面向舰艇通用数据采集的协议转换器的设计与测试

王黎明，郑 健，张福生

（中国人民解放军91388部队 广东 湛江 524022）

随着信息技术与总线技术的不断发展，国家日前的大型武器平台也向自动化、信息化发展，复杂性越来越高。这类武器系统通常由多个分系统、子设备组成，通过不同种类的总线连接在一起[1]。舰艇作为主要的作战平台之一，在国防中发挥重要的作用，经历了新旧总线技术，现今已发展到分布式的体系结构[2]。现役舰艇总线接口主要有：RS232和RS422串口、1553B总线接口以及以太网接口等。串口的传输率较低，不适合大数据量的传输，同时会造成数据采集点分散的弊端；1553B总线对信号传输电缆和连接器均具有严格的要求[3]，成本较高；舰艇分布式网络采用成熟的工业以太网标准，装备配有以太网接口接入交换机，实现整个作战系统网络数据共享，并配备专门的数据采集与存储服务器[4]。由于传输率、协议通用性以及技术发展等多方面原因，舰艇总线接口中1553B总线与串口将来必然会被分布式以太网代替。为了适应现有舰艇数据采集需要，并考虑未来分布式网络建设要求，这里设计了一种基于DSP的协议转换器，用以解决现阶段舰艇多接口数据采集通用化的要求。

1 协议转换器设计

1.1 硬件设计

协议转换器硬件设计结构图如图1所示。

图1 硬件设计结构图Fig.1 Schematic diagram of the hardware design

协议转换器的CPU选用三星公司ARM11内核的S3C6410处理器，该处理器主频为667 M，并发处理能力强，支持包括100M以太网与RS232等多种接口。操作系统方面支持流行的Linux与Android系统。

由于ARM11不直接支持1553B接口，所以选用DDC公司的BU—61580芯片作为外部设备连接1553B总线与CPU，该芯片可以自动高速的接收1553B总线上的数据。1553B接口模块与1553B总线连接时需加装耦合器。

ARM11支持的串口仅为4个RS232接口，所以来自RS422接口的数据必须进行接口转换，串口转换适配器结构与原理十分简单，这里选用胜为DCP-3202 RS485/RS422转RS232双向通信协议转换器。

以太网通信模块芯片采用Realtek公司生产的RTL8019AS以太网卡控制器，符合IEEE 802.3标准。RTL8019AS芯片内置16KB SRAM，用于收发缓冲，支持8/16位数据总线、8个中断请求、16个I/O基地址选择等多种特性。

CPU通过中断方式分别与1553B接口模块、RS232接口模块进行通信，将接收的数据用TCP/IP协议进行封装后，通过以太网通信模块传输至以太网。

目前无线中继器与路由器产品丰富、价格低、体积小，因此没有必要在协议转换器中嵌入无线传输模块。这里选用符合IEEE802.11g标准的TPLINK54M域展无线路由器，在网络传输性能上能符合高速以太网标准[5]。协议转换器与无线路由器通过以太网双绞线互联，数据通过无线传输协议加密、封装，能安全可靠地传输至目的服务器。

1.2 软件设计

协议转换器软件在Linux2.6系统下利用C++语言进行开发。开发的程序经编译后写入EPROM中作为固件开机自动运行。软件流程图如图2所示。

图2 软件设计流程图Fig.2 Flow chart of the software design

软件首先进行硬件设备初始化，之后建立两个线程，分别是1553B—以太网协议转换线程以及串口—以太网协议转换线程。具体如下：

1）状态初始化。1553B模块作为外部设备必须进行初始化，1553B模块初始化是对BU—61580芯片内部各寄存器进行配置，使其工作在指定模式下，同时对芯片RAM区（包括消息描述堆栈区以及消息块存储区）进行初始化。串口初始化主要是工作方式以及波特率的设置。

2）1553B—以太网协议转换。首先建立Socket套接字，指定数据传输的目的IP地址与端口；利用中断的方式读取BU—61580芯片RAM区的数据并存入系统缓存；读取系统缓存的1553B数据帧进行解析并存入缓存；由于S3C6410处理器支持以太网TCP/IP协议和MAC协议，因此将解析的缓存数据进行相应的封包工作即可传送至RTL8019AS以太网卡控制器；RTL8019AS芯片用于完成数据包物理层封装并将其转发至以太网。

3）串口—以太网协议转换。与1553B—以太网协议转换类似，主要也分套接字的建立、数据的读取与解析、以太网协议封装以及数据包转发。

2 系统性能测试

2.1 数据采集测试服务端设计

数据采集测试服务端硬件采用带有无线网卡的高性能便携式工控机，软件采用C#语言在微软的Visual Studio 2010集成开发环境下开发。软件流程图如图3所示。

图3 数据采集测试软件流程图Fig.3 Flow chart of the data acquisition test software

数据采集测试系统网络设置包括服务端、无线路由器以及协议转换器（客户端）IP地址设置，无线路由器的安全加密算法选择（如WPA2—PSK加密算法）以及加密口令设置，服务端无线网卡解密算法选择以及解密口令设置。一般设好后不用再重复设置。网络连通性检查利用ICMP协议进行，检查网络是否连通。

采集后的数据存储在数据库中以便于管理、查询等，这里选用成熟的SQL Server2005数据库管理系统。软件利用ADO.NET技术操作数据库，包括数据库的建立、打开、数据写入、数据修改以及数据库关闭等。

程序利用建立的Socket套接字侦听指定的本机端口，如果有发往本机该端口的IP数据包则接收并存入缓存。无线路由器转发的数据是由无线传输协议加密封装的，解密以及协议解析由本机无线网卡自动完成。

数据分类按数据来源进行，根据数据源IP地址的不同进行分类，同一源IP地址的数据存入相同的数据记录表。

2.2 性能测试

考虑到实际应用场景中数据采集点分散的情况，需要用到多个协议转换器（一般不超过10个）。在实验室环境下布置多个协议转换器节点连接数据发送端，开机后由发送端发送数据，数据经过无线路由器传输至服务端，服务端是采用高性能的工控机，安装的数据采集与存储软件实时监听并采集数据，同时利用HP公司的LoadRunner[6]工具进行性能测试。测试场景设计：10个协议转换器连接发送端并全部开机准备好，每15秒增加一个节点发送数据，直至增加到10个节点并发，持续5分钟后每15秒减少一个节点。系统性能测试结果如图4与图5所示。

图4 场景设计与系统响应时间Fig.4 Diagrams of test scenario design and system response time

图5 网络吞吐量与CPU使用率Fig.5 Diagrams of network throughput and CPU usage

随着节点的增加，系统响应时间以及网络吞吐率也响应缓慢增加。10个节点并发期间，系统系统响应时间以及网络吞吐率达到最大值，并在一定范围内来回波动。之后随着节点减少，系统响应时间以及网络吞吐率也响应缓慢减少。整个过程平均系统系统响应时间3.7 s，平均网络吞吐率1.5 MByte。10个节点并发期间，平均系统系统响应时间4.5 s，最大值6.1 s，没有出现系统响应过慢或无法响应的情况，系统稳定性与处理能力较强；平均网络吞吐率1.8 MByte，最大值2.3 MByte，满足54 M带宽的网络环境要求。系统CPU使用率在整个过程比较均衡，平均CPU使用率33%，体现了系统良好的处理能力和高可扩展性。

3 结束语

针对目前舰艇通用数据采集需要，设计了一种基于DSP的协议转换器。通过在实验室环境下组建数据采集测试系统进行性能测试，证明该协议转换器能满足现阶段舰艇多接口数据采集的需要，新研或改进的基于该协议转换器的数据采集系统可实现舰艇通用的数据采集。

[1]王华涛.多总线数据记录系统的设计与实现[J].信息化研究，2010，36（1）:51-53.WANG Hua-tao.Design and implementation of multiple bus data logging system[J].Informatization Research，2010，36（1）:51-53.

[2]刘大东.国外海军舰艇作战系统现状及发展[J].国防技术基础，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.

[3]蒋国峰，白红.1553B总线监控器的设计与实现[J].电子设计工程，2011（17）:98-100，104.JIANG Guo-feng，BAI Hong.Design and implementation of bus monitor for 1553B bus[J].Electronic Design Engineering，2011（17）:98-100，104.

[4]蔡勇，吕云飞，黄牛.潜艇新型作战系统发展构想[J].船电技术，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.

[5]陈敏，韦岗.IEEE802.11无线局域网OPNET建模与性能测试[J].计算机工程，2004（21）:14-16.CHEN Min，WEI Gang.OPNET IEEE 802.11 WLAN modeling and performance testing[J].Computer Engineering，2004（21）:14-16.

[6]陈霁.性能测试进阶指南—LoadRunner11实战[M].北京:电子工业出版社，2012.