王黎明，鄭 健，張福生

（中國人民解放軍91388部隊 廣東 湛江 524022）

隨著信息技術與總線技術的不斷發(fā)展，國家日前的大型武器平臺也向自動化、信息化發(fā)展，復雜性越來越高。這類武器系統(tǒng)通常由多個分系統(tǒng)、子設備組成，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，經歷了新舊總線技術，現(xiàn)今已發(fā)展到分布式的體系結構[2]?，F(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接口等。串口的傳輸率較低，不適合大數(shù)據量的傳輸，同時會造成數(shù)據采集點分散的弊端；1553B總線對信號傳輸電纜和連接器均具有嚴格的要求[3]，成本較高；艦艇分布式網絡采用成熟的工業(yè)以太網標準，裝備配有以太網接口接入交換機，實現(xiàn)整個作戰(zhàn)系統(tǒng)網絡數(shù)據共享，并配備專門的數(shù)據采集與存儲服務器[4]。由于傳輸率、協(xié)議通用性以及技術發(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代替。為了適應現(xiàn)有艦艇數(shù)據采集需要，并考慮未來分布式網絡建設要求，這里設計了一種基于DSP的協(xié)議轉換器，用以解決現(xiàn)階段艦艇多接口數(shù)據采集通用化的要求。

1 協(xié)議轉換器設計

1.1 硬件設計

協(xié)議轉換器硬件設計結構圖如圖1所示。

圖1 硬件設計結構圖Fig.1 Schematic diagram of the hardware design

協(xié)議轉換器的CPU選用三星公司ARM11內核的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。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)據必須進行接口轉換，串口轉換適配器結構與原理十分簡單，這里選用勝為DCP-3202 RS485/RS422轉RS232雙向通信協(xié)議轉換器。

以太網通信模塊芯片采用Realtek公司生產的RTL8019AS以太網卡控制器，符合IEEE 802.3標準。RTL8019AS芯片內置16KB SRAM，用于收發(fā)緩沖，支持8/16位數(shù)據總線、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接口模塊進行通信，將接收的數(shù)據用TCP/IP協(xié)議進行封裝后，通過以太網通信模塊傳輸至以太網。

目前無線中繼器與路由器產品豐富、價格低、體積小，因此沒有必要在協(xié)議轉換器中嵌入無線傳輸模塊。這里選用符合IEEE802.11g標準的TPLINK54M域展無線路由器，在網絡傳輸性能上能符合高速以太網標準[5]。協(xié)議轉換器與無線路由器通過以太網雙絞線互聯(lián)，數(shù)據通過無線傳輸協(xié)議加密、封裝，能安全可靠地傳輸至目的服務器。

1.2 軟件設計

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

圖2 軟件設計流程圖Fig.2 Flow chart of the software design

軟件首先進行硬件設備初始化，之后建立兩個線程，分別是1553B—以太網協(xié)議轉換線程以及串口—以太網協(xié)議轉換線程。具體如下：

1）狀態(tài)初始化。1553B模塊作為外部設備必須進行初始化，1553B模塊初始化是對BU—61580芯片內部各寄存器進行配置，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)）進行初始化。串口初始化主要是工作方式以及波特率的設置。

2）1553B—以太網協(xié)議轉換。首先建立Socket套接字，指定數(shù)據傳輸?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)據并存入系統(tǒng)緩存；讀取系統(tǒng)緩存的1553B數(shù)據幀進行解析并存入緩存；由于S3C6410處理器支持以太網TCP/IP協(xié)議和MAC協(xié)議，因此將解析的緩存數(shù)據進行相應的封包工作即可傳送至RTL8019AS以太網卡控制器；RTL8019AS芯片用于完成數(shù)據包物理層封裝并將其轉發(fā)至以太網。

3）串口—以太網協(xié)議轉換。與1553B—以太網協(xié)議轉換類似，主要也分套接字的建立、數(shù)據的讀取與解析、以太網協(xié)議封裝以及數(shù)據包轉發(fā)。

2 系統(tǒng)性能測試

2.1 數(shù)據采集測試服務端設計

數(shù)據采集測試服務端硬件采用帶有無線網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)據采集測試軟件流程圖Fig.3 Flow chart of the data acquisition test software

數(shù)據采集測試系統(tǒng)網絡設置包括服務端、無線路由器以及協(xié)議轉換器（客戶端）IP地址設置，無線路由器的安全加密算法選擇（如WPA2—PSK加密算法）以及加密口令設置，服務端無線網卡解密算法選擇以及解密口令設置。一般設好后不用再重復設置。網絡連通性檢查利用ICMP協(xié)議進行，檢查網絡是否連通。

采集后的數(shù)據存儲在數(shù)據庫中以便于管理、查詢等，這里選用成熟的SQL Server2005數(shù)據庫管理系統(tǒng)。軟件利用ADO.NET技術操作數(shù)據庫，包括數(shù)據庫的建立、打開、數(shù)據寫入、數(shù)據修改以及數(shù)據庫關閉等。

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)據包則接收并存入緩存。無線路由器轉發(fā)的數(shù)據是由無線傳輸協(xié)議加密封裝的，解密以及協(xié)議解析由本機無線網卡自動完成。

數(shù)據分類按數(shù)據來源進行，根據數(shù)據源IP地址的不同進行分類，同一源IP地址的數(shù)據存入相同的數(shù)據記錄表。

2.2 性能測試

考慮到實際應用場景中數(shù)據采集點分散的情況，需要用到多個協(xié)議轉換器（一般不超過10個）。在實驗室環(huán)境下布置多個協(xié)議轉換器節(jié)點連接數(shù)據發(fā)送端，開機后由發(fā)送端發(fā)送數(shù)據，數(shù)據經過無線路由器傳輸至服務端，服務端是采用高性能的工控機，安裝的數(shù)據采集與存儲軟件實時監(jiān)聽并采集數(shù)據，同時利用HP公司的LoadRunner[6]工具進行性能測試。測試場景設計：10個協(xié)議轉換器連接發(fā)送端并全部開機準備好，每15秒增加一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據，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)性能測試結果如圖4與圖5所示。

圖4 場景設計與系統(tǒng)響應時間Fig.4 Diagrams of test scenario design and system response time

圖5 網絡吞吐量與CPU使用率Fig.5 Diagrams of network throughput and CPU usage

隨著節(jié)點的增加，系統(tǒng)響應時間以及網絡吞吐率也響應緩慢增加。10個節(jié)點并發(fā)期間，系統(tǒng)系統(tǒng)響應時間以及網絡吞吐率達到最大值，并在一定范圍內來回波動。之后隨著節(jié)點減少，系統(tǒng)響應時間以及網絡吞吐率也響應緩慢減少。整個過程平均系統(tǒng)系統(tǒng)響應時間3.7 s，平均網絡吞吐率1.5 MByte。10個節(jié)點并發(fā)期間，平均系統(tǒng)系統(tǒng)響應時間4.5 s，最大值6.1 s，沒有出現(xiàn)系統(tǒng)響應過慢或無法響應的情況，系統(tǒng)穩(wěn)定性與處理能力較強；平均網絡吞吐率1.8 MByte，最大值2.3 MByte，滿足54 M帶寬的網絡環(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展性。

3 結束語

針對目前艦艇通用數(shù)據采集需要，設計了一種基于DSP的協(xié)議轉換器。通過在實驗室環(huán)境下組建數(shù)據采集測試系統(tǒng)進行性能測試，證明該協(xié)議轉換器能滿足現(xiàn)階段艦艇多接口數(shù)據采集的需要，新研或改進的基于該協(xié)議轉換器的數(shù)據采集系統(tǒng)可實現(xiàn)艦艇通用的數(shù)據采集。

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[2]劉大東.國外海軍艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].國防技術基礎，2005（4）:31-32.LIU Da-dong.Present situation and development of foreign navy warship combat system[J].Technology Foundation of National Defence，2005（4）:31-32.

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[4]蔡勇，呂云飛，黃牛.潛艇新型作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展構想[J].船電技術，2011，31（2）:1-6.CAI Yong，LU Yun-fei，HUANG Niu.Development conception of new combat system for a aubmarine[J].Marine Electric&Electronic Engineering，2011，31（2）:1-6.

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[6]陳霽.性能測試進階指南—LoadRunner11實戰(zhàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2012.