全保密要求等大形勢影響，裝備完全國產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，為部隊等用戶設計基于智能控制技術的完全國產化的車載公用系統(tǒng)集中管控設備，減少車輛平臺公用系統(tǒng)開通、撤收的時間，提升系統(tǒng)智能化、自動化操作程度，以滿足部隊等用戶快速工作部署及作戰(zhàn)訓練需求。

2.設計目標

集中管控設備采用19英寸標準機架式結構，后面板出線形式，整機功耗小于10W，整體重量小于6kg，環(huán)境適應性、電磁兼容性、可靠性指標滿足相關國軍標要求，電子元器件完全國產化，支持國產操作系統(tǒng)、滿足跨平臺操作要求，主要器件性能具備領域內主流處理能力，外部接口以CAN和以太網為主，預留RS232、RS485接口，具備通信指示、維護接口功能。

3.應用框圖

集中管控設備典型應用如下：

4.硬件設計

硬件主要由箱體、連接器、通信主板等組成。

4.1.箱體設計

箱體形式為19英寸標準上架式結構，高度1U，屏蔽性能滿足國軍標GJB151B-2013《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》中相關試驗項目的要求，環(huán)境適應性滿足GJB150中高低溫、振動、沖擊、濕熱等相關要求。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標準中F系列要求研制，主要用于電子設備中低頻信號傳輸，具有快速插拔、體積小、抗沖擊、防震動、高屏蔽性能、耐惡劣環(huán)境、密封性好、使用壽命長、操作方便等特點。產品廣泛應用于軍、民領域的機械裝備、電臺設備、檢測設備、醫(yī)療器械、工業(yè)設備、試驗室設備、船舶重工、伺服電機、數據傳輸和通訊系統(tǒng)、音視頻傳輸、電源與信號、通信、電力、高鐵、汽車燈場合的交、直流電路的電氣連接。

4.3.通信主板設計

通信主板的實現形式采用核心板+底板的方式實現，核心板選擇成熟模塊，底板根據集中管控設備的接口需求自行研發(fā)。目前，國內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，經過選型比對，選擇龍芯2K1000作為核心板。

4.3.1.龍芯2K1000

龍芯2K1000核心板的性能參數如下：

4.3.2.底板設計

根據集中管控設備的接口需求和性能要求，底板的對外接口包括以太網口、CAN口、RS485/RS232口，對外接口充分考慮電磁兼容性、可靠性等設計。主要接口電路設計如下：

（1）以太網接口電路

本設計選用蘇州裕太車通的千兆工業(yè)級PHY芯片YT8511H，該公司是一家具有完全自主知識產權的以太網PHY芯片供應商，主要服務有通信領域包括數通、安防、車載、工業(yè)和特種行業(yè)，是國內唯一一家以太網PHY芯片公司，主要產品以太網PHY芯片應用于汽車、消費、工業(yè)等行業(yè)。YT8511H是三速10/100/1000BASE-T千兆以太網物理層收發(fā)器，其設計完全符合RGMII接口規(guī)范，從而與標準的以太網訪問控制器（MAC）和交換控制器兼容。以太網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標準，具有未上電節(jié)點不影響總線、單網絡最多可連接110個節(jié)點、外殼及灌封材料符合UL94 V-0標準、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，性能滿足工業(yè)級產品要求。

（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標準，通信穩(wěn)定、波形無異常點，外部電路拓撲簡單，通常是國產要求高的情況下的首選芯片。

5.軟件設計

5.1.系統(tǒng)軟件選擇

5.1.1.麒麟操作系統(tǒng)

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

（1）高安全

首家通過公安部計算機信息系統(tǒng)安全產品質量監(jiān)督檢查中心第四級結構化保護級檢測和中國人民解放軍信息安全測評中心軍用B+級安全認證，是目前國內安全等級最高的操作系統(tǒng)。

符合《GB/T 20272-2006 信息安全技術 操作系統(tǒng)安全技術要求》第四級結構化保護級的要求，是目前我國通過認證的安全等級最高的操作系統(tǒng)。已廣泛應用于軍工、政府、金融、電力、教育、大型企業(yè)等眾多領域，為我國的信息化建設保駕護航。

（2）跨平臺

符合POSIX系列標準，并兼容Linux目標代碼，Linux平臺上的大型應用如圖形環(huán)境、Oracle數據庫服務等都可以直接運行在麒麟安全操作系統(tǒng)平臺上，有力拓展了應用面。

（3）中文化

嚴格遵從國家標準GB18030-2000《信息交換用漢字編碼字符集基本集的擴充》，達到 GB18030-2000 檢測規(guī)范的最高級別“A+”級產品標準，具有強大的中文處理能力。提供了符合國家相關標準的中文字體，支持符合GB18030標準的打印系統(tǒng)，具有直接使用中文TrueType字庫進行打印的功能。

5.1.2.Web服務器軟件

嵌入式Web服務器是嵌入式設備中實現的小型web服務器，對硬件要求較低，可以通過Internet網絡為用戶提供服務。是總控制系統(tǒng)的核心控制組件，是與外部網絡通信的橋梁。本系統(tǒng)的服務器擬采用Boa服務器。Boa服務器是一個體積小巧的 Web服務器，最終可執(zhí)行代碼在60KiB左右，Boa服務器支持CGI，能夠為CGI程序fork出一個進程來執(zhí)行。CGI是用戶界面動態(tài)加載設備狀態(tài)信息的關鍵。這些特點特別適合于系統(tǒng)資源比較少的嵌入式系統(tǒng)，并且它的響應速度比常規(guī)的服務器要快很多。

CGI（Common Gateway Interface）公共網關接口程序是運行在服務器上的外部程序與Web服務器之間的接口標準，是Web服務器與外部通信的關鍵。主要實現HTML文檔與服務器應用程序之間傳遞信息。當Web服務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服務器發(fā)出一個含有可執(zhí)行應用程序的HTTP請求，Web服務器接收到客戶端的請求后，運行指定的應用程序讀取與請求相關的信息，從而獲取請求中所含的數據;Web服務器將這些數據傳遞給指定的CGI程序，并運行該程序;CGI程序運行結束，生成HTML頁面，再由Web服務器將HTML頁面回送給客戶端;最后由客戶端瀏覽器解釋HTML頁面。

5.2.應用軟件設計

（1）軟件界面設計

界面設計以可視化界面為主，通過把復雜、抽象、專業(yè)的數據圖表的屬性和變量，進行直觀、動態(tài)或是通俗易懂的視覺化設計展示出來。目的是為用戶進行監(jiān)控預警、提示風險、下發(fā)指令時，做出相關決策提供依據。軟件界面的設計風格如下：

（2）CAN通信協(xié)議設計

統(tǒng)一各個設備的通信協(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試難度。

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

CAN數據幀包含一個單一的協(xié)議數據單元（PDU）。協(xié)議數據單元有五部分組成：分別是分包標識、目標地址、源地址、主題號和數據域，表1為協(xié)議幀格式定義。PDU被封裝在一個或多個CAN數據幀中，通過物理介質傳送到網絡設備。每個CAN數據幀只能有一個PDU。

注1：幀信息中：FF=0為標準幀，FF=1為擴展幀;RTR=0為數據幀，RTR=1為遠程幀;DLC為數據長度。

注2：DF是分包標識，字節(jié)2（高三位默認是0）為00-單包，多包時01H-首包，02H～1EH中間包，1FH-結束包;DA是目標地址;SA是源地址;PF是主題號，字節(jié)5為14H-控制，24H-反饋，34-查詢。目標地址（DA）和源地址（SA）各占8位，總共可以定義255個節(jié)點（設備）地址。

6.結束語

本文針對各種通信車輛車載公用系統(tǒng)的集中管控進行研究，設計一款公用系統(tǒng)集中管控設備，其在軟硬件的選型及設計方面，著重考慮電子元器件100%國產化、軟件跨平臺的應用需求，結合裝車布線的實際情況進行結構設計，滿足用戶對裝備智能化、信息化的需求。

參考文獻

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