本文作者：潘高峰、薛軍、謝勇、梁盛 單位：中國衛星海上測控部

1引言

隨著我國航天事業的發展,測量船所承擔的任務呈現高密度、高強度的趨勢,造成碼頭期間的任務準備工作越來越繁重,面臨著考核項目多、考核時間短和多船協調對標等現實情況,如何提高對標效率、確保安全可靠對標成為緊迫的課題。由于保密要求,原研制的遠程標校控制系統無法接入現有網絡,而鋪設專網的耗資巨大,性價比低,也非首選方案。近些年來,無線通信已經成為信息通信領域中發展最快、應用最廣的技術,廣泛應用于家居、農業、工業、航天等領域,已成為信息時代社會生活不可或缺的一部分[1],這種技術也為解決測量船遠程控制標校設備提供了支持。本文通過對常用中遠距離無線通信方式的比較,擇優選擇了無線網橋,采用了橋接中繼的網絡模式,通過開發遠程設備端的網絡控制模塊,以及相應的控制軟件,實現了測量船對遠程設備的有效、安全控制。

2無線通信方式比較

無線通信技術是利用電磁波信號在自由空間中進行信息傳播的一種通信方式,按技術形式可分為兩類:一是基于蜂窩的接入技術,如蜂窩數字分組數據、通用分組無線傳輸技術、EDGE等;二是基于局域網的技術,如WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距離無線通信技術等。在中遠距離無線通信常用的有ISM頻段的通信技術(比如ZigBee以及其他頻段的數傳模塊等)和無線網絡技術(比如GSM、GPRS以及無線網橋等)。基于ISM頻段的數傳模塊的通信頻率為公共頻段,產品開發沒有限制,因此發展非常迅速,得到了廣泛應用。特別是近年來新興的ZigBee技術,因其低功耗、低復雜度、低成本,尤其是采用自組織方式組網,對網段內設備數量不加限制,可以靈活地完成網絡鏈接,在智能家居、無線抄表等網絡系統開發中得到應用[2]。但是,對于本系統的開發而言,需要分別研制控制點和被控制點的硬件模塊,并需通過軟件配置網絡環境,開發周期長,研制成本高,故非本系統開發的最優方案。

GSM、GPRS這種無線移動通信技術已經成為人們日常生活工作必不可少的部分,在其他如無線定位、遠程控制等領域的應用也屢見不鮮[3],但是由于保密、通信費用、開發成本等因素,也無法適用于本系統的開發。而無線網橋為本系統的低成本、高效率的研發提供了有利支持,是開發本系統的首選無線通信方式。無線網橋是無線網絡的橋接,它可在兩個或多個網絡之間搭起通信的橋梁,也是無線接入點的一個分支。無線網橋工作在2•4GHz或5•8GHz的免申請無線執照的頻段,因而比其他有線網絡設備更方便部署,特別適用于城市中的近距離、遠距離通信。

3系統設計

該遠程控制系統是以保障測量船對遠端標校設備的有效控制為目標,包括標校設備的開關機、狀態參數的采集等,主要由測量船控制微機、標校設備、網絡控制模塊、主控微機以及無線網橋等組成。工作流程為測量船控制微機或主控微機發送控制指令,通過無線網橋進行信息傳播,網絡控制模塊接收、解析指令,按照Modbus協議規定的數據格式通過串口發給某一標校設備,該標校設備響應控制指令并執行;網絡控制模塊定時發送查詢指令,并將采集的狀態數據打包,通過無線發給遠程控制微機,便于操作人員監視。網絡通信協議采用UDP方式,對于測量船控制微機、主控微機僅需按照一定的數據格式發送或接收UDP包即可。網絡控制模塊是系統的核心部件,是本文研究、設計的重點。目前,常用的網絡芯片主要有ENC28J60、CP2200等,這里選用了ENC28J60,設計、加工了基于STC89C52RC單片機的硬件電路。通過網絡信息處理軟件模塊的開發,滿足了網絡信息交互的功能要求;通過Modbus串口協議軟件模塊的開發,滿足了標校設備監控功能,從而實現了系統設計目標。

3.1組網模式

無線網橋有3種工作方式,即點對點、點對多點、中繼連接。根據系統的控制要求以及環境因素,本系統采用了中繼連接的方式,其網絡拓撲如圖1所示。從圖中可以清晰看出,這種中繼連接方式在遠程控制端布置兩個無線網橋,分別與主控點和客戶端進行通信,通過網絡控制模塊完成數據交互,從而完成組網。

3.2安全防范

由于是開放性設計,無線網絡安全是一個必須考慮的問題。本系統的特點是非定時或全天候開機,涉密數據僅為頻點參數,而被控設備自身均有保護措施(協議保護)。因此,系統在設計時重點考慮接入點防范、防止攻擊,采取的措施有登錄密碼設施、網絡密匙設置、固定IP、對數據結構體的涉密數據采取動態加密等方式,從而最大限度地防止了“被黑”。同時,采用了網絡防雷器來防護雷電破壞。

3.3網絡控制模塊設計

3.3.1硬件設計

網絡控制模塊的功能是收命令信息、發狀態信息,并通過串口與標校設備實現信息交互,其硬件電路主要由MCU(微控制單元)、ENC28J60(網絡芯片)、Max232(串口芯片)以及外圍電路組成,其電原理圖如圖2所示。硬件設計的核心是MCU、網絡芯片的選型,本系統MCU選用的STC89C52RC單片機,是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,可直接使用串口下載,為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。ENC28J60是由M-icrochip公司出的一款高集成度的以太網控制芯片,其接口符合IEEE802.3協議,僅28個引腳就可提供相應的功能,大大簡化了相關設計。ENC28J60提供了SPI接口,與MCU的通信通過兩個中斷引腳和SPI實現,數據傳輸速率為10Mbit/s。ENC28J60符合IEEE802.3的全部規范,采用了一系列包過濾機制對傳入的數據包進行限制,它提供了一個內部DMA模塊,以實現快速數據吞吐和硬件支持的IP校驗和計算[4]。ENC28J60對外網絡接口采用HR911102A,其內置有網絡變壓器、電阻網絡,并有狀態顯示燈,具有信號隔離、阻抗匹配、抑制干擾等特點,可提高系統抗干擾能力和收發的穩定性。

3.3.2軟件設計

網絡控制模塊的軟件設計主要包括兩部分,一是基于SPI總線的ENC28J60的驅動程序編寫,包括以太網數據幀結構定義、初始化和數據收發;二是Modbus協議編制,其軟件流程如圖3所示。

3.3.2.1ENC28J60的驅動程序編寫

(1)以太網數據幀結構符合IEEE802.3標準的以太網幀的長度是介于64~1516byte之間,主要由目標MAC地址、源MAC地址、類型/長度字段、數據有效負載、可選填充字段和循環冗余校驗組成。另外,在通過以太網介質發送數據包時,一個7byte的前導字段和1byte的幀起始定界符被附加到以太網數據包的開頭。以太網數據包的結構如圖4所示。(2)驅動程序編寫1)ENC28J60的寄存器讀寫規則由于ENC28J60芯片采用的是SPI串行接口模式,其對內部寄存器讀寫的規則是先發操作碼<前3bit>+寄存器地址<后5bit>,再發送欲操作數據。通過不同操作碼來判別操作時讀寄存器(緩存區)還是寫寄存器(緩沖區)或是其他。2)ENC28J60芯片初始化程序ENC28J60發送和接收數據包前必須進行初始化設置,主要包括定義收發緩沖區的大小,設置MAC地址與IP地址以及子網掩碼,初始化LEDA、LEDB顯示狀態通以及設置工作模式,常在復位后完成,設置后不需再更改。3)ENC28J60發送數據包ENC28J60內的MAC在發送數據包時會自動生成前導符合幀起始定界符。此外,也會根據用戶配置以及數據具體情況自動生成數據填充和CRC字段。主控器必須把所有其他要發送的幀數據寫入ENC28J60緩沖存儲器中。另外,在待發送數據包前要添加一個包控制字節。包控制字節包括包超大幀使能位(PHUGEEN)、包填充使能位(PPADEN)、包CRC使能位(PCRCEN)和包改寫位(POVERRIDE)4個內容。4)ENC28J60接收數據包如果檢測到EIR.PKTIF為1,并且EPKTCNT寄存器不為空,則說明接收到數據,進行相應處理。

3.3.2.2ModBus協議流程

本系統ModBus協議的數據通信采用RTU模式[5],網絡控制模塊作為主節點與從節點(標校設備)通過串口建立連接,主節點定時向從節點發送查詢命令,對應從節點響應命令向主節點發送設備狀態信息。當偵測到網絡數據時,從ENC28J60接收數據包中解析出命令,將對應的功能代碼以及數據,按照Modbus數據幀結構進行組幀,發送給從節點;對應從節點響應控制命令,進行設備參數設置。

4系統調試與驗證

試驗調試環境按照圖1進行布置,主要包括5個無線網橋、1個主控制點、2個客戶端、1塊網絡控制模塊板以及標校設備等,主要測試有網絡通信效果、網絡控制能力以及簡單的安全防護測試。測試結論:網絡連接可靠,各控制點均能安全地對遠端設備進行控制,具備一定安全防護能力,完全滿足遠程設備控制要求。

5結束語

本文從實際需要出發,通過對當下流行的無線通信技術的比較,選用無線網橋實現遠控系統組網;通過開發網絡控制模塊,以及相應的控制軟件編制,研制了一套用于測量船遠程控制設備的系統。經幾艘測量船的應用表明,采用無線網橋進行組網完全滿足系統設計要求,具有高安全性、高可靠性、高擴展性等優點,在日趨繁重的保障任務中發揮了重要的作用。本系統所采用的無線組網方法,以及硬件電路的設計方案,對其他相關控制領域均有一定的參考價值。