林開泉，徐國(guó)貴，黃玉林，李帥

91388部隊(duì) 94分隊(duì)，廣東 湛江 524022

基于ARM的水下目標(biāo)定位系統(tǒng)的通信模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林開泉，徐國(guó)貴，黃玉林，李帥

91388部隊(duì) 94分隊(duì)，廣東 湛江 524022

水下目標(biāo)定位系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于水下目標(biāo)的定位和跟蹤、水聲對(duì)抗等水聲領(lǐng)域，其系統(tǒng)主要由水聲浮標(biāo)陣、中繼站和基站等構(gòu)成，浮標(biāo)與基站的通信通過無線網(wǎng)橋進(jìn)行傳輸。為了提高該系統(tǒng)的通信可靠性和智能性，采用ARM板作為中繼站和通信服務(wù)器，以一臺(tái)電腦作為基站的顯控機(jī)，一臺(tái)電腦模擬浮標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種水下目標(biāo)定位系統(tǒng)通信模擬系統(tǒng)，其中ARM板搭載LINUX嵌入式系統(tǒng)。該模擬系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)基站和浮標(biāo)之間的中繼通信，完成從基站顯控端發(fā)送各種命令和參數(shù)到ARM板，ARM板進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)給浮標(biāo)，浮標(biāo)收到命令后進(jìn)行響應(yīng)，并回傳相關(guān)數(shù)據(jù)至基站顯控端的功能。

ARM；水下目標(biāo)定位系統(tǒng)；LINUX；網(wǎng)口通信；串口通信；GPS

水下目標(biāo)定位系統(tǒng)是水下目標(biāo)定位和跟蹤必不可少的設(shè)備。該系統(tǒng)在使用中，通信板會(huì)時(shí)不時(shí)出現(xiàn)壞塊，而通信技術(shù)更新?lián)Q代很快，市場(chǎng)上已經(jīng)沒有目前這種通信板出售[1-2]。水下目標(biāo)定位系統(tǒng)的通信部分很需要規(guī)范接口，采用符合IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的無線網(wǎng)橋進(jìn)行通信，ARM可以很方便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制[3-5]。另外，采用嵌入式系統(tǒng)的ARM板作為中繼站，一方面可以實(shí)現(xiàn)中繼站的無人看守，另一方面ARM板作為中繼站還具有網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器的功能。在此嘗試基于LINUX嵌入式系統(tǒng)，采用一塊ARM板作為中繼站進(jìn)行通信，模擬水下目標(biāo)定位系統(tǒng)整個(gè)通信過程。其主要內(nèi)容包括搭建嵌入式平臺(tái)，編寫通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)ARM板與基站、浮標(biāo)的網(wǎng)口通信，ARM板接收GPS模塊信號(hào)，編寫顯控界面等。

1 系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)命令流

水下目標(biāo)定位系統(tǒng)主要由水聲浮標(biāo)陣、中繼站和基站等構(gòu)成。其中水聲浮標(biāo)陣由4個(gè)以上浮標(biāo)組成[6]。浮標(biāo)下接水聽器，水聽器以被動(dòng)或者主動(dòng)的形式接收探測(cè)目標(biāo)的水聲信號(hào)，然后浮標(biāo)把這些水聲信號(hào)通過微波發(fā)送給中繼站，中繼站將這些信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給基站，基站根據(jù)球面定位原理解算出水下目標(biāo)的軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的定位和跟蹤[7]?；贏RM的水下目標(biāo)定位系統(tǒng)通信模擬系統(tǒng)用來模擬實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)定位系統(tǒng)整個(gè)通信過程，該模擬系統(tǒng)采用一臺(tái)電腦作為基站顯控機(jī)，一臺(tái)電腦模擬浮標(biāo)，ARM板作為中繼站，模擬基站和浮標(biāo)之間的中繼通信。水下目標(biāo)定位系統(tǒng)通信模擬系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 水下目標(biāo)定位系統(tǒng)通信模擬系統(tǒng)

圖2 水下目標(biāo)定位系統(tǒng)通信模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)命令流

該通信模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)命令流如圖2所示，其數(shù)據(jù)命令流分為下行和上行，其中顯控端至浮標(biāo)端的命令和數(shù)據(jù)為下行，浮標(biāo)端至顯控端的數(shù)據(jù)為上行。該模擬系統(tǒng)采用ARM板作為中繼站，中繼站用來轉(zhuǎn)發(fā)浮標(biāo)和顯控機(jī)之間的命令或者數(shù)據(jù)，并接收GPS信號(hào)，將中繼站所在的GPS信息發(fā)送給顯控端。ARM板和GPS模塊的通信采用串口通信，顯控機(jī)、浮標(biāo)與ARM板之間的通信基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)，其中ARM板為通信的服務(wù)器。顯控端和浮標(biāo)端的程序采用C++進(jìn)行編程，中繼站的程序基于LINUX進(jìn)行嵌入式編程。

2 基于LINUX的嵌入式平臺(tái)的搭建

2.1 硬件平臺(tái)

硬件平臺(tái)采用飛凌公司的TE6410開發(fā)板，它是基于三星公司ARM11處理器S3C6410設(shè)計(jì)的,擁有強(qiáng)大的內(nèi)部資源和視頻處理能力，主頻可穩(wěn)定運(yùn)行在667 MHz以上，支持mobileDDR以及多種NAND FLASH；板上集成了多種高端接口如VGA、TV、CAMERA、USB、SD、LCD、以太網(wǎng)以及工業(yè)CAN總線、RS485總線，并配備溫度傳感器和紅外等。該板采用核心板加底板結(jié)構(gòu)，核心板尺寸為5 cm×6 cm，底板13 cm×13 cm，連接器采用4條高質(zhì)量進(jìn)口連接器，4×80總共320引腳。TE6410軟件系統(tǒng)支持WinCE6.0和LINUX2.6內(nèi)核，開發(fā)板的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 飛凌TE6410開發(fā)板

2.2 操作系統(tǒng)平臺(tái)

2.2.1 PC機(jī)上搭建LINUX開發(fā)環(huán)境

在PC機(jī)上搭建LINUX開發(fā)環(huán)境首先要安裝Ubuntu9.10，Ubuntu是一個(gè)以桌面應(yīng)用為主的Linux操作系統(tǒng)，具有圖形界面很人性化和可以通過網(wǎng)絡(luò)升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。LINUX程序需要在ARM板上運(yùn)行，需要進(jìn)行交叉編譯，所以需要安裝交叉編譯器[9]。除此以外，在編寫程序之前，需要設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，學(xué)會(huì)使用LINUX的終端，熟悉LINUX的各種命令等[10]。

2.2.2 開發(fā)板上燒寫 LINUX系統(tǒng)

在燒寫LINUX之前，需要用Eboot擦寫NandFlash，并且準(zhǔn)備好用于燒寫LINUX的SD卡。燒寫時(shí)將實(shí)現(xiàn)編譯好的LINUX內(nèi)核和Uboot以及文件系統(tǒng)拷貝到SD卡中，撥碼開關(guān)設(shè)置為SD卡啟動(dòng)，用串口轉(zhuǎn)USB線連接好板子的串口和電腦的USB口，并打開DNW軟件，設(shè)置好串口參數(shù)，給開發(fā)板上電，系統(tǒng)開始安裝[8]。安裝完畢后，將撥碼開關(guān)設(shè)置成Nand Flash，并用LINUX命令修改屏幕分辨率。完成這些后，在PC機(jī)LINUX交叉編譯后的程序就可以在板子上運(yùn)行了。開發(fā)板上的可執(zhí)行程序，在LINUX環(huán)境下用C語言進(jìn)行編寫，通過GCC交叉編譯后在開發(fā)板上運(yùn)行。

3 編程實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議編寫

為了讓浮標(biāo)和基站能夠明白接收幀中命令和數(shù)據(jù)的用途，必須編寫通信協(xié)議，即收發(fā)兩端和中繼站需要對(duì)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的內(nèi)容提前進(jìn)行約定，約定的內(nèi)容應(yīng)包括用于識(shí)別的幀頭、地址段、該幀的用途和所包含的數(shù)據(jù)。水下目標(biāo)定位系統(tǒng)通信模擬系統(tǒng)其通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示，包含幀頭、目的地址、源地址、中繼地址、幀類型及補(bǔ)碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)段和檢錯(cuò)碼，其中幀頭為0xd22d（2d為d2反碼），地址分配為基站：01H；中繼站：02H－05H；浮標(biāo)：06H－1FH。中繼站根據(jù)源地址和目的地址，來判斷命令和數(shù)據(jù)來自哪里和發(fā)往何處，浮標(biāo)收到從基站發(fā)來命令后，根據(jù)通信協(xié)議中的幀類型和補(bǔ)碼，可以知道這一幀是包含什么命令，并做出相應(yīng)的應(yīng)答，回傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)至基站。

表1 通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

不同的幀類型代表不同的用途，包含的數(shù)據(jù)也不一樣，而數(shù)據(jù)方向包含下行和上行，下行是顯控端給浮標(biāo)端發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，包括設(shè)置命令、查詢命令、數(shù)據(jù)傳輸命令。其中設(shè)置命令包括初始化路徑、設(shè)置聲學(xué)參數(shù)，查詢命令包括輪詢、浮標(biāo)自檢等命令，數(shù)據(jù)傳輸命令包括回傳原始數(shù)據(jù)、清除浮標(biāo)FLASH數(shù)據(jù)、停止鎖存原始數(shù)據(jù)并停止內(nèi)記等命令。上行是浮標(biāo)端對(duì)某一個(gè)命令做出的相應(yīng)的應(yīng)答和回傳的數(shù)據(jù)。所有命令采用樹結(jié)構(gòu)，編成通信命令樹，操作者可以很方便選擇各種命令，部分幀類型定義如表2所示。

表2 部分幀類型定義

3.2 ARM板與收發(fā)兩端的網(wǎng)口通信

浮標(biāo)與顯控機(jī)采用基于TCP/IP的網(wǎng)口通信，其中ARM板作為服務(wù)器、浮標(biāo)和顯控機(jī)作為客戶端，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和客戶端之間一對(duì)多的通信。TCP/IP是面向連接的通信，因此它是一種可靠的通信模式。ARM板作為中繼站和服務(wù)器用于等待收發(fā)兩端的連接請(qǐng)求，需要建立一個(gè)監(jiān)聽套接口和一個(gè)用于收發(fā)數(shù)據(jù)的套接口，接收任意知道其IP地址的客戶端的請(qǐng)求。服務(wù)器（ARM板）可以同時(shí)接收一個(gè)或多個(gè)客戶的請(qǐng)求，當(dāng)客戶發(fā)送某個(gè)服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器使其在提供該服務(wù)器的端口排隊(duì)，然后從列隊(duì)中提取請(qǐng)求，并為每個(gè)請(qǐng)求創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程。浮標(biāo)和基站的通信包括上行和下行，所以除了主線程，ARM板的程序采用一個(gè)互斥鎖來控制2個(gè)子線程，ARM板不間斷地監(jiān)聽（listen）有沒有浮標(biāo)和基站的連接請(qǐng)求，建立連接后根據(jù)排隊(duì)序列來確定收發(fā)的順序。

3.3 ARM板接收GPS信號(hào)

ARM板和GPS模塊可以通過串口進(jìn)行通信，接收GPS給的時(shí)間以及位置信息，然后再把這些信息發(fā)送給顯控機(jī)。ARM板和GPS模塊的通信只涉及接收，所以只要做接收部分就可以。LINUX下的串口通信需要通過termios這個(gè)結(jié)構(gòu)體來定義串口的屬性，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)，其定義比在WINDOWS下編程復(fù)雜些，需要打開板子上用于串口通信的文件[11]。除此以外，要接收GPS所需要的信息，需要了解GPS的信號(hào)格式，提取有用的部分。GPS模塊及GPS天線如圖4所示。

圖4 GPS模塊及GPS天線

4 程序界面及運(yùn)行結(jié)果

浮標(biāo)端和顯控端界面用C++編寫，ARM板用C語言進(jìn)行嵌入式編程，主要用作控制和通信，對(duì)界面和人機(jī)交互無要求，其程序運(yùn)行結(jié)果可以通過DNW軟件在電腦上看見，或者接收ARM板自己的LCD顯示屏幕用LINUX終端可見。顯控端的界面如圖5所示，該界面主要包括IP地址信息、中繼站的經(jīng)緯度、串口信息、通信誤幀率、通信距離、接收的數(shù)據(jù)以及各個(gè)命令按鈕。圖5的命令按鈕與本文第3部分通信協(xié)議的命令相對(duì)應(yīng)，包括初始化路徑、輪詢、浮標(biāo)自檢、回傳原始數(shù)據(jù)等命令。圖5此時(shí)選擇的命令為“回傳原始數(shù)據(jù)”，浮標(biāo)與基站的通信距離為32 634.5 m，浮標(biāo)經(jīng)過ARM板中繼（轉(zhuǎn)發(fā)）后，1 000幀水聲數(shù)據(jù)無誤地被基站接收，其誤幀率為0。測(cè)試過程中人為中斷微波信號(hào)后重新打開微波，通信快速恢復(fù)。上述測(cè)試表明基于ARM的水聲定位系統(tǒng)通信模擬平臺(tái)是可靠的，可以實(shí)現(xiàn)無誤碼的遠(yuǎn)距離傳輸。

圖5 顯控端程序界面

圖6是ARM板上程序運(yùn)行的結(jié)果主要包括串口操作和線程控制的一些提示，以及將接收到的部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示出來，主要是實(shí)現(xiàn)通信和控制的功能。ARM板上程序的運(yùn)行結(jié)果除了在ARM板自己接的顯示屏可以顯示外，還可以通過DNW、PUTTY等軟件在電腦上顯示，在調(diào)試程序的時(shí)候，這會(huì)更加方便和高效。

圖6 ARM板顯示屏運(yùn)行結(jié)果

5 結(jié)束語

本文基于ARM設(shè)計(jì)了一種水下目標(biāo)定位系統(tǒng)的通信模擬系統(tǒng)，可以通過模擬實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)定位系統(tǒng)的中繼通信，完成從浮標(biāo)到基站的下行和上行通信。顯控端界面簡(jiǎn)潔，通過編寫通信協(xié)議并以樹形結(jié)構(gòu)顯示通信命令，使得操作簡(jiǎn)單明了。浮標(biāo)和基站之間的通信采用網(wǎng)口進(jìn)行，規(guī)范了通信的接口。經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，浮標(biāo)和基站之間的通信可靠性比較高，當(dāng)信號(hào)不好導(dǎo)致通信突然中斷時(shí)，通信恢復(fù)后不影響正常使用，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于水下目標(biāo)定位系統(tǒng)是可靠的。ARM板作為中繼站可以實(shí)現(xiàn)中繼站的無人看守，將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于水下目標(biāo)定位系統(tǒng)可以節(jié)省人力。

［1］李廣武．現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展與個(gè)體生存境遇［D］．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012：3?17．

［2］趙晗．現(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢(shì)［J］．企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011，30（16）：88?90．

［3］王桂云，侯思祖．基于ARM7的以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（2）：124?126．

［4］葉彩紅．基于IEEE802．11b無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與控制［D］．秦皇島：燕山大學(xué)，2010：10?35．

［5］李勇，崔凌．基于IEEE802．11b的無線網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)計(jì)［J］．煤炭技術(shù)，2010，29（8）：168?170．

［6］殷冬梅．無線電水聲浮標(biāo)陣多目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2003：2?7．

［7］李敏．水下高速目標(biāo)被動(dòng)定位系統(tǒng)基本原理［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007：5?14．

［8］宋進(jìn)，李建奇．基于嵌入式Linux和Arm的遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)［J］．電子工業(yè)專用設(shè)備，2009，2：48?51．

［9］弓雷．ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)詳解［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2005：39?55．

［10］王桐，陳立偉，王紅濱，等．嵌入式Linux編程入門與開發(fā)實(shí)例［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：42?60．

［11］韓超，魏治宇，廖文江，等．嵌入式Linux上的C語言編程實(shí)踐［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2009：106?161．

Design of communication simulation system of underwater target positioning system based on ARM

LIN Kaiquan, XU Guogui, HUANG Yulin, LI Shuai

Unit 94, PLA 91388, Zhanjiang 524022, China

The underwater target positioning system has wide application in the undersea acoustic field, such as positioning and track of an undersea target, and underwater acoustic countermeasure. The system is consisted of an underwater acoustic buoy, a relay station and a base station. The communications between the underwater acoustic buoy and base station are over microwave. A communication simulation system of the underwater target positioning system is designed based on Linux embedded system to improve communication reliability and intelligence. In this communication simulation system, ARM development board is used as relay station and communication server. One computer is used to simulate display and control equipment of the base station and the other one is used to simulate the underwater acoustic buoy. The communication simulation system can complete relay communications between the base station and underwater acoustic buoy. In this system, various orders and parameters can be transmitted to the underwater acoustic buoy from the base station by relay station. When the underwater acoustic buoy received the orders, the dates of the underwater acoustic buoy will be transmitted to the base station also by relay station.

ARM; underwater target positioning system; LINUX; network communication; serial port communication; GPS

TP301

A

1009-671X（2014）01-0026-05

10.3969/j.issn.1009-671X.201303001

2013-03-02.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11104029）.

林開泉（1985-）, 男, 工程師, 碩士;徐國(guó)貴（1981-）, 男, 工程師, 碩士.

林開泉, E-mail: linkaiquan01@163.com.