基于并行多串口的潛艇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭 健，王黎明，張永峰

(中國人民解放軍91388部隊(duì)，湛江 524022)

1 引言

國外主流潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)皆采用分布式體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了從傳感器探測至指揮決策到武器發(fā)控的功能流程，并向綜合化、智能化、開放式、軟件化、網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展［1］。我國潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)目前還處于集中式發(fā)展階段，盡管各分系統(tǒng)在地理和形式上是分散的，但是從目標(biāo)探測、信息搜集、數(shù)據(jù)處理乃至指令發(fā)送等方面，其傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)還是樹狀結(jié)構(gòu)，沒有形成完整的封閉系統(tǒng)［2］。因此，數(shù)據(jù)采集不可能像分布式網(wǎng)絡(luò)一樣接入交換機(jī)即可，只能采取點(diǎn)對點(diǎn)的方式進(jìn)行。盡管部分主戰(zhàn)潛艇更換了新型設(shè)備(如指控設(shè)備等)，但各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸接口受限于設(shè)計(jì)布局而無法更改，部分仍然采用串口作為主要的傳輸接口。對潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)各個通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主要包括聲納、導(dǎo)航、以及指控系統(tǒng)與各分系統(tǒng)的交互信息，不可避免造成數(shù)據(jù)采集點(diǎn)較多的問題，傳統(tǒng)的方法是對每個數(shù)據(jù)通道配備一臺數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)。這里設(shè)計(jì)了一種基于并行多串口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可在一臺數(shù)據(jù)采集機(jī)上同時采集潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)多個通道的信息，解決了由于潛艇空間狹小而造成數(shù)據(jù)采集設(shè)備的安放問題，同時可節(jié)約設(shè)備購置成本。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用成熟的MOXA公司的UPort1400系列協(xié)議轉(zhuǎn)換器(以下簡稱MOXA協(xié)議轉(zhuǎn)換器)，它以異步串行通信方式工作，可以同時將4路RS232/RS422/RS485串口信息轉(zhuǎn)換為USB接口信息。各數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的三通線纜制作根據(jù)航空插座相關(guān)芯線定義進(jìn)行，接入MOXA協(xié)議轉(zhuǎn)換器端的接口采用9針串口，嚴(yán)格按照協(xié)議轉(zhuǎn)換器芯線定義進(jìn)行焊接制作。

針對潛艇數(shù)據(jù)采集的實(shí)際情況，采集點(diǎn)主要分布在指揮艙以及武器發(fā)控艙，2個艙室分別配置1臺加固筆記本作為數(shù)據(jù)采集機(jī)，前端配備多個MOXA協(xié)議轉(zhuǎn)換器連接各采集點(diǎn)，協(xié)議轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)采集機(jī)用USB線纜連接。具體系統(tǒng)組成見圖3系統(tǒng)測試部署圖中的系統(tǒng)主體部分。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在32位Windows系統(tǒng)中，多任務(wù)是指系統(tǒng)可以同時運(yùn)行多個進(jìn)程，每個進(jìn)程也可以同時執(zhí)行多個線程，系統(tǒng)不停的在多個線程之間切換。由于時間很短，看上去多個線程在同時運(yùn)行。每個進(jìn)程都有一個主線程，線程是并行執(zhí)行的，可以把線程看作是操作系統(tǒng)分配CPU時間的基本實(shí)體，系統(tǒng)不停的在各個線程之間切換。系統(tǒng)為每一個線程分配一個CPU時間段，某個線程只有在分配的CPU時間段內(nèi)才擁有對CPU的控制權(quán)［3］。

多線程技術(shù)能很好地解決各種邏輯并發(fā)性和物理并行性，改善系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，如吞吐量、計(jì)算速度、響應(yīng)時間等，提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率和資源利用率，同時也大大提升了程序的可讀性和穩(wěn)定性［4］。

本系統(tǒng)在WindowsXP操作系統(tǒng)下，利用多線程技術(shù)在Visual Studio2010平臺上進(jìn)行軟件開發(fā)。軟件流程圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集軟件流程圖

軟件運(yùn)行后需要對連接各采集點(diǎn)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器串口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括波特率、奇偶校驗(yàn)位以及停止位等。設(shè)置完成后打開相應(yīng)串口，利用多線程技術(shù)實(shí)時監(jiān)聽串口，分別對接收到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分離與解析，疊加時標(biāo)后存盤，并在程序監(jiān)控界面實(shí)時顯示解析的數(shù)據(jù)。

程序根據(jù)需要監(jiān)控的串口通道數(shù)建立多個線程，每個線程中包含一個串口對象用于通道數(shù)據(jù)讀取，一個數(shù)據(jù)解析函數(shù)用于源碼解析與存盤。主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:

(1)每個串口對象各擁有一個緩沖區(qū)gPort-Buffer，用于保存從串口獲得的數(shù)據(jù)。CMainFrame::Analyze(int port)從中取出若干字節(jié)數(shù)據(jù)解析，解析后將用于解析的數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)中刪除。

(2)其他全局?jǐn)?shù)據(jù)

Contents:每種數(shù)據(jù)的最新源碼及解析結(jié)果;

int g_nTypeSelected=0;選擇的數(shù)據(jù)類型。

串口類主動監(jiān)視串口，當(dāng)檢測到有數(shù)據(jù)到達(dá)時，將數(shù)據(jù)保存，并發(fā)送WM_COMM_Display消息通知CMainFrame處理(相應(yīng)的函數(shù)為 BOOL CMain-Frame::Analyze(int port))。數(shù)據(jù)解析函數(shù)CMain-Frame::Analyze(int port)的功能流程見圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)解析功能流程

4 系統(tǒng)性能測試

考慮到實(shí)際應(yīng)用場景中數(shù)據(jù)采集點(diǎn)較多的情況，需要用到多個MOXA協(xié)議轉(zhuǎn)換器。根據(jù)實(shí)際需求以及可擴(kuò)展性分析，潛艇各艙室最多同時需采集16個串口通道，因此MOXA協(xié)議轉(zhuǎn)換器需4臺。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下系統(tǒng)測試部署圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)測試部署圖

另外，在測試過程中查看CPU使用率以及數(shù)據(jù)傳輸吞吐量。系統(tǒng)CPU使用率在整個過程中比較均衡，平均 CPU使用率為67%，數(shù)據(jù)吞吐量為8.6Mb/S。在系統(tǒng)采集過程中CPU時間主要用于源碼數(shù)據(jù)解析以及I/O存儲，串口的數(shù)據(jù)吞吐率較低，一般上限為1Mb/S，即使多個串口并發(fā)傳輸也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到USB接口數(shù)據(jù)傳輸率的上限(480Mb/S)，因此，系統(tǒng)仍有較大的可擴(kuò)展性。

5 結(jié) 束 語

虛線框內(nèi)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主體部分，串口數(shù)據(jù)采集機(jī)采用松下CF30加固筆記本(2.4G雙核CPU，4G內(nèi)存)，屬于目前較主流的配置，可以應(yīng)付日常普通的數(shù)據(jù)計(jì)算及處理。虛線框外為數(shù)據(jù)發(fā)送端，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的PC機(jī)，分別與MOXA協(xié)議轉(zhuǎn)換器連接，MOXA協(xié)議轉(zhuǎn)換器有串口—USB雙向轉(zhuǎn)換功能，這里是將USB信息轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)RS422串口信息。分別在每臺PC機(jī)上運(yùn)行4個串口調(diào)試助手進(jìn)程，分別設(shè)置好串口參數(shù)后，同時發(fā)送在潛艇上實(shí)際采集的不同類型的數(shù)據(jù)源碼(共16種)。串口數(shù)據(jù)采集機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)時監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)解析情況，結(jié)束后查看解析存儲后的數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)采集過程中程序互操作響應(yīng)與監(jiān)控顯示正常，沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)較慢或無法響應(yīng)的情況，系統(tǒng)穩(wěn)定性與處理能力較強(qiáng)，解析后的數(shù)據(jù)能正常存儲。

以上介紹了一種基于并行多串口的潛艇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)較好的利用了成熟的MOXA多串口—USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器，用于實(shí)現(xiàn)多串口并行數(shù)據(jù)采集。重點(diǎn)闡述了該系統(tǒng)軟件流程以及主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的系統(tǒng)性能測試，證明該系統(tǒng)穩(wěn)定、處理能力強(qiáng)、系統(tǒng)總體開銷小，滿足目前部分主戰(zhàn)潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的需要，并有較強(qiáng)的系統(tǒng)可擴(kuò)展性。

［1］蔡勇，呂云飛，黃牛.潛艇新型作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展構(gòu)想［J］.船電技術(shù)，2011，31(2):1 －6.

［2］郭傳福，夏惠誠.分布式作戰(zhàn)系統(tǒng)集成方案構(gòu)想［J］.艦船電子工程，2001(1):16－19.

［3］胡乃平，趙振.基于 VC6.0串口通信動態(tài)鏈接庫(DLL)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(3－3):214－216.

［4］賈廣雷，劉培玉，耿長欣.多線程技術(shù)及其在串口通信中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)工程，2003，29(1):247－249.