|
基于嵌入式技術的遠程監控系統最初作為上業控制網絡的重要發展方向，是上業數據通訊與控制網絡技術、勺_聯網技術等多種技術共同發展的結果當前，隨著我軍信息化程度的逐步提高，尤其是軍隊內部網絡的搭建，使遠程戰場監控成為可能在當今戰場環境瞬息萬變的情況下，要實現戰場信息更新的實時性和準確性，就需要一套能夠對戰場環境實施遠程監控的系統此外，在我國許多偏遠的邊防哨所，由于地理環境惡劣，邊境巡邏經常會遇到泥石流、雪崩瀑風雪等自然災害，不僅官’兵們體力消耗大，安全隱患多，而且難以保證巡邏質量遠程戰場監控系統的實現能夠在重要路口實現無人值守自動監控，能竹約大量的人力、物力和財力，具有重大的現實意義。 1 嵌入式技術 嵌入式技術的發展，大致經歷了4個階段:無操作系統階段(如單片機)、簡單操作系統階段(如PowerPC)、實時操作系統階段(如DSP)和而向Internet階段整個嵌入式體系結構如圖1 時趨于小型化外圍設備是嵌入式系統中用于完成存儲、通信、調試、顯示等輔助功能的其他部件日前常用的嵌入式外圍設備按功能可以分為存儲設備(如R、M，SR、M，Flash等)、通信設備( RS- 232接口、SPI接口、以太網接口等)和顯示設備(如顯示屏等)3類 嵌入式操作系統是從嵌入式系統發展到第3階段才開始引入的嵌入式操作系統不僅具有通用操作系統的一般功能，如向上提供對用戶的接口(如圖形界而、庫函數API等)，向下提供與硬件設備交勺_的接口(硬件驅動程序等)，管理復雜的系統資源它還在系統實時性、硬件依賴性、軟件固化性和應用專用性等方而具有更加鮮明的特點。 應用軟件是針對特定應用領域，基于某一固定的硬件平臺，用來達到用戶預期日標的計算機軟件由于嵌入式系統自身的特點，決定了嵌入式應用軟件不僅要求滿足準確性、安全性和穩定性等方而的需要，而且還要盡可能地進行代碼優化，以減少對系統資源的消耗，降低硬件成本 嵌入式系統具有系統內核小、專用性強、系統比較精簡，但嵌入式系統要求操作系統軟件的實時性較強，嵌入式軟件的開發要求向標準化發展，嵌入式系統的開發需要專門的開發環境和開發工具。 2 監控系統硬件結構設計 在硬件設計上，整個監控系統的核心是嵌入式控制器嵌入式控制器是以高速處理器為核心，由高速處理器和其他芯片協同上作來控制的電子設備或裝置，能夠完成監視、控制等各種自動化處理任務嵌入式控制器的系統硬件結構如圖2所示 電源電壓為SV，輸出電壓分別為3. 3 V和1.8V，每路電源的最大輸出電流為750 xnA 2. 2接口電路設計 1)模擬量輸入接口模擬量輸入通適采用了TI公司生產的TLV2544芯片，當與DSP芯片連接時，可用一個幀同步信號FS來控制一個串行數據幀的開始采用TMS320VC5402提供高速、雙向、多通適帶緩沖串行端口MCBSP，可用來與串行A/ D轉換器直接連接 2)以太網擴展接口實現嵌入式戰場的遠程監控系統，首要的問題就是要讓遠程監控設備具有以太網接口臺灣Realtek公司生產的RTL8019AS以太網接口芯片可以讓嵌入式控制器具有通用計算機的網絡接口 3) RS- 232串行接口設計RS- 232- C并未定義連接器的物理特性，因此存在DB- 25, DB- 15和DB- 9等多種類型的連接器DSP為了同現場監控設備的串口相連，我們用MAXIM公司的MAX3111來完成EL1到TTL電路之間的電平和邏輯關系的轉換 4) RS- 485串行通信接口RS- 485是為了適應遠距離、分布式控制系統的需要而制定的一種串行通信總線標準它支持多竹點、遠距離傳輸RS- 485標準采用平衡式發送，差分式接收的數據收發器來驅動總線為了擴展終端連接設備的數量，本設計增加了邵一485接口DSP與RS- 485串口的連接使用MAXIM公司的MAX3140UART通信芯片來完成 2. 3程序存儲器的擴展 Flash存儲器與EPROM相比，具有更高的性能價格比，而且體積小，功耗低，可電擦寫，使用方便，并且3. 3 V的Flash可以直接與DSP芯片連接因此，采用Flash作為程序存儲器存儲程序和一些固定數據是一種比較好的選擇本系統的程序存儲器選用了1片AT29LV020 Flash存儲器此芯片有256KX8的存儲空間，最快讀取速度為100 ns所以在讀取程序時，要使卞頻低于10 MHz 3 系統軟件設計 根據系統控制要求，將系統軟件的模塊劃分為6個模塊:卞控模塊、初始化模塊、協議封裝模塊、協議拆包重組模塊、網絡接口模塊和應用層應用模塊圖4是各模塊之間的邏輯關系 3.1卞控模塊設計 卞控模塊中通常包含一些變量的定義和函數的調用另外一些重要的I/ 0端口定義也放在卞控函數中在卞控模塊中定義了延時信號函數、端口設置函數、同步串口設置函數、中斷服務函數等系統上作時程序從卞控模塊的main()函數開始運行，首先是調用DSP及RTL8019AS的初始化程序，完成初始化之后，卞程序以一個無條件循環進入上作狀態 3. 2初始化模塊設計 系統軟件在運行的時候首先要調用初始化程序，對系統的各資源進行初始化，然后才能正常上作初始化模塊包括了4個初始化函數，分別是net_ init( ) , dsp5402_ init( ) ,interrupt_ init()，nic_ atl_ init() 3. 3協議封裝模塊設計 協議封裝部分的作用是將數據進行分組，并以不同的協議打包封裝使其成為符合TCP/ IP協議規范的分組數據在設計中，對于不同協議的封裝，分別由不同的函數實現在本系統中，監控終端系統需要對位于網絡層的IP協議、位于傳輸層的TCP協議進行封裝封裝順序是先傳輸層協議TCP封裝，后網絡層協議IP封裝之后傳入網絡接口模塊發送出去 3. 4協議拆包重組模塊設計 本模塊的上作過程是這樣的，數據從以太網上被接收下來之后，首先會放在網卡芯片的內存當中，由DSP即網絡接口模塊將其讀入后進行協議分解，根據協議的內容進行相應處理，如果是UDP封裝的數據則將其放入系統的接收緩沖區由DSP根據協議中序列號字段的值對數據包重新分組排隊，然后將數據拆包、合并，形成連續的數據流，傳送到應用層作進一步處理 4 嵌入式TCP/ IP協議棧設計 嵌入式設備實現網絡勺_聯，一般都需要在嵌入式設備上實現以太網通信的有關協議，其中一個重要問題就是如何實現嵌入式TCP/ IP協議棧日前使用)‘一泛的TCP/ IP協議棧有LWIP .uIP Z,inux IP等，這些協議棧具有一定的通用}h}，包含的協議內容比較全，也比較復雜為了滿足軍用嵌入式系統接入網絡的要求，需要進行嵌入式TCP/ IP協議的精簡工作。 軍用嵌入式系統接入網絡要求數據傳輸能夠保持安全穩定，這里卞要考慮數據傳輸的情況為確保正常的數據傳輸，嵌入式TCP/ IP協議族應至少包括IP .ICMP .ARP .TCP .UDP等基本協議，協議棧的結構如圖5所示 通過研究和具體編程，在Keil C laVision2開發環境下實現了一個簡單的嵌入式TCP/ IP協議棧，各協議的基本實現過程如下 4. 1 IP協議的實現 IP協議是TCP/ IP協議族中最為核心的協議IP報頭的標準長度為20字竹，標準以太網幀數據域為1 500字節，除去IP頭之外還有1 480字竹可以為上層協議提供有效就數據載荷IP協議將上一層傳下來的報文加上IP首部和II校驗合并發往下一層，并且對下一層傳上來的報文進行校驗和檢查，將校驗正確的去掉IP首部，送往上一層一般可以不考慮數據報分段的問題，即不允許數據報超出IP包就有效載荷，這樣簡化可以省去軟件處理IP數據分段和重組的開銷，可以提高系統數據傳輸的實時性[a{為了便于ihi試，需要實現PING程序，在收到I(1VIP的回顯請求包后拉照格式組裝一個ICMP的回顯應答包并發送相關的、函數有: 4. 3 UDP協議的實現 UDP的數據傳輸是無連接的、不可靠的，具有對網絡資源開銷較小、數據處理速度快的優點U DP協議屬于簡單端到端的數據傳輸協議，報頭只有8字y具體實現時要對應用層傳下來的數據包加上U DP首部和UDP校驗發往下一層，對下一層傳上來的數據包進行校驗和檢查，如果正確則去掉U DP首部，提出數據送給應用層需注意的是要產生一個偽首部用于U DP數據檢驗和計算涉及的卞要函數有: 5 結束語 闡明了嵌入式控制器的硬件和軟件的設計和實現過程，包括微處理器系統硬件設計和實現、監控設備的接口模塊實現TCP/ IP協議棧的精簡和實現等嵌入式遠程戰場監控系統的成功實現將有很大實際應用價值它不僅可以用于戰場環境的遠程監控，而且可應用于邊防哨所等無人值守的地方，可以有效降低對人力物力的需求，增強對人員安全的保障。 |
