EM200在分布式探測站組網(wǎng)通信的應用 - 全文

　　針對探測站與融合中心能夠在各種地理環(huán)境與車載移動條件下的使用要求，構(gòu)建了一套基于EM200模塊的CDMA實時收發(fā)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的遠程無線通信GPRS系統(tǒng)相比，該CDMA系統(tǒng)在穩(wěn)定性和帶寬上都優(yōu)于GPRS，更適合于時延要求較嚴格的分布式信息融合系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　如圖1所示，該分布式探測網(wǎng)由收發(fā)終端和中間轉(zhuǎn)發(fā)平臺構(gòu)成。發(fā)送端經(jīng)RS 232口接收來自探測站的數(shù)據(jù)并經(jīng)CDMA網(wǎng)絡發(fā)送出去，接收端將自CDMA網(wǎng)絡收到的數(shù)據(jù)送至信息融合中心。鑒于通信的可靠性要求，該系統(tǒng)全部采用TCP通信協(xié)議，收發(fā)終端均作為TCP的客戶端，位于公網(wǎng)上的中間轉(zhuǎn)發(fā)平臺用作TCP服務器端，實現(xiàn)收發(fā)端之間的的數(shù)據(jù)交換。

　　2 通信終端硬件設計

　　2.1 收發(fā)端硬件基本框架

　　圖2列出了通信終端基本的硬件框圖，主要分為電源模塊、微控制器(MCU)及其配套單元、CDMA模塊和其他輔助單元。收發(fā)端的硬件結(jié)構(gòu)完全相同。當前串口仍是最為通用的接口之一，大多數(shù)無線通信模塊均經(jīng)過串口與外界進行串行通信，EM200同樣如此。此處選用的MCULPC22 14具有兩組串口，分配串口0用作收發(fā)端與外界交換數(shù)據(jù)(發(fā)送端經(jīng)串口0接收來自探測站的數(shù)據(jù)，接收終端經(jīng)串口0將數(shù)據(jù)發(fā)送給融合中心)，串口1用作微控制器與EM200通信接口。

　　2.2 EM200相關(guān)電路設計

　　此處列出與EM200模塊相關(guān)的電路設計，圖3是EM200模塊的主體電路，其中LPG腳和VDD-IO腳分別通過一個三極管驅(qū)動LED以指示模塊的工作狀態(tài)。外部的開啟和重啟模塊信號引腳同樣通過三極管驅(qū)動EM200。

　　圖4是模塊與UIM卡的連接電路，其中33 pF電容用于濾去射頻電路產(chǎn)生的干擾。

　　目前大多數(shù)ARM7都具有兩組以上串口，其中通常有一組帶有完整的調(diào)制解調(diào)器接口，如LPC2214的串口。LPC2214作為DTE(數(shù)據(jù)終端設備)通過串口1與作為DEC(數(shù)據(jù)通信設備)的EM200相連，需要注意的是DTE與DCE之間的連接不需要交叉TXD/RXD線。

　　3 雙串口的管理

　　如圖2所示，收發(fā)端均需要管理兩組串口。對于接收端而言，當獲取來自CDMA網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)后，MCU從串口1接收EM200的數(shù)據(jù)包，解包分析后將有效數(shù)據(jù)通過串口0發(fā)送給融合中心。如圖5所示，此時MCU只需處理串口1的接收中斷，串口0可以采取查詢方式發(fā)送。

　　在發(fā)送端，MCU從串口0接收來自探測站的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)按AT指令TCP發(fā)送格式打包，經(jīng)串口1發(fā)送給EM200。由于AT指令的操作是交互式的，在MCU發(fā)出下一條TCP指令給EM200前，必須確認已收到EM200之前AT指令執(zhí)行后的應答響應，否則極可能導致發(fā)送失敗。由于需接收AT指令執(zhí)行后的應答響應，串口1既要發(fā)送也要接收，再加上串口0的接收中斷，MCU需要同時處理兩組串口中斷，如圖6所示。

　　3.1 發(fā)送端面臨的問題

　　發(fā)送端面臨的最大問題是如何兼顧兩組串口的接收中斷，即當兩個串口同時接收到數(shù)據(jù)時，如何保證無丟失地全部接收。

　　雖然LPC2214的兩個16C550標準串口自帶16 BFIFO緩存，卻仍難以同時兼顧兩個串口的接收操作。

　　具體問題為，在兩個串口同時接收到超過其FIFO緩沖容量的連續(xù)數(shù)據(jù)時，MCU只能響應高優(yōu)先級串口中斷，在低優(yōu)級串口中斷被暫時屏蔽期間，低優(yōu)先級中斷的串口會因自身FIFO緩存溢出導致數(shù)據(jù)丟失。

　　實際使用中，MCU一方面需要接收來自探測站的數(shù)據(jù)，另一方面還要接收EM200返回的之前AT指令執(zhí)行后的應答響應。工作中TCP發(fā)送指令執(zhí)行后的應答結(jié)果為“CRLF%TCPSEND：1，XCRLF”，其中CR和LF分別表示回車和換行，X代表發(fā)送指令中的有效數(shù)據(jù)個數(shù)，可能是1～1 024之間的任意數(shù)值，另外在1和X前面還分別有一個空格。應答結(jié)果共計18～21 B，超過了串口的16 B FIFO緩存容量，在中斷被屏蔽而得不到及時響應時，無疑會導致FIFO緩存溢出。

　　3.2 解決途徑

　　鑒于探測站發(fā)送的數(shù)據(jù)量和發(fā)送周期的不確定性，設計時必須考慮滿負荷的工作狀態(tài)，即連接探測站的串口0一直處于接收峰值的狀態(tài)。為確保無丟失地接收探測站數(shù)據(jù)，串口0中斷優(yōu)先級必須高于串口1。在此前提下，問題可歸結(jié)為當串口1中斷被暫時屏蔽得不到及時響應時，如何完整接收超過串口1緩存容量的AT指令應答響應，解決途徑是擴大串口1的FIFO緩存。

　　由于TCP發(fā)送指令返回的應答響應在18～21 B之間，所以串口1的接收緩存必須大于等于21 B，需另選大容量緩存的專用串口芯片來替代LPC2214串口1。這里采用具備64 B FIFO緩存的并轉(zhuǎn)串芯片TL16C752B。值得注意的是雖然TL16C752B符合8080并行總線接口要求，但其寫操作時序與相當部分的MCU不匹配，而絕大多數(shù)MCU沒有調(diào)整此部分時序的功能，其中就包括此處選用的LPC2214。這就需要外加一片用作時序匹配的CPLD，此處選用了EPM240，該部分電路示意圖如圖7所示。

　　MCU以中斷方式經(jīng)串口0接收探測站的數(shù)據(jù)，并將其按AT指令TCP發(fā)送命令格式傳至EM200模塊。EM200在完成當前TCP數(shù)據(jù)包發(fā)送處理后，將執(zhí)行后的結(jié)果通過串口1返回給MCU，若MCU正忙于接收來自探測站的數(shù)據(jù)，則AT指令執(zhí)行結(jié)果被壓入TL16C752B接收緩存，并通過中斷提示MCU此時串口1接收到數(shù)據(jù)，一旦MCU從串口0接收中斷釋放就立即轉(zhuǎn)去處理串口1接收中斷，足夠大的緩存保證了EM200響應結(jié)果能被完整接收。

　　4 軟件設計

　　4.1 轉(zhuǎn)發(fā)平臺的軟件設計

　　由于EM200僅支持TCP協(xié)議中的客戶端模式，而各個TCP客戶端之間是不能直接通信的。因此在收發(fā)系統(tǒng)中必須引入中間轉(zhuǎn)發(fā)平臺作為TCP服務器端，通過TCP服務器對收到的客戶端數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)處理從而間接實現(xiàn)在客戶端間的數(shù)據(jù)交換。TCP服務器端的軟件編寫較為容易，由于該軟件最終運行在公網(wǎng)的PC上，可以在VB環(huán)境下利用WinSock組件來實現(xiàn)。TCP服務器開啟兩組監(jiān)聽端口分別監(jiān)聽來自接收端和發(fā)送端的鏈接請求，當建立起與發(fā)送端和接收端的TCP鏈接后，將發(fā)送端鏈接收到的數(shù)據(jù)從接收端鏈接發(fā)送出去，如此完成轉(zhuǎn)發(fā)操作。

　　4.2 收發(fā)終端軟件設計

　　針對分布式無源探測網(wǎng)絡較高的實時性要求，若仍采用無限循環(huán)的前/后臺軟件架構(gòu)是不合適的，而引入實時操作系統(tǒng)(RTOS)一方面可以提高整體的響應時間，另一方面可以將復雜的應用分解成多個相對獨立子功能模塊，降低了軟件編寫復雜程度。此處選擇μC/OS-Ⅱ，其較少的硬件資源開銷很適合ARM7這類MCU。

　　4.2.1 發(fā)送端軟件設計

　　發(fā)送端可以拆分成三個進程，每個進程都是一個無限循環(huán)，依靠μC/OS-Ⅱ內(nèi)核的調(diào)度機制，MCU在三個進程之間切換執(zhí)行，實現(xiàn)發(fā)送端對探測站數(shù)據(jù)的接收和CDMA發(fā)送操作。

　　進程1的優(yōu)先級最高，其任務是讀取串口0收到的數(shù)據(jù)并將其壓入在RAM中開辟的緩沖區(qū)。串口0的讀取操作是由中斷服務程序ISR配合RTOS中的信號量實現(xiàn)的。具體過程是在進程1中調(diào)用RTOS的OSSemPend函數(shù)阻塞當前進程，當串口0收到數(shù)據(jù)并觸發(fā)中斷后，在中斷服務程序ISR中讀出的串口0緩存數(shù)據(jù)，并調(diào)用RTOS的OSSemPost函數(shù)釋放相應的信號量，則原先被阻塞的進程繼續(xù)執(zhí)行，此時將ISR中讀出的數(shù)據(jù)壓入RAM中開辟的緩沖區(qū)，完成一次循環(huán)，如圖8所示。

　　進程2負責從串口1接收來自EM200模塊的AT指令應答結(jié)果，由于預先得知TCP發(fā)送指令執(zhí)行后的應答響應不會超過串口1的64 B FIFO緩存容量，因此實時接收的要求不如串口0嚴格，所以進程2優(yōu)先級可低于進程1。進程2的架構(gòu)與進程1基本相同，惟一區(qū)別是將讀出的應答響應存到指定的AT指令暫存緩沖區(qū)，如圖9所示。

　　進程3負責從RAM緩沖區(qū)中截取一段之前串口0接收到的數(shù)據(jù)，并按AT指令TCP發(fā)送格式打包并發(fā)送給EM200模塊，然后檢測AT指令暫存緩沖區(qū)中的應答響應結(jié)果，判斷是否立即發(fā)出下一輪TCP發(fā)送指令給EM200，如圖10所示。進程3對串口1執(zhí)行發(fā)送操作，實時性相對進程1和進程2要求更低，因此進程3的優(yōu)先級可設為三者中最低一級。

　　4.2.2 接收端軟件設計

　　接收端也分為三個進程，依靠RTOS的調(diào)度機制，MCU在三個進程之間切換執(zhí)行，實現(xiàn)接收端對來自CDMA網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的接收并將解析后的有效數(shù)據(jù)發(fā)送給融合中心。

　　鑒于EM200收到自CDMA網(wǎng)絡數(shù)據(jù)后會直接經(jīng)串口將數(shù)據(jù)包輸出的特性(不同于其他模塊會將數(shù)據(jù)暫存在模塊內(nèi)部，只有當收到AT指令讀命令后才會輸出數(shù)據(jù)包)，因此最高優(yōu)先級進程1的任務就是通過串口1接收自EM200的數(shù)據(jù)包并將其壓入在RAM開辟的緩沖區(qū)。如圖11接收端的進程1架構(gòu)與發(fā)送端進程1類似。

　　由于進程1中收到的數(shù)據(jù)包含有部分無效字符，因此中等優(yōu)先級進程2負責解析緩沖區(qū)數(shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)，若檢測到緩沖區(qū)中無完整的數(shù)據(jù)包，則調(diào)用RTOS提供的OSTimeDlyHMSM函數(shù)延時一定時間，在延時期內(nèi)主動釋放MCU的使用權(quán)，若檢測到一個以上的完整數(shù)據(jù)包，則在解析處理后將有效數(shù)據(jù)送入在內(nèi)存中開辟的串口0發(fā)送緩沖區(qū)，該進程架構(gòu)如圖12所示。

　　低優(yōu)先級的進程3負責檢測串口0的發(fā)送緩沖區(qū)是否為空，若不為空則通過串口0將緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)發(fā)送出去，如圖13所示。

　　只有在進程2延時期內(nèi)且進程1處于掛起狀態(tài)，負責串口0發(fā)送任務的進程3才得以執(zhí)行。由于采用了延時的方式主動釋放對MCU的使用權(quán)，因此延時的大小決定了進程3每次的執(zhí)行時間，延時若設得過大可能會造成數(shù)據(jù)包解析不及時從而導致串口1收到的數(shù)據(jù)包在接收緩沖區(qū)中大量堆積，使得實時性大大降低。延時若設得過小則會導致進程3在發(fā)送一段較長的數(shù)據(jù)時被經(jīng)常打斷，微控制器的處理資源被浪費在頻繁的進程切換上，綜合考慮此處將延時設定為50ms。

　　5 結(jié)語

　　本文介紹了一套基于EM200模塊的CDMA數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)組建的分布式探測網(wǎng)絡可適應各種地理環(huán)境，結(jié)合CDMA系統(tǒng)較短的傳輸時延配以合理的軟硬件設計，能夠確保整個網(wǎng)絡較高的實時性能，滿足分布式無源探測信息融合系統(tǒng)組網(wǎng)通信要求。