基于嵌入式技術(shù)的遠程戰場(chǎng)監控系統

時(shí)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(wǎng)接口等)和顯示設備(如顯示屏等)3類(lèi)

嵌入式操作系統是從嵌入式系統發(fā)展到第3階段才開(kāi)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(hù)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(dòng)程序等)，管理復雜的系統資源它還在系統實(shí)時(shí)性、硬件依賴(lài)性、軟件固化性和應用專(zhuān)用性等方而具有更加鮮明的特點(diǎn)。

應用軟件是針對特定應用領(lǐng)域，基于某一固定的硬件平臺，用來(lái)達到用戶(hù)預期日標的計算機軟件由于嵌入式系統自身的特點(diǎn)，決定了嵌入式應用軟件不僅要求滿(mǎn)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(jìn)行代碼優(yōu)化，以減少對系統資源的消耗，降低硬件成本[‘一z}

嵌入式系統具有系統內核小、專(zhuān)用性強、系統比較精簡(jiǎn)，但嵌入式系統要求操作系統軟件的實(shí)時(shí)性較強，嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)要求向標準化發(fā)展，嵌入式系統的開(kāi)發(fā)需要專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)工具。

2監控系統硬件結構設計

在硬件設計上，整個(gè)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(xié)同上作來(lái)控制的電子設備或裝置，能夠完成監視、控制等各種自動(dòng)化處理任務(wù)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(chǎn)的TLV2544芯片，當與DSP芯片連接時(shí)，可用一個(gè)幀同步信號FS來(lái)控制一個(gè)串行數據幀的開(kāi)始采用TMS320VC5402提供高速、雙向、多通適帶緩沖串行端口MCBSP，可用來(lái)與串行A/ D轉換器直接連接

2)以太網(wǎng)擴展接口實(shí)現嵌入式戰場(chǎng)的遠程監控系統，首要的問(wèn)題就是要讓遠程監控設備具有以太網(wǎng)接口臺灣Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)接口芯片可以讓嵌入式控制器具有通用計算機的網(wǎng)絡(luò )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(lèi)型的連接器DSP為了同現場(chǎng)監控設備的串口相連，我們用MAXIM公司的MAX3111來(lái)完成EL1到TTL電路之間的電平和邏輯關(guān)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(xiàn)標準它支持多竹點(diǎn)、遠距離傳輸RS- 485標準采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數據收發(fā)器來(lái)驅動(dòng)總線(xiàn)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(lái)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(jià)格比，而且體積小，功耗低，可電擦寫(xiě)，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(shí)，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(gè)模塊:卞控模塊、初始化模塊、協(xié)議封裝模塊、協(xié)議拆包重組模塊、網(wǎng)絡(luò )接口模塊和應用層應用模塊圖4是各模塊之間的邏輯關(guān)系

31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(shí)信號函數、端口設置函數、同步串口設置函數、中斷服務(wù)函數等系統上作時(shí)程序從卞控模塊的main()函數開(kāi)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(gè)無(wú)條件循環(huán)進(jìn)入上作狀態(tài)

3. 2初始化模塊設計

系統軟件在運行的時(shí)候首先要調用初始化程序，對系統的各資源進(jìn)行初始化，然后才能正常上作初始化模塊包括了4個(gè)初始化函數，分別是net_ init( ) , dsp5402_ init( ) ,interrupt_ init()，nic_ atl_ init()

3. 3協(xié)議封裝模塊設計

協(xié)議封裝部分的作用是將數據進(jìn)行分組，并以不同的協(xié)議打包封裝使其成為符合TCP/ IP協(xié)議規范的分組數據在設計中，對于不同協(xié)議的封裝，分別由不同的函數實(shí)現在本系統中，監控終端系統需要對位于網(wǎng)絡(luò )層的IP協(xié)議、位于傳輸層的TCP協(xié)議進(jìn)行封裝封裝順序是先傳輸層協(xié)議TCP封裝，后網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議IP封裝之后傳入網(wǎng)絡(luò )接口模塊發(fā)送出去

3. 4協(xié)議拆包重組模塊設計

本模塊的上作過(guò)程是這樣的，數據從以太網(wǎng)上被接收下來(lái)之后，首先會(huì )放在網(wǎng)卡芯片的內存當中，由DSP即網(wǎng)絡(luò )接口模塊將其讀入后進(jìn)行協(xié)議分解，根據協(xié)議的內容進(jìn)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(xié)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(jìn)一步處理

4嵌入式TCP/ IP協(xié)議棧設計

嵌入式設備實(shí)現網(wǎng)絡(luò )勺_聯(lián)，一般都需要在嵌入式設備上實(shí)現以太網(wǎng)通信的有關(guān)協(xié)議，其中一個(gè)重要問(wèn)題就是如何實(shí)現嵌入式TCP/ IP協(xié)議棧日前使用)‘一泛的TCP/ IP協(xié)議棧有LWIP .uIP Z,inux IP等，這些協(xié)議棧具有一定的通用}h}，包含的協(xié)議內容比較全，也比較復雜為了滿(mǎn)足軍用嵌入式系統接入網(wǎng)絡(luò )的要求，需要進(jìn)行嵌入式TCP/ IP協(xié)議的精簡(jiǎn)工作。

軍用嵌入式系統接入網(wǎng)絡(luò )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(xié)議族應至少包括IP .ICMP .ARP .TCP .UDP等基本協(xié)議，協(xié)議棧的結構如圖5所示

通過(guò)研究和具體編程，在Keil C laVision2開(kāi)發(fā)環(huán)境下實(shí)現了一個(gè)簡(jiǎn)單的嵌入式TCP/ IP協(xié)議棧，各協(xié)議的基本實(shí)現過(guò)程如下

4. 1 IP協(xié)議的實(shí)現

IP協(xié)議是TCP/ IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議IP報頭的標準長(cháng)度為20字竹，標準以太網(wǎng)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(xié)議提供有效就數據載荷IP協(xié)議將上一層傳下來(lái)的報文加上IP首部和II校驗合并發(fā)往下一層，并且對下一層傳上來(lái)的報文進(jìn)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(wèn)題，即不允許數據報超出IP包就有效載荷，這樣簡(jiǎn)化可以省去軟件處理IP數據分段和重組的開(kāi)銷(xiāo)，可以提高系統數據傳輸的實(shí)時(shí)性[a{為了便于ihi試，需要實(shí)現PING程序，在收到I(1VIP的回顯請求包后拉照格式組裝一個(gè)ICMP的回顯應答包并發(fā)送相關(guān)的、函數有:

4. 3 UDP協(xié)議的實(shí)現

UDP的數據傳輸是無(wú)連接的、不可靠的，具有對網(wǎng)絡(luò )資源開(kāi)銷(xiāo)較小、數據處理速度快的優(yōu)點(diǎn)U DP協(xié)議屬于簡(jiǎn)單端到端的數據傳輸協(xié)議，報頭只有8字y具體實(shí)現時(shí)要對應用層傳下來(lái)的數據包加上U DP首部和UDP校驗發(fā)往下一層，對下一層傳上來(lái)的數據包進(jìn)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(chǎn)生一個(gè)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(yǔ)

闡明了嵌入式控制器的硬件和軟件的設計和實(shí)現過(guò)程，包括微處理器系統硬件設計和實(shí)現、監控設備的接口模塊實(shí)現TCP/ IP協(xié)議棧的精簡(jiǎn)和實(shí)現等嵌入式遠程戰場(chǎng)監控系統的成功實(shí)現將有很大實(shí)際應用價(jià)值它不僅可以用于戰場(chǎng)環(huán)境的遠程監控，而且可應用于邊防哨所等無(wú)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。