嵌入式系統(tǒng)在衛(wèi)星通信設(shè)備中的運(yùn)用分析

王洪良，申 響

（1.96946 部隊(duì)，北京 100085；2.河北神舟衛(wèi)星通信股份有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為一種可靠的、非視距的、不受地理限制的遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)，具有其他通信方式無(wú)法比擬的優(yōu)越性。衛(wèi)星通信以衛(wèi)星系統(tǒng)作為中繼，在地球站和衛(wèi)星之間建立通信鏈路，實(shí)現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)、圖像等信息的傳輸。衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要包括通信衛(wèi)星系統(tǒng)和地面終端系統(tǒng)2 個(gè)部分。隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加速，信息技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)日益融合，使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)模式發(fā)生了深刻的變化，也對(duì)通信產(chǎn)業(yè)提出了新的要求。隨著人們對(duì)信息技術(shù)的要求越來(lái)越高，而計(jì)算機(jī)軟硬件發(fā)展速度又很快，系統(tǒng)硬件和軟件之間的接口越來(lái)越復(fù)雜。為了適應(yīng)這種變化，一些新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其中就包括嵌入式系統(tǒng)。其能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)軟硬件之間良好的接口與協(xié)同工作，具有體積小、成本低、可靠性高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等領(lǐng)域。

1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是指專門設(shè)計(jì)用于嵌入硬件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如微處理器、存儲(chǔ)器、傳感器、鍵盤以及鼠標(biāo)等，其主要特點(diǎn)是功能單一、使用范圍有限。

1.1 嵌入式處理器

嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)軟件和硬件集成的重要部件。嵌入式處理器包括微處理器和微控制器2 類。微控制器具有很強(qiáng)的應(yīng)用能力，可以對(duì)微處理器進(jìn)行管理。微控制器通常包括系統(tǒng)總線、地址總線、控制總線、存儲(chǔ)器總線以及中斷服務(wù)程序等模塊，這些模塊通過(guò)通信接口與其他模塊連接。微處理器的作用主要是對(duì)微控制器進(jìn)行控制，使其能夠協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的運(yùn)行，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)各種應(yīng)用功能。內(nèi)嵌式系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 內(nèi)嵌式系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，需要選擇合適的微處理器，如嵌入式ARM 處理器，其具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。微處理器通常采用16 位或32 位的指令集結(jié)構(gòu)，指令周期為2 ～8 μs，工作頻率為30 ～400 MHz，具有較高的主頻和較快的工作速度。微控制器以單片機(jī)為核心，具有較強(qiáng)的開(kāi)發(fā)能力和通用性。

微控制器一般分為3 種類型：一是通用型微控制器，這種微控制器在硬件資源方面比較豐富；二是專用型微控制器，這種微控制器主要面向某一類特定的應(yīng)用場(chǎng)合；三是專用型微型計(jì)算機(jī)。專用型微型計(jì)算機(jī)具有成本低、性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。專用型微型計(jì)算機(jī)可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)硬件模塊和軟件模塊，使其能夠適應(yīng)不同的系統(tǒng)要求[1]。為了提高嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性，需要對(duì)微處理器進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

1.2 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)是指專門用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，一般分為實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)和非實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)2 種。實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性高、響應(yīng)速度快，但在成本和性能方面不占優(yōu)勢(shì)；非實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性低、響應(yīng)速度慢，但成本相對(duì)較低、性能較高。衛(wèi)星通信設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合不同，所使用的操作系統(tǒng)也不同。

在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮衛(wèi)星通信設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和要求，對(duì)所使用的操作系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理。例如：在衛(wèi)星通信設(shè)備中采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，需要對(duì)軟件進(jìn)行裁剪處理，將不需要的軟件進(jìn)行刪除或壓縮；在對(duì)硬件進(jìn)行優(yōu)化處理時(shí)，需要充分利用系統(tǒng)資源和芯片資源；在對(duì)軟件進(jìn)行裁剪處理時(shí)，需要根據(jù)系統(tǒng)性能和功能要求確定裁剪參數(shù)，使嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行更穩(wěn)定、更高效[2]。

2 嵌入式系統(tǒng)的基本組成

為了實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能，在衛(wèi)星通信設(shè)備中，采用精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）處理器處理任務(wù)，這樣可以最大限度降低系統(tǒng)資源的開(kāi)銷。采用多任務(wù)操作系統(tǒng)管理用戶應(yīng)用程序的啟動(dòng)過(guò)程，有效控制資源分配，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高開(kāi)發(fā)效率。在任務(wù)中引入中斷機(jī)制和定時(shí)器機(jī)制，可以在一定程度上提高系統(tǒng)資源的利用率，實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)之間共享硬件資源等。由于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)，而且不能充分利用各種硬件資源，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入了軟件調(diào)試工具，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、分析和優(yōu)化。

為了提高嵌入式系統(tǒng)的可靠性，可以采用2 個(gè)以上的電源，同時(shí)對(duì)電源進(jìn)行保護(hù)。對(duì)于衛(wèi)星通信設(shè)備而言，為了保證信號(hào)的傳輸質(zhì)量，一般采用時(shí)分多路復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)星上處理單元和用戶終端的數(shù)據(jù)傳輸。衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用下行鏈路傳輸話音數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，上行鏈路傳輸圖像數(shù)據(jù)和話音數(shù)據(jù)，因此上行鏈路需要有一個(gè)專門用于上行鏈路的功能模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能[3]。

3 衛(wèi)星通信設(shè)備應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的可行性分析

在設(shè)計(jì)通信接口時(shí)，需要充分考慮設(shè)備的通用性和擴(kuò)展性，選用通用接口電路，既能滿足不同設(shè)備間的通信需求，又能實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備間的通信。由于設(shè)備本身采用低功耗技術(shù)，并且沒(méi)有使用專用芯片，在選擇接口電路時(shí)可以采用通用的標(biāo)準(zhǔn)接口。例如，將4 線串行通信接口作為標(biāo)準(zhǔn)通信接口，4 個(gè)控制信號(hào)線由信號(hào)調(diào)理電路完成。該設(shè)計(jì)方案能夠使系統(tǒng)具備很強(qiáng)的兼容性和可擴(kuò)展性。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸和交換，系統(tǒng)選用RS-485 作為通信標(biāo)準(zhǔn)。由于采用了RS-485 標(biāo)準(zhǔn)接口，與其他標(biāo)準(zhǔn)相比具有更快的數(shù)據(jù)傳輸速度、更低的延時(shí)以及更好的抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了串行通信方式，將所有信號(hào)線集成在一個(gè)8 位的RS-485 芯片中。RS-485 芯片使用時(shí)需外接2 根信號(hào)線，需要將其封裝在一個(gè)電路板中，從而使其體積更加小巧。另外，由于該芯片采用了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口和8 位數(shù)據(jù)傳輸方式，系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行定制。嵌入式衛(wèi)星通信設(shè)備控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示。

圖2 嵌入式衛(wèi)星通信設(shè)備控制系統(tǒng)構(gòu)成

任務(wù)調(diào)度器是一種操作系統(tǒng)，主要用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)之間的協(xié)調(diào)和調(diào)度。通常情況下，任務(wù)調(diào)度器還分為輪詢調(diào)度器和固定優(yōu)先級(jí)調(diào)度器。輪詢調(diào)度器是一種最基本的任務(wù)調(diào)度器，在工業(yè)控制系統(tǒng)中被廣統(tǒng)泛使用。固定優(yōu)先級(jí)調(diào)度器是一種復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度器，主要應(yīng)用于操作系統(tǒng)，在嵌入式系統(tǒng)也可以使用。

4 嵌入式系統(tǒng)在數(shù)字衛(wèi)星通信設(shè)備中的優(yōu)勢(shì)

數(shù)字衛(wèi)星通信設(shè)備是一種應(yīng)用軟件和硬件相結(jié)合的設(shè)備，其控制系統(tǒng)以嵌入式系統(tǒng)為核心。在數(shù)字衛(wèi)星通信設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）嵌入式系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)有利于提高數(shù)據(jù)處理能力。傳統(tǒng)的數(shù)字衛(wèi)星通信設(shè)備雖然具有較高的靈活性，但處理能力有限，需要對(duì)多個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工。嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用模塊化結(jié)構(gòu)，能夠很好地解決數(shù)據(jù)處理問(wèn)題。

（2）嵌入式系統(tǒng)在衛(wèi)星通信設(shè)備中的應(yīng)用可以減少系統(tǒng)的成本。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用可以幫助實(shí)現(xiàn)高速、精準(zhǔn)的衛(wèi)星通信，也可以實(shí)現(xiàn)在衛(wèi)星上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)連接和管理。嵌入式系統(tǒng)在衛(wèi)星通信設(shè)備中的應(yīng)用可以幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)高效的衛(wèi)星通信，提高企業(yè)的效率和競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）嵌入式系統(tǒng)能夠滿足數(shù)字衛(wèi)星通信設(shè)備對(duì)信息處理速度、響應(yīng)速度等方面的需求[4]。目前，數(shù)字衛(wèi)星通信設(shè)備對(duì)信息處理速度和響應(yīng)時(shí)間要求很高，而嵌入式系統(tǒng)具有很強(qiáng)的運(yùn)算能力和控制能力，能夠滿足數(shù)字衛(wèi)星通信的需求[5]。

5 嵌入式系統(tǒng)在衛(wèi)星通信中發(fā)展

隨著嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。尤其是在工業(yè)控制領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有許多傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、智能化程度高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、系統(tǒng)集成度高以及功耗低等。嵌入式系統(tǒng)以其良好的實(shí)時(shí)性和可靠性，正逐步取代傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)將更加廣泛地應(yīng)用于各種行業(yè)，成為其重要的組成部分。

芯片是嵌入式系統(tǒng)最基本的組成部分，目前我國(guó)自主研發(fā)的芯片還很少。為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)自主研發(fā)的嵌入式系統(tǒng)與國(guó)際接軌，需要從芯片入手。在軟件方面，國(guó)內(nèi)嵌入式軟件發(fā)展與國(guó)際相比差距較大。在硬件方面，我國(guó)許多硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)不夠完善，如國(guó)產(chǎn)處理器、可編程邏輯器件等都存在很大差距。因此，應(yīng)該充分利用我國(guó)已有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，積極研發(fā)國(guó)產(chǎn)嵌入式系統(tǒng)軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)工具。除此之外，目前市場(chǎng)上各種嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)工具很多，但開(kāi)發(fā)人員卻不多。要想使我國(guó)自主研發(fā)的嵌入式系統(tǒng)軟件在市場(chǎng)上占有一席之地，就必須要培養(yǎng)大量?jī)?yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員。

6 結(jié) 論

嵌入式系統(tǒng)在衛(wèi)星通信設(shè)備中的應(yīng)用，使得衛(wèi)星通信設(shè)備具有較強(qiáng)的靈活性和可靠性，為數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展提供了有利條件。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)對(duì)衛(wèi)星通信設(shè)備的要求將越來(lái)越高，因此必須不斷提高嵌入式系統(tǒng)的性能。在衛(wèi)星通信設(shè)備中應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)，可以將計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而更好地滿足用戶需求。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式系統(tǒng)在衛(wèi)星通信設(shè)備中應(yīng)用的有效控制，還需要對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行不斷優(yōu)化和完善。要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要充分發(fā)揮軟件開(kāi)發(fā)人員的作用，提高其自主創(chuàng)新能力，從而為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)和完善的服務(wù)。