基于嵌入式的陳舊設(shè)備上網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

崔滋剛+張儀

摘要：現(xiàn)階段，各國都在發(fā)展以網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)為主的作戰(zhàn)方式，要求所有參戰(zhàn)的系統(tǒng)組成一個(gè)以計(jì)算機(jī)為中心的網(wǎng)絡(luò)。對于我國，現(xiàn)階段還存在大量的陳舊武器裝備，其通信方式不是基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，導(dǎo)致其無法滿足網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的要求。針對上述情況，本文提出一種基于嵌入式的陳舊設(shè)備升級改造方式，用最小的代價(jià)，實(shí)現(xiàn)陳舊武器裝備與網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的要求相兼容。

Abstract： At the present stage， all countries are developing a network-centric warfare-based approach， requiring all the war system to form a computer-centric network. For China， there are a lot of old weapons and equipment at this stage， whose communication is not designed based on network， leading to its inability to meet the requirements of network-centric warfare. In view of the situation above， this paper proposes a new method of obsolete equipment upgrade based on the embedded way， which is compatible with the requirements of the network-centric warfare with the least cost.

關(guān)鍵詞：嵌入式；陳舊設(shè)備上網(wǎng)；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Key words： embedded；obsolete equipment upgrade；design and implementation

中圖分類號：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）31-0206-03

0 引言

根據(jù)《美軍聯(lián)合設(shè)想2020》的發(fā)展構(gòu)想，未來的作戰(zhàn)理念突破以往單一兵種或者單一武器獨(dú)立作戰(zhàn)的方式，而是以網(wǎng)絡(luò)為中心的方式，稱之為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)（Network-centric Warfare，簡稱NCW）。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的核心思想是將參與作戰(zhàn)的所有系統(tǒng)[1]，例如通信系統(tǒng)、偵察系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、控制指揮系統(tǒng)等組成一個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)以計(jì)算機(jī)為中心，通過網(wǎng)絡(luò)將參與作戰(zhàn)的各個(gè)分系統(tǒng)結(jié)合起來，方便戰(zhàn)爭中各級參與人員利用該體系實(shí)時(shí)了解戰(zhàn)場動態(tài)、指揮實(shí)施作戰(zhàn)指令、互相交流作戰(zhàn)信息。相對于傳統(tǒng)的作戰(zhàn)方式，網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)使得友方所有參戰(zhàn)單位共享戰(zhàn)場大部分作戰(zhàn)信息[2]，提升各作戰(zhàn)單位與指揮決策部門的溝通和交流的效率，提升了部隊(duì)對于戰(zhàn)場形勢變化的反應(yīng)能力，增強(qiáng)了整個(gè)部隊(duì)的效能[3]。

對于我國而言，現(xiàn)階段的武器裝備中存在著大量的陳舊的武器裝備，這些武器裝備使用的通信方式大都不是基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，而是以串口、CAN總線等的通信模式為主，這些武器裝備與新時(shí)期網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的發(fā)展目標(biāo)是不相符的，但是，在我國的武器裝備中，這一類陳舊武器裝備占用了非常大的比例，而且其中的大部分裝備還未到退役的時(shí)間，強(qiáng)行將其退役將會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和資源的浪費(fèi)，因此，對于陳舊設(shè)備的通信部分的升級改造，用最小的代價(jià)，實(shí)現(xiàn)陳舊武器裝備與網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的要求相兼容，就顯得非常有意義。

1 網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)概念下的武器裝備概述

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)是將戰(zhàn)場的各個(gè)子系統(tǒng)通過作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)將戰(zhàn)場各個(gè)子系統(tǒng)連接起來，各個(gè)子系統(tǒng)可以隨時(shí)連接進(jìn)入作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)而不對其它子系統(tǒng)產(chǎn)生影響，并且連接到作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)的各個(gè)子系統(tǒng)相互組成一個(gè)完整的、協(xié)同合作的有機(jī)整體。

包括作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、偵察系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等分節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)連接到作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)上，各個(gè)系統(tǒng)之間互不影響，可以根據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢隨時(shí)將各個(gè)系統(tǒng)掛載到作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)上或者從作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)上卸載，這種模式極大的增加了作戰(zhàn)系統(tǒng)的靈活性。對于武器系統(tǒng)，不同類型，不同單位的武器裝備可以隨時(shí)同武器系統(tǒng)內(nèi)的其它部分甚至武器系統(tǒng)外的系統(tǒng)進(jìn)行通信。作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)了解戰(zhàn)場態(tài)勢，并且可以調(diào)配各個(gè)分系統(tǒng)資源進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)部隊(duì)總體作戰(zhàn)效能的最大化。

武器裝備在網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)概念下不再是一個(gè)個(gè)互相幾乎獨(dú)立的個(gè)體，而變成一個(gè)互相統(tǒng)一，互相耦合的有機(jī)的統(tǒng)一體，武器裝備的總體效能也并非是各個(gè)武器裝備效能的簡單求和，而是在互相耦合、統(tǒng)一的條件下，充分發(fā)揮各個(gè)武器系統(tǒng)的優(yōu)勢，規(guī)避各個(gè)武器系統(tǒng)的短板，從而實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)總體作戰(zhàn)效能大于各個(gè)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的總和。

基于上述情況，本文提出一種基于嵌入式系統(tǒng)的上網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方式，將陳舊武器裝備連接到本文提出的嵌入式系統(tǒng)上，該系統(tǒng)對陳舊武器裝備的通信方式和通信協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將不同陳舊武器系統(tǒng)所使用的不同類型的通信方式轉(zhuǎn)化為與作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)相兼容的通信方式，從而實(shí)現(xiàn)了新時(shí)期網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)背景下的陳舊武器裝備的升級改造。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

掛載在作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)的各個(gè)子系統(tǒng)之間要相互通信，必須符合作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)的通信協(xié)議要求。對于陳舊武器系統(tǒng)而言，則需要實(shí)現(xiàn)兩部分的內(nèi)容：將自身的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和將作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議轉(zhuǎn)化為陳舊武器裝備自身的通信協(xié)議，這兩部分內(nèi)容分別實(shí)現(xiàn)陳舊武器裝備向作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)可以被作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)上掛載的其它子系統(tǒng)正確識別以及陳舊武器裝備可以正確識別所接收到的從作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)上掛載的其它子系統(tǒng)所發(fā)送的數(shù)據(jù)。整個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要分為三個(gè)組成部分：發(fā)送協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)、接收協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

陳舊武器裝備將需要發(fā)送到作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)上掛載的其它子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)首先發(fā)送到發(fā)送協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，在發(fā)送協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)本身分離出來，將協(xié)議的其它部分濾去，然后將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)將所發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議模式，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)上，作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)上掛載的其它子系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至接收協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，接收協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合接收數(shù)據(jù)的陳舊設(shè)備的協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)，供陳舊武器裝備處理使用。

發(fā)送協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)和接收協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)分別結(jié)合數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)，分別實(shí)現(xiàn)了陳舊武器裝備與作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能，符合作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)的通信協(xié)議要求，并且陳舊武器裝備可以隨時(shí)從作戰(zhàn)系統(tǒng)上掛載和卸載而不對掛載在作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)上的其它子系統(tǒng)產(chǎn)生影響，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，符合新時(shí)期網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)條件下作戰(zhàn)設(shè)備的要求。

3 基于嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4，5]。嵌入式芯片已經(jīng)由最初的8位機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的32位機(jī)，主頻也已經(jīng)發(fā)展到了上百兆，支持包括A/D、D/A、IIC、SPI等常見的外設(shè)[6]。

STM32是意法半導(dǎo)體公司推出的基于專為高性能、低成本、低功耗的基于ARM Cortex-M0、Cortex-M3、Cortex-M4內(nèi)核的嵌入式產(chǎn)品，以較新型號的STM32F4系列為例，其基于ARM Cortex_M4內(nèi)核，采用NVM工藝和ART加速器，在180MHz工作頻率下通過內(nèi)存執(zhí)行指令時(shí)可實(shí)現(xiàn)225 DMIPS/608 CoreMark的性能，支持DSP和FPU指令集；由于采用了動態(tài)功耗調(diào)整功能，通過閃存執(zhí)行指令時(shí)的電流消耗范圍為89～260 μA/MHz；現(xiàn)在其市場售價(jià)大都在幾十元范圍內(nèi)。其具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，易于移植，具有豐富的外設(shè)資源，主控芯片外圍電路模塊豐富，包括ADC、DAC、CAN、SPI、IIC等接口，芯片主頻高，運(yùn)算能力強(qiáng)，具備系統(tǒng)升級和擴(kuò)展的空間。

本文以STM32F407為例，對本文所述的系統(tǒng)進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

發(fā)送協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)、接收協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)都是以STM32為核心所開發(fā)的，陳舊武器裝備發(fā)送來的以CAN或者串口數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)送協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，STM32驅(qū)動發(fā)送協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，變成中間待發(fā)送數(shù)據(jù)，然后將中間待發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)，STM32驅(qū)動數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)交換網(wǎng)收到作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)發(fā)來的數(shù)據(jù)以后，在STM32的驅(qū)動下將符合作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為中間待處理數(shù)據(jù)，然后發(fā)送至接收協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，STM32驅(qū)動接收協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為陳舊武器裝備所需的符合其自身協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)了陳舊設(shè)備與作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench for ARM，該開發(fā)環(huán)境支持匯編語言、C/C++語言開發(fā)應(yīng)用程序。以CAN通信協(xié)議與以太網(wǎng)互相轉(zhuǎn)化為例進(jìn)行說明，系統(tǒng)軟件框圖如圖3。

本軟件以CAN總線和以太網(wǎng)相互轉(zhuǎn)換為例，說明了系統(tǒng)的軟將框架，其它類似串口通信與以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)類似。實(shí)現(xiàn)了CAN協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議之間的相互通信。

5 總結(jié)

本文的設(shè)計(jì)以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，針對網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)條件下，我國陳舊武器裝備升級的需求，將陳舊武器裝備中使用的其它形式的通信方式轉(zhuǎn)換為符合網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)要求的網(wǎng)絡(luò)通信方式，實(shí)現(xiàn)了我國陳舊武器裝備與網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下其它新型設(shè)備的相兼容。本方案系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)容易，穩(wěn)定性高，經(jīng)濟(jì)投入低，滿足新時(shí)期網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)條件下陳舊武器裝備的升級要求。

參考文獻(xiàn)：

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