摘要：針對分布式無源探測信息融合系統(tǒng)中各探測站與融合中心組網通信要求，構建了一套基于CDMA網絡的收發(fā)系統(tǒng)，滿足在各種地理環(huán)境下的使用需求。以LPC2214為控制核心結合CDMA模塊EM200構成了該系統(tǒng)的收發(fā)終端，針對其中發(fā)送端存在的問題給出了硬件解決方案，并結合實時操作系統(tǒng)分別闡述收發(fā)端軟件架構。此外還引入中間轉發(fā)平臺用作TCP服務器實現作為TCP客戶端的收發(fā)終端間的數據交換。與傳統(tǒng)GPRS方案相比，該系統(tǒng)低延時的特性使其更適合實時性要求較高的分布式信息融合系統(tǒng)的需求。
關鍵詞：CDMA；收發(fā)系統(tǒng)；中間轉發(fā)平臺；實時操作系統(tǒng)
相比傳統(tǒng)有源探測手段，當前分布式無源探測并采用信息融合的探測系統(tǒng)顯示出相當大的優(yōu)勢，尤其在目標的跟蹤與識別上展現出顯著效果，具有重要的軍事意義和廣闊的應用前景。作為整個分布式探測系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)——各探測站與信息融合中心的組網通信，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
如圖1所示，該分布式探測網由收發(fā)終端和中間轉發(fā)平臺構成。發(fā)送端經RS 232口接收來自探測站的數據并經CDMA網絡發(fā)送出去，接收端將自CDMA網絡收到的數據送至信息融合中心。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，位于公網上的中間轉發(fā)平臺用作TCP服務器端，實現收發(fā)端之間的的數據交換。
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)端的硬件結構完全相同。當前串口仍是最為通用的接口之一，大多數無線通信模塊均經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)端與外界交換數據(發(fā)送端經串口0接收來自探測站的數據，接收終端經串口0將數據發(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相關電路設計
此處列出與EM200模塊相關的電路設計，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動EM200。
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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生的干擾。
目前大多數ARM7都具有兩組以上串口，其中通常有一組帶有完整的調制解調器接口，如LPC2214的串口。LPC2214作為DTE(數據終端設備)通過串口1與作為DEC(數據通信設備)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網絡的數據后，MCU從串口1接收EM200的數據包，解包分析后將有效數據通過串口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據，并將數據按AT指令TCP發(fā)送格式打包，經串口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據時，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)數據時，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緩存溢出導致數據丟失。
實際使用中，MCU一方面需要接收來自探測站的數據，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)送指令中的有效數據個數，可能是1～1 024之間的任意數值，另外在1和X前面還分別有一個空格。應答結果共計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。[!--empirenews.page--]
3．2 解決途徑
鑒于探測站發(fā)送的數據量和發(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據，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MCU沒有調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以中斷方式經串口0接收探測站的數據，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數據包發(fā)送處理后，將執(zhí)行后的結果通過串口1返回給MCU，若MCU正忙于接收來自探測站的數據，則AT指令執(zhí)行結果被壓入TL16C752B接收緩存，并通過中斷提示MCU此時串口1接收到數據，一旦MCU從串口0接收中斷釋放就立即轉去處理串口1接收中斷，足夠大的緩存保證了EM200響應結果能被完整接收。
4 軟件設計
4．1 轉發(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據進行轉發(fā)處理從而間接實現在客戶端間的數據交換。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的PC上，可以在VB環(huán)境下利用WinSock組件來實現。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)送端鏈接收到的數據從接收端鏈接發(fā)送出去，如此完成轉發(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內核的調度機制，MCU在三個進程之間切換執(zhí)行，實現發(fā)送端對探測站數據的接收和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收到的數據并將其壓入在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中的信號量實現的。具體過程是在進程1中調用RTOS的OSSemPend函數阻塞當前進程，當串口0收到數據并觸發(fā)中斷后，在中斷服務程序ISR中讀出的串口0緩存數據，并調用RTOS的OSSemPost函數釋放相應的信號量，則原先被阻塞的進程繼續(xù)執(zhí)行，此時將ISR中讀出的數據壓入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。
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進程3負責從RAM緩沖區(qū)中截取一段之前串口0接收到的數據，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的調度機制，MCU在三個進程之間切換執(zhí)行，實現接收端對來自CDMA網絡數據包的接收并將解析后的有效數據發(fā)送給融合中心。
鑒于EM200收到自CDMA網絡數據后會直接經串口將數據包輸出的特性(不同于其他模塊會將數據暫存在模塊內部，只有當收到AT指令讀命令后才會輸出數據包)，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的數據包并將其壓入在RAM開辟的緩沖區(qū)。如圖11接收端的進程1架構與發(fā)送端進程1類似。
由于進程1中收到的數據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)數據包中的有效數據，若檢測到緩沖區(qū)中無完整的數據包，則調用RTOS提供的OSTimeDlyHMSM函數延時一定時間，在延時期內主動釋放MCU的使用權，若檢測到一個以上的完整數據包，則在解析處理后將有效數據送入在內存中開辟的串口0發(fā)送緩沖區(qū)，該進程架構如圖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)中數據發(fā)送出去，如圖13所示。
只有在進程2延時期內且進程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，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據包解析不及時從而導致串口1收到的數據包在接收緩沖區(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)送一段較長的數據時被經常打斷，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 結語
本文介紹了一套基于EM200模塊的CDMA數據收發(fā)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)組建的分布式探測網絡可適應各種地理環(huán)境，結合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)組網通信要求。
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