軍用車輛防沖突大型移動通信設備的設計

李國中

(華北計算技術研究所技改處，北京 100083)

移動互聯網設備(Mobile Internet Device，MID)是一種新的互聯網終端。隨著移動通信設備的發展，其今后將替代移動電話和筆記本電腦成為新的移動通信方式，該設備可以訪問無限網絡，完成基本的電腦功能，也可完成大規模的在線通信，流暢的使用辦公軟件，查看相關文檔，安排合理的工作計劃，同時還可欣賞音樂、電影和視頻會議等影音功能;并且能夠完成移動定位、在線攝影等功能記錄生活的點滴［1－2］。隨著軍用通信技術的不斷發展，對新一代的軍車通信提出了更高的要求。作為在筆記本電腦和手機之間新的產品形態，移動互聯網設備其最大優勢是不受地點和時間的限制，可完成移動通信［3］。符合軍用車輛的通信要求。其屏幕尺寸較小，方便隨身攜帶，雖然個別小型的筆記本尺寸也越來越小，但仍無法達到隨身攜帶的目的，因此其應當擁有較大的軍用車輛市場前景;與一般的軍用通信器材相比，其屏幕較大、顯示和處理等功能較強、通信效果好，兼容性和通信的穩定性更佳。最為重要的是其通信的安全性，因此，特別適合軍用車輛的使用［4－5］。

1 移動通信設備的整體設計原理

為滿足軍用車輛移動通信設備安全高效的通信需求，整體設計采用較為流行的嵌入式設計技術。軍用車輛移動通信設備的系統結構功能的整體組成如圖1所示。

根據組成功能的不同，移動通信設備采用了模塊化設計的思路:

(1)其核心處理器選擇的是抗干擾能力較強的S3C2410:其通信效果好，協議安全性強，各種通信接口的功能強大。

(2)算法運算模塊采用Altera公司較為成熟的FPGA器件StratixII系列EP2S180－1020FBGA，完成通信協議算法的編程工作。

(3)存儲設備選擇的是RAM和Flash:由于設備需要存儲較大容量的信息，因此需要選擇擴展的DDRRAM，可保持臨時文件及相關的數據緩存，Flash采用NAND Flash，用于存放程序代碼和數據等。

(4)音頻信號輸入輸出:移動設備需要滿足視頻和音頻的功能，因此需要一個揚聲器，用于語音和視頻數據的有效輸出。

(5)串口:這是完成各種外界設備通信必備的接口。

(6)TD/GPRS/GSM模塊:該模塊可實現一般筆記本和手機見缺的功能，完成人員定位，是最為關鍵的模塊。

(7)以太網收發器:采用 DM9000AE芯片，10/100 Mbit·s－1速率自適應，可完成有線網絡和無限網絡的通信功能。

(8)USB接口:通過USB擴展應用，可對外完成多種設備的擴展，包括3G等應用設備。

(9)電源管理:為保證電源的耐用性，采用鋰電池作為電源管理，并確保電源管理的高效性，能夠完成系統的信號供應和外部時鐘。

(10)WiFi模塊:完成無線通信的功能，通過無線通信網絡完成互聯網通信端口之一。

系統平臺的總體結構分為系統總體的設計、FPGA板、核心板3個部分。其中，設備采用USB接口、SD卡接口、音頻接口、網口、電源接口、LCD觸摸屏接口以及攝像頭接口，系統可根據此硬件結構，完成一系列的功能，同時可以通過硬、軟件的協調配合，完成功能的實現。

2 軍用車輛通信系統硬件設計

軍用車輛通信的核心芯片是Samsung公司的S3C2410，采用 ARM1176JZF－S內核，數據存儲空間達到16 kB并擁有同樣大小的指令存儲空間，其工作電壓穩定，適用于波動較大的環境，工作頻率達到553 MHz，在1.2 V 的情況下，頻率可達 667 MHz。運用AXI、AHB和APB形成的64/32 bit總線設計和接口設備相連。以FPGA的封裝方式進行封裝，引腳規范較好。總線也可采用外邊擴展的方式，對模塊進行調用，其核心的硬件RTC電路設計如圖2所示。

圖2 RTC原理圖

其中S3C2410的VDDRTC可與其進行直連，保證工作效率。該模塊采用的電壓供電不超過4 V，完成了大部分的供電功能。另外，還設計了供電中出現掉電時的工作模式，由備用電池供電，此時S3C2410中唯有RTC模塊工作，其余模塊均處于停止狀態。

根據S3C2410的最高工作頻率及PLL電路的工作方式，系統晶振的選擇需要一定的竅門，可采用12 Hz的晶振，也可選擇頻率較高的無源晶振作為系統的時鐘信號提供方，系統選用25 Hz的晶振為相關的芯片設計時鐘電路。當然，也可通過CUP芯片內部集成的倍頻電路，根據系統的需求產生不同頻率的晶振信號。其中，系統設定了相關的放大電路和信號干擾去除電路。因此，外邊的信號頻率無需較高，也可滿足系統的相關需求，又可進一步降低系統在工作過程中的噪聲。圖3是這4種時鐘的示意圖，此處的電容用于濾除來自振蕩的高次諧波，電阻是進行阻抗匹配的。

圖3 系統時鐘示意圖

S3C2410處理器支持多種啟動方式，不同設備的啟動，方式不同。其中IROM是一種高速啟動的方式，對NAND Flash、SD卡和ONENAND等設備進行相關的控制。這是順序的啟動方式，S3C2410處理器通過運行其本身固有的程序，計算EINT15、EINT14、EINT13這3個引腳狀態，根據所得引腳的不同狀態選擇啟動設備。S3C2410處理器的啟動由 XSELNAND、OM［4∶1］、EINT［15∶13］這 3 種引腳狀態判斷，完成SROM、NOR、NAND、ONENAND、SD 以及 IROM 的初始化。當NAND作為啟動設備時，XSELNAND需要設定為高。

3 系統軟件設計

完善的硬件配置需要用有效的軟件作為平臺，為保證新一代軍車通信系統的高效性和安全性，配合其特有的存儲能力、功耗、硬件系統的體積大小和相關接口。系統的軟件設計終端是基于ARM Linux架構的。其軟件結構如圖4所示。

圖4 移動終端軟件設計結構圖

驅動程序設計包括:

(1)頁面驅動程序設計。良好的頁面處理程序化。Qt/Embedded的底層圖形引擎基于Framebuffer。其是一種驅動程序接口，通過設計操作性較強的界面程序，對相關設計進行驅動，設備是/dev/fb0、/dev/fb1等。設備對操作的用戶而言是相同的，封裝后區別較小，客戶相當于對一個內存進行操作，完成存儲功能，通過內存映射程序完成相關操作，對內存內部的各個地址單元進行有效的訪問，訪問過程是雙向的可以通過讀的方式訪問，也可以寫入數據，并隨即反應在屏幕上。

(2)數模轉換驅動設計。語音和視頻信號是模擬波形，因此在設計驅動程序過程，必須保證信號傳遞的穩定性和可靠性。語音信號在傳遞時需要轉換成數字信號，對模擬信號中的相關位進行數字化轉換，轉換結果要有效保持。保持的區域需要預定大小，若太小將發生溢出。數模轉換工作需要專門的模塊完成。該轉換芯片也需要編寫相應的驅動程序，該程序并不復雜，只需安裝芯片的具體實現過程，完成編寫即可。對聲音的采集則需要固定的驅動程序完成轉換。因此視頻轉換和聲音轉換均需要驅動完成。

(3)數據采集驅動程序設計。該部分是完成數據采集功能的模塊，系統中的多數模塊均會調用此模塊，完成相關數據的采集。其中，聲音信號的采集驅動程序設計較為特殊，其涉及到模數轉換的過程，是將采集到的聲音信號轉換成數字信號的過程。轉換的結果仍要保存在內存中，由于語言信號結構復雜，因此在嵌入式Linux下，語音的采集和播放可通過 OSS(Open Sound System)的API接口來控制聲卡實現模數與數模轉換。

OSS無需使用指定的操作程序，因此使用時更加便捷，只需利用接口將操作程序與應用系統相連接即可實現交互運算。系統利用文件進行信息傳遞的，無需在運行的過程中進行程序調用。利用read/write進行數據傳輸，通過ioctl進行指令傳輸。OSS系統與操作系統之間的關系可通過圖5進行描述。

圖5 OSS系統與操作系統關系圖

4 軍用車輛通信系統測試

在軍用車輛通信檢測系統中，任意選取N個功能進行系統測試。測試中需要啟動車載IP視頻電話，從而選取合理的網絡，利用該網絡進行數據傳輸。因此，需要對IP視頻電話分別進行聲音和圖像的測試。在進行聲音測試時，需要得到聲音的質量、帶寬和滯后時間等相關參數，從而判斷聲音傳遞的效果。隨后對視頻圖像進行測試，獲取圖像的質量、帶寬及傳遞滯后情況。

通過音頻和視頻的測試，可得到IP視頻電話的測試結果，從而判斷IP視頻電話功能是否符合要求。

4.1 測試結果

在數據傳遞網絡中，對上述過程中的數據進行整理分析，結果如表1所示。

表1 軍用車輛數據傳遞網絡中的測試結果

根據上述步驟，對整個系統進行測試，得到結果如表2所示。

表2 系統整體測試結果

4.2 系統缺陷以及處理方式

軍用車輛通信系統中的IP視頻電話需要在軟、硬件同時符合系統要求時才能正常使用。在系統測試時，存在的問題可能是因軟、硬件或者應用程序等問題所導致的，其處理方式如下:

(1)用戶無法正常進行網絡連接，不能進行數據傳遞。處理方式:檢查用戶之間的硬件是否連接，假設已正常連接，則需要檢查IP地址配置是否錯誤。假設硬件連接和應用系統均無任何時候問題，則需要檢查軟件設計是否符合通信要求。

(2)視頻無法正常顯示。處理方式:假設視頻無法正常顯示，則需要檢查視頻功能的設置以及圖像采集設備是否正確連接，然后利用圖像采集設備測試程序本身配置是否存在問題，最終檢查網絡數據傳遞是否正常。

(3)音頻無法正常傳遞。處理方式:檢查音頻傳輸功能的設置是否存正常以及網絡連接、聲卡硬件和驅動是否正常。

cat/dev/dsp＞xyz

cat xyz＞/dev/dsp

用第一條命令能夠將傳遞信息保存在xyz文件中，從而實現錄音功能。使用第二條命令可播放音頻，從而進行音頻檢測。

(4)音頻傳輸與視頻傳輸無法同步進行。處理方式:檢測網絡連接是否正常，帶寬是否足夠使用，發送和接收的線程能否正確對音頻和視頻進行同步數據傳遞。

5 結束語

文中提出了一種新的防沖突大型移動通信設備的設計與實現方法。以嵌入式為基礎，設計出抗干擾能力較強的系統硬件，通過合理的編寫相關的驅動軟件，完成優質高效的軟件設計，確保系統的高效工作。后期的實驗顯示，設計的硬件與軟件能夠較好的兼容，并能夠高效地完成通信工作，各功能實現效果良好。

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