基于串口服务器的调制解调器监控单元设计

徐加瑞，赵清坤，张竞博

(1.中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431；2.68252部队，宁夏 吴忠 751100)

基于串口服务器的调制解调器监控单元设计

徐加瑞1，赵清坤2，张竞博1

(1.中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431；2.68252部队，宁夏 吴忠 751100)

摘要针对船载卫通站配置的1∶1调制解调器及其倒换开关存在的缺乏统一监控功能，人机交互界面不友好，操作使用不便等问题，提出了一种基于串口服务器的调制解调器监控单元设计方案。该监控单元在不改变现有设备间连接关系前提下，采用单片机作为控制器，以触控屏作为人机交互的主要手段，优化操作菜单结构。测试结果表明，方案设计正确，提高了操作设备的便捷性，较好地解决了现有设备存在问题。

关键词调制解调器；串口服务器；单片机；监控单元

调制解调器为全双工卫星通信设备，将输入的数字信号经过成帧处理、信道编码和中频调制后输出中频调制信号，再将下变频器输出的中频信号经过中频解调、信道译码以及解帧处理后输出发端的数字信息[1]，其具有丰富的数据接口，在船舶上其连接着IP高速复分接器、上/下变频器等设备，起着承上启下的作用，为卫星通信链路中的核心设备[2]，因此建立实现对调制解调器监视控制系统具有作用。本文提出了一种基于串口服务器的调制解调器监控单元设计，实现对1∶1调制解调器全面的监视控制功能。

1调制解调器现状分析

船舶为了提高卫星通信的可靠性，调制解调器采用1∶1热备份。为解决主备机切换问题，一般会另加一台倒换开关。但目前1∶1调制解调器分机存在以下不足：(1)统一监控功能匮乏。倒换开关依靠两个指示灯显示在线状态，实现部分参数的同步，查看工作状态/告警信息或者设置参数需分别在两台调制解调器上操作；(2)人机界面不友好。图1(a)显示了调制解调器操作主界面，显示屏仅能显示两行信息，图1(b)图显示了调制解调器菜单树形结构图，菜单层次多，不够扁平化，主次区分不明显，将常用与较少使用甚至不使用的选项放置在一起；(3)倒换开关不具备IP接口，当分机连接IP高速复分接器时，用户需要另添置网络设备。

图1　调制解调器菜单示意图

2设计方案

船舶通过站监控实现了对多套卫通站信道设备的集中监控，站监控利用串口完成与被监控设备的通讯，因此调制解调器的远控端口不能直接应用于监控单元。基于上述因素，遵循不改变已有连接关系的原则，方案采用站监控配置的串口服务器[3]和网络交换机实现监控单元与调制解调器的通讯。

监控单元在卫通站中的位置关系如图2所示。串口服务器将调制解调器方便快捷地接入以太网，支持串口和以太网口的双向数据传输。为了实现监控单元与调制解调器通讯，调制解调器所对应串口服务器端口的目的IP地址应包括监控单元IP地址。

图2　调制解调器监控单元在卫通站的位置关系

监控单元与调制解调器间的通讯分为主动发送和被动接受。采用单片机(MCU)[4-5]完成此项工作。工作原理：MCU主动定时查询两台调制解调器的状态参数，将接受数据实时显示在前面板上；监控单元等待用户操作指令，MCU完成指令解析，发送给调制解调器执行；MCU接受调制解调器的主动上报信息，并存储，在前面板显示。MCU主要功能包括：A/D转换，数据采集存储以及与调制解调解调器通讯。

3监控单元的硬件设计

监控单元的硬件设计及内外部连接关系如图3所示。监控单元由电源、单片机、倒换同步开关、触控屏和HUB等5部分组成。电源模块主要给单片机及HUB供电，前面板触控屏由单片机负责驱动，倒换同步开关由两台调制解调器2条控制线馈电。单片机是整个监控单元的核心，完成与调制解调器的通讯，执行用户操作指令，具备网口和串口两种接口。倒换同步开关[6]是与调制解调器完全适配的原厂配件，完成两台调制解调器1：1冗余热备份及主备机的切换，执行收发中频信号汇集与分发及部分状态参数的同步。触控屏为监控单元的人机交互部分，提供易于操作的界面，显示调制解调器状态信息，接受用户操作指令，并传输给单片机执行。HUB完成主备调制解调器与IP高速复分接器的IP数据传输。

监控单元与调制解调器的通讯有两种工作模式：网口通信和串口通信。正常情况下，采用网口实现对调制解调器的监控，当网络无法使用时，会自动切换到串口通信模式。如图3加粗虚线连接所示。

图3　调制解调器监控单元硬件组成框图

4软件设计

4.1通讯协议

调制解调器远控端口通过串口服务器映射为监控单元虚拟串口[7]，它们应用层通讯仍需定义之间的串口通讯协议，传送数据按此协议组帧，帧结构如表1所示。例如<0001/TFQ=0950.0000{CR}，可以解析为将地址为0001的调制解调器的发频率设置为950 MHz。

表1　监控单元与调制解调器通讯数据帧结构

4.2软件设计

监控单元软件主要包括设备监视和控制两大功能。单片机软件设计流程如图4所示。通过Keil C[8]软件编程实现，主要控制单片机进行数据采集，模数转换以及数据通信。具体是指定时向调制解调器发送查询命令，等待查询响应，完成数据分析，存储告警信息，利用新数据刷新显示屏界面及指示灯状态；解析用户在触控屏上的操作设置，转化为控制命令(遵循表1协议)发送给调制解调器执行，等待控制响应，完成数据分析，存储告警信息，实时更新显示屏数据及指示灯状态。以此完成监视控制任务。单片机软件实现了两台1∶1热备份调制解调器数据的完全同步，当参数设置完成，点击确认键执行时系统会弹出对话框询问是否执行同步操作。监控单元上电后，对各模块进行初始化，包括定时器、开门狗、A/D模块、串口模块、网口模块和触控屏。

图4　单片机软件设计流程

针对调制解调器操作菜单层次多、不够扁平化的问题，监控单元软件依据调制解调器现有菜单，利用大尺寸显示屏的优势做了优化。优化后，菜单分为常用(General)、设置(Config)、测试(Test)、状态(Status)以及用户(User)5大类，如图5所示。

图5　监控单元前面板示意图

软件将常用的菜单选项：主备机切换，调制解调方式，收发频率、电平值、时钟、数据速率、编码方式，数据接口，远控模式，告警信息，收电平，Eb/N0，IP配置等归类在常用菜单里，在任务实战中，用户只需在常用选项里操作即可完成调制解调器的参数配置。设置菜单包括调制、解调两类参数配置。测试菜单与原有菜单保持一致，包括正常、单载波、发送1010交替序列、中频环回、数字环回以及I/O接口环回6种模式。状态菜单包括调制、解调、接口状态。用户菜单主要进行一些个性化设置。

5测试验证

测试验证过程中调制解调的主要参数设置如表2所示。验证从以下两方面进行：一是正确性，包括监控单元向调制解调器发送参数后调制解调器的执行情况及调制解调器上报设备状态参数时监控单元的响应情况；二是应用监控单元前后操作设备的便捷性，主要针对设备操作时间进行比较。

表2　调制解调器主要参数设置

结果显示：(1)方案设计完全正确。调制解调器能够执行监控单元发送的命令，监控单元解决了1∶1调制解调器部分IP参数无法同步的问题，另外监控单元存储及实时显示调制解调器上报状态参数，比如开机后调制解调器失锁及设备配置完成后锁定情况；(2)设备操作便捷性得到提升。如图6所示，设备操作时间缩短近一倍。此外，人机交互体验提升明显。

图6　监控单元应用前后操作时长对比

总体而言，NLDD离子注入能量和剂量对导通电阻值和品质因数的影响均为线性，电阻值的变化趋势和电容相反，品质因数的变化趋势和电阻基本一致。但是在设计器件时，除了考虑导通电阻和关断电容，文中还需综合考虑其他因素。如本次实验中若想得到较低的品质因数，则要求砷注入剂量增大，硼注入剂量减小，但这么做会引出一个矛盾因素，即击穿电压也会随之降低，且会远低于设计值。这是个相互矛盾的条件，所以设计器件时需在品质因数与击穿电压之间寻找一个平衡点。权衡利弊后，本实验最终选取有较高BV值的第4片晶圆作为最佳条件，也为射频开关器件的生产工艺提供了一定的依据和基础。

3结束语

基于0.13 μm绝缘体上硅CMOS[9]工艺，证实了热退火温度通过影响NLDD的扩散过程影响导通电阻值和关断电容值。进一步实验发现，轻掺杂注入过程砷和硼的注入剂量为主要影响因素，且导通电阻值和关断电容值有着相反的变化趋势，品质因数有着与导通电阻相同的变化趋势。提升品质因数的同时，击穿电压会有所降低，需寻找品质因数和击穿电压的平衡点。

参考文献

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Design of the Modem Monitor Unit Based on the Serial Server

XU Jiarui1，ZHAO Qingkun2，ZHANG Jingbo1

(1.China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China;2.Unit 68252, PLA，Wuzhong 751102，China)

AbstractFor the problems about lack of unified monitor feature, unfriendly man-machine interface and inconvenient operation of the modem monitor unit of ship-borne satellite communication station, a design scheme of the modem monitor unit based on serial device server is put forward. On the premise of not changing existing connections between devices, the monitor unit adopts MCU as a controller and the touch panel as the main means of human-computer interaction, optimizes the structure of the operation menu. The test results show that the scheme is correct and the convenience of operation is improved, which preferably solves the problems of existing equipment.

Keywordsmodem；serial server；MCU；monitor unit

收稿日期:2015-09-28

作者简介:徐加瑞(1984-)，男，工程师。研究方向：卫星通信。张竞博(1984-)，男，工程师。研究方向：卫星通信。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.038

中图分类号TN763

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)06-132-04