可重构传感器系统相关技术综述

2023-11-06刘明政张盛煜张会兵

电脑知识与技术 2023年27期

刘明政,张盛煜,张会兵

（1.军事科学院系统工程研究院,后勤科学与技术研究所，北京 100071；2.桂林电子科技大学,计算机与信息安全学院，广西桂林 541004）

0 引言

进入新世纪之后，随着物联网、大数据、人工智能相关新兴信息技术的快速发展及物联网理论依据的涌现，各个国家都更加重视灾难环境的提前预测和智能预警。现代科技条件下，在各种意外因素下，频频发生的灾难更对灾难地点的环境参数探测、搜集提出了更高要求：环境参数传感器系统要能够快速适配环境探测需求，面向复杂环境感知的传感器系统可重构技术为实现该目标提供了技术支撑。

面向复杂环境感知的传感器系统可重构技术涉及相应的分层模型、传感器动态加载、传感器优化配置、接口协议转换等关键技术。对这些关键技术发展现状的分析有助于理清技术发展脉络、探究未来的演进方向。

1 层次模型和体系架构研究现状

21世纪初期，各个国家从不同的角度对快速响应空间及技术进行了初步探索。其中，最为典型的就是美国于2003 年提出的联合作战响应空间（Operationally Responsive Space，简称ORS）概念，其目的在于通过低成本、高灵活性以及快速响应的特性实现在全球范围内通过空间信息系统向战区指挥人员提供实时战场势态感知能力。

美国基于ORS 体系框架前后共发射了7 枚用于军事任务的人造卫星，如表1所示。后来，为了解决人造卫星传感器快速部署的问题，在ORS体系框架的基础上提出了空间即插即用架构（Space Plug-and-Play Architecture，SPA）[1]，SPA是一套自适应即插即用技术的接口驱动标准，其目的是快速发展航天器总线和有效传感器接口。SPA 主要是从软件层面对接口驱动进行统一规划，以消息形式实现数据传递。

表1 美国“ORS”计划

虽然美国在PnP技术方面研究最早，各项技术都趋于成熟，但是其具有一定的局限性，工作重心往往在于航空航天这种高成本，高耦合技术应用上，导致其PnP技术分离出来往往不具备通用性，对于像地面环境状态参数感知、矿井环境状态参数探测等动态多变环境下传感器即插即用技术还需要进一步改造才能满足其SPA标准需求。

2 传感器动态加载技术现状

2.1 传感器动态识别技术

以PC 机识别USB 类型设备为例，PC 机操作系统主要以枚举法来识别接入设备，即让HOST 识别USB设备，并为其准备相应资源来建立主机与设备之间的数据传递机制。

陆军工程大学的王法臻等人[2]在Linux 操作系统上基于PCIe 设计了一种针对可重构仪器的设备识别方法，该团队通过操作系统重启后会自动检测总线上挂载的所有设备，并将设备的硬件信息存储在操作系统的pci_dev 的结构体中的特性，分析了PCIe 设备驱动在Linux 中的加载技术，设计并实现了PCIe 硬件设备的主动识别，通过pxie_probe 函数完成硬件设备的I/O 硬件资源申请、基址寄存器获取以及中断函数初始化等相关配置，最终实现了传感器数据通过DMA协议进行主从设备的传输。

基于PCIe 的可重构仪器设备驱动程序开发在传感器自动识别技术上具有较好的参考意义。

2.2 传感器驱动动态加载技术

北京交通大学的翟高寿团队在通过分析驱动程序内核差异，在这些差异的基础上，总结归纳了Linux设备驱动中内核接口的各种变化规律，提出了一种Linux设备驱动程序自动更新的方法[3]。

沈阳工业大学的宗伟团队通过修改传统WinCE操作系统中驱动程序的加载流程，实现了WinCE驱动程序的动态加载及卸载。该研究团队以流接口驱动程序为介质，通过该团队修改的PlatformBuilder 调用相关函数实现动态加载设备驱动程序[4]。

以上驱动加载技术在一定程度实现了驱动的动态加载。第一种利用分析差异的方法来动态加载设备驱动程序的技术仅适用于功能差异大、通讯协议相异情况下的传感器。而第二种实现驱动动态加载是建立在WinCE 操作系统上，与Linux 操作系统下的驱动加载过程存在较大差异，而且该方法仅仅用于简单驱动程序的改造，一旦涉及到其他形式的驱动程序可能造成驱动程序动态加载库的调用失败或冲突。

3 传感器优化配置策略研究现状

3.1 传感器接口优化技术

华南理工大学的闵华清团队以MiniROS 构件模型为基础，设计了一种构件接口自适配算法以及对应的软件基础设施。该团队通过标记的方法对设备接口功能进行描述，解决了设备语法冲突的问题。在描述上，为设备接口定义了两种语义：静态语义和动态语义。通过这两种语义提供了设备接口的互连性分析。然后通过MiniROS构件模型计算出主从设备的关系，接着MiniROS构件模型基于设备信息，定义了一套简单完善的接口描述语言，其本质是通过MiniROS 构件的自动适配特点，将构件做成一个用于处理消息管道的适配器，通过本体匹配获取异构数据的转换关系来完成异构数据的转换。

通过这种优化语义与结构的方式把匹配问题转化为接口优化问题，在特定情况下可显著提高异构数据接入效率以及设备运行稳定性，但是其接口匹配具有不可重复性，目标设备接入系统后，无法实现热插拔效果。因此，其接口优化部分具有参考价值，但是具体实现时还存在诸多约束。

1)传感器接口适配技术

电子测试技术国家重点实验室的赵慧团队设计了一种基于PCI接口的即插即用、性能稳定、简单可靠的CAN适配卡[5]。该方案利用PCI9052芯片（PCI专用接口芯片）和SJA1000芯片（CAN总线控制器芯片）设计了CAN适配卡电路并设计了一套设备驱动程序，并基于FPGA 实现了RS-422、CAN 以及AFD-X 协议间的通信。

该方法以FPGA 为核心、PCI 接口为媒介，实现了对RS422、CAN以及AFDX三种常见协议的适配，从物理接口、电气接口以及协议接口的角度满足了信号转换处理的要求，一定程度上实现了多总线接口适配单元的设计。但由于FPGA 的物理特性，更换不同协议接口的传感器时需要重新分配其总线结构以及硬件资源，在虚拟链路调度、宽带分配以及延迟问题上有待进一步解决。除此之外，其CAN总线控制器虽然可以完成正常的收发数据的功能，但是其错误检测、故障界定以及仲裁机制还不够完善，稳定性也有待加强。

2)传感器接口拓展技术

限于设备体积、芯片资源等约束，传感器往往缺乏足够的硬件接口，这在一定程度上限制了设备与物理世界的信息交互能力。FT311D 接口芯片提供了USB转外部UART、GPIO、PWM、I2C、SPI等硬件接口，可以有效解决设备硬件接口的扩展难题。基于FT311D 的USB 转外部接口方案硬件设计简单、软件开发方便，可广泛应用于物联网、无人系统设备等。另外，也可以利用RS485 通信接口进行Profibus 网络拓展。虽然FT311D 接口芯片扩展性高，但是在适配的协议类型上依旧不够全面，譬如广泛普及的USB协议、TCPIP协议以及RS485协议依旧没有得到很好的适配。

而对于比较常见的笔记本接口扩展方案，通常基于USBPD 控制器下的多接口扩展。其功能大都是将USBPD 接口扩展为USBHUB 接口、HDMI 接口、VGA接口以及网口接口。其原理也是基于不同接口处理芯片完成，因此大部分接口扩展方案存在一个普遍问题：随着接口扩展的种类增加，其所需要的外围电路就越复杂，且成本也相应增加。

4 传感器接口协议转换技术现状

为了实现对复杂、多变的环境状态参数的精确感知，各种接口协议（如RS232、RS485、SPI、I2C、自定义的非标协议等）的探测设备都可能动态接入到感知系统中。为简化上层业务处理或用户操作，需要对不同的协议进行转换。通常有三种基本的转换技术：不同探测设备协议之间的相互转换、将各种协议转换为某一特定协议以及基于配置文件的协议转换。

异构数据相互转换：为支持目前常见的通用数据传输协议，实现不同系统之间的互联互通，基于嵌入式系统设计简易的协议转换设备是通常的做法。即作为发送方的计算机分系统将数据发送出去以后，先到达协议转换设备的接收协议转换单元，然后数据送达数据转换单元。经过数据转换单元处理，将需要交互的数据本身和目标计算机系统信息分离出来，去除协议的冗余部分，然后将数据下发给发送转换单元。通过发送协议转换单元，对数据进行重新处理，转换为作为接收方的计算机系统所支持的通信协议，然后发送给作为接收方的计算机系统。发送协议转换单元和接收协议转换单元分别配合进行数据传输，实现了各类传感器的数据发送和接收功能。不同的计算机子系统可以随时从协议转换设备上挂载或者卸载而不对协议转换设备和其他计算机子系统产生影响，实现系统间协议转换的功能。

异构数据统一化：这种方案往往基于嵌入式中间件的协议转换技术，围绕特定的一种通信协议设计嵌入式协议转换单元。在该协议转换单元中，往往集成了多种协议向某一特定的通信协议进行转换，实现了多种协议之间的同一转换，并且还可在协议转换单元中引入了模糊控制算法来优化协议转换单元中的缓冲区队列，从而提高协议转换过程中的效率，更好的适应嵌入式协议转换单元在工业控制中的要求。

5 传感器感知数据解析与标准化转换技术现状

不同种类的传感器有着相互各异的协议，相同协议的传感器有时其协议帧格式也会有差异。为了准确得到感知数据，就需要对这些传感系统协议进行相应的感知数据解析。另外，在多种类、多协议、多接口传感器数据解析环境下，将各个传感器数据进行标准化转换就显得尤为重要：将感知数据转换为统一的、标准的格式，不仅有利于后续数据处理，还可以大大减少程序冗余，提高程序运行效率。

南京邮电大学葛丹研究团队设计了一种可配置通信协议的基础物联网传感器数据处理平台，通过该平台可以与设备终端直接通信而无须通过数据库。该团队将物联网传感器数据处理平台按照功能划分为：Web 管理平台和数据通信服务平台两部分，其中Web管理平台主要负责通信协议配置的功能，数据通信服务平台主要负责基于定制协议的数据通信功能[6]。团队根据其需求，利用高性能异步通信MINA服务器构建数据通信系统，并为设备终端提供HTTP 协议传输数据支持。

这种基于Web 端的管理平台，通过HTTP 协议来解析数据并将其标准化转换的方法验证了在多传感器、大并发量情况下的可行性，具有很好的参考意义。但不足的是，该方案仅仅考虑了温湿度等结构简单、数据类型单一的情况，对于复杂度高、数据类型多样的情况，还有待改善。除此之外，以HTTP协议进行数据的标准化在嵌入式物联网系统中还存在一定的局限性，可以考虑将其替换为以MQTT 为主的通用性更强的协议转换类型。