远程网络海量信息通信系统设计

2018-08-08肖隽

电子设计工程 2018年14期

肖隽

（宝鸡文理学院教育学院，陕西宝鸡721013）

在通信系统设计过程中，一个数据端到另一个数据端的远程数据通信是十分重要的。人们之间的交流方式会随着信息技术的不断进步而发生改变，网络逐渐成为人们的重要通讯方式[1]。通过网络不但可以传输数据，还可进行信息通信，既适用于家庭，又适应于企业，不但增进了人们之间的感情，还可使企业进行远距离的会议交流[2]。目前，针对远程网络海量信息的采集已经成为了工业系统的重要组成部分，在传统系统中由可编程逻辑控制器（PLC）完成海量信息的采集与处理，经过处理后的数据全部汇总到主机，进行综合处理，并通过上位机与下位机之间的RS485通讯接口协议来完成海量信息的通信[3]。该系统仅仅适用于距离相对较近的信息之间的通信，无法满足远程信息通信要求。为了解决该问题，通常利用电话线进行海量信息的通信是十分简单和方便的，采用调制解调器（Modem）与电话线连接，可实现简单实用的远程网络海量信息通信。

1 Modem通信原理

根据现有电话网络通信方式结合Modem可实现远程网络海量信息通信[4]。电话网络传输模拟的传输信号，计算机与单片机的信息处理也将全部转换为数字信号，因此在进行信息传输时，需先进行调制，将数字信号转换为模拟信号，并在接收端安装解调器，将模拟信号还原成数字信号，避免传输过程中受到其它信号干扰的影响[5]。

2 信息通信系统设计

根据Modem通信原理，使用PB数据库前端开发工具和串口通信功能编译实现海量信息的串行通信[6]。在系统设计中需充分体现面向对象的数据接收与发送，显示独立的模块，通过模块间定义的接口，实现通信系统硬件与软件部分的设计，通信系统结构框图设计如图1所示。

图1 通信系统结构框图

由图1可知：Modem通信通信采用标准协议（ZModem）作为数据通信协议，利用PSTN即为Public Switched Telephone Network旧式电话系统实现控制主机和数据黑匣子之间的海量信息通信的可靠性[7]。

2.1 系统硬件设计

根据上述系统总体框架设计对通信系统的硬件结构展开分析。

2.1.1 单片机设计

选择MSP430F149型号的单片机作为系统硬件的微控制单元，采用嵌入式调制解调器Modem作为单片机的微控制器，能够实现基于16位Reduced Instruction Set Computer指令集计算机内核镶嵌功能[8]。单片机结构设计如图2所示。

图2 单片机结构设计

从图2中可看出，单片机通过串口UARTO与Modem通信，PC主机通过串口UARTI与单片机通信。通常电源部分的单片机系统可提供稳定的电压，一般为3V和5V，其中3V电压为正常工作电压，5V为调制解调器（Modem）的工作电压[9]。复位电路为单片机提供稳定传输信号，当工作电压出现异常现象时，利用复位电路实现单片机系统的复位，预防其他信号的干扰，保证系统的稳定运行[10]。

2.1.2 复位电路设计

Modem通信采用3V电源供电，充分考虑系统要求，采用TI公司生产的TPS76038芯片实现电源部分的设计[11-15]。单片机系统的复位电路通常采用R-C复位电路，能够实现成本低、使用方便的复位电路设计，具体设计结构如图3所示。

图3 复位电路

由图3可知：当S1复位键按下时：重置连接开关经过电阻连接到VCC，获取分压，形成较高的电平，进入“复位状态”；当S2复位键按下时：重置连接开关经过电阻连接到大地，电流值为0，形成较低的电平，开始正常工作。

针对系统硬件部分的设计，选择MSP430F149型号的单片机作为系统硬件的微控制单元，根据单片机结构框图，设计R-C复位电路，具有成本低、使用方便的优势。

2.2 系统软件设计

2.2.1 AT指令设定

AT指令主要是应用于终端设备与PC应用之间的连接与通信的指令。系统通信状态分为命令状态和在线状态两种，其中命令工作状态指的是在接收端接收来自AT的指令；而在线工作状态指的是在工作过程中接收来自AT的指令。当指令下达时，调制解调器（Modem）可自动判断设备的通信效率，确定指令的格式和特性。

在通信系统设计过程中，常用的通信指令有：

①摘机应答，系统直接进入应答状态，指令为ATA；

②呼叫指令直接拨号，选择语音拨号模式，指令为ATDT；

③挂机回复，指令为：+++ATH。

针对系统通信指令的结束都是以Enter即回车结尾的，当调制解调器连接后直接下达在线工作指令，即进入在线工作模式，此时的调制解调器不再出现AT指令，直接由设备终端发送来的数据经过调制发送出去。

2.2.2 单片机主程序流程设计

单片机主程序流程设计如图4所示。

图4 单片机主程序流程设计

由图4可知：单片机主程序经过复位初始化处理，设置好基本环境参数，进行初始化处理，使系统处于自动回复状态，随时与上位机进行通信。根据需要选择合适的数据存储在存储芯片中备用，当上位机需要数据时，由下位机提供。

针对系统软件部分的设计，是对硬件结构中与下位机相连的单片机软件功能展开分析。根据AT指令可自动判断设备的通信效率，确定指令的格式和特性。以此为基础对调制解调器进行初始化处理，根据该处理结果对单片机主程序流程进行设计。

2.3 通信系统设计的实现

当上位机发送的载波信号是一串代码，即为ATDT0001******，那么这一串代码就是信息交换标准代码。将代码代入主程序中，形成具有属性的数据，将这些数据全部发送完成后，再添加+++序列，促使调制解调器可从在线工作状态编程命令执行的工作状态，经过时延后，发送ATH0指令即为系统挂机，说明一次信息通信结束。

系统通信主要流程为：下位机传送载波信号，上位机实时接收，当预定铃音响动后，系统自动摘机，直接与上位机进行载波相连。如果双方都在固定时间内没有检测到载波信号，那么双方直接显示为NO CARRIER即没有信号的结果码；反之，如果双方都在固定时间内检测到载波信号，那么双方直接显示为CARRIER即有信号的结果码，由此说明上位机与下位机载波连接成功，可实现系统的实时通信。

3 验证分析

为了验证采用调制解调器（Modem）的远程网络海量信息通信系统设计的合理性进行了如下实验。本次实验选择在Matlab平台上进行，并只使用一台电脑，安装双端口的万兆位以太网控制器，允许局域网共享。分别对系统硬件与软件进行实验验证分析，并对结果进行总结。

1）硬件结构验证结果与分析

针对系统硬件结构的设计，选择MSP430F149型号的单片机作为系统硬件的微控制单元，16位Reduced Instruction Set Computer指令集作为计算机内核镶嵌功能，根据单片机结构框图，设计R-C复位电路，当工作电压出现异常现象时，利用复位电路实现单片机系统的复位，预防其他信号的干扰，保证系统的稳定运行。为了验证该点，将传统通信系统与采用调制解调器（Modem）的通信系统进行对比，结果如图5所示。

由图5可知：当系统没有被其他干扰信号影响前，两个系统通信能力达到了最佳；当干扰信号强度增加到100 Hz时，传统系统通信能力下降到了70%，而基于Modem的系统通信能力下降到了80%；当干扰信号强度增加到400 Hz时，传统系统通信能力下降到了最低点，即为42%，而基于Modem的系统通信能力始终在80%上下波动。

根据硬件结构验证结果可知：基于Modem的系统设计R-C复位电路，可实现单片机系统的复位，并预防了其他信号的干扰，使系统通信能力较强。

2）软件功能验证结果与分析

针对系统软件部分的设计，需根据AT指令来实现。根据该指令可判断指令的格式和特性，并对Modem进行初始化处理，可实现系统的高性能通信。为了验证该点，将传统通信系统的上、下位机下达指令与采用调制解调器（Modem）的通信系统的上、下位机下达指令进行对比，结果如下所示。

①上位机下达指令验证

针对上位机下达的指令，如果SOC_ALE为高电平下的指令，对海量具有离散型的信为了验证采用调制解调器（Modem）的通信系统能够准确下达指令，将传统通信系统与该系统进行对比，结果如图6所示。

图6 不同系统上位机下达指令验证对比结果

由图6可知：传统通信系统受到外界信号干扰情况下，上位机下发指令结果为：0*0246，0*8ace，0*8973，而采用调制解调器（Modem）的通信系统受到外界信号干扰情况下，上位机下发指令结果为：0*0123，0*4567，0*89ab。

根据对上位机下达指令验证结果可知，采用调制解调器（Modem）的通信系统与标准值一致。

②下位机下达指令验证

如果SOC_ALE为高电平下的指令，对海量具有离散型的信息进行通信。其中SOC_ADR2为离散信息的原始地址，信息源Block0至Block3的值依次对应下达指令中的 0-0*1fff、0*2fff-0*3fff、0*4fff-0*5fff、0*6fff-0*7fff。将离散信息封存后，受到外界信号干扰下的数据标准值，依次对应下达指令中的0*0123，0*4567，0*89ab，0*cdef。为了验证采用调制解调器（Modem）的通信系统能够准确下达指令，将传统通信系统与该系统进行对比，结果如图7所示。