遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)海量信息通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖雋

（寶雞文理學(xué)院教育學(xué)院，陜西寶雞721013）

在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，一個(gè)數(shù)據(jù)端到另一個(gè)數(shù)據(jù)端的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信是十分重要的。人們之間的交流方式會(huì)隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步而發(fā)生改變，網(wǎng)絡(luò)逐漸成為人們的重要通訊方式[1]。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)不但可以傳輸數(shù)據(jù)，還可進(jìn)行信息通信，既適用于家庭，又適應(yīng)于企業(yè)，不但增進(jìn)了人們之間的感情，還可使企業(yè)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的會(huì)議交流[2]。目前，針對(duì)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)海量信息的采集已經(jīng)成為了工業(yè)系統(tǒng)的重要組成部分，在傳統(tǒng)系統(tǒng)中由可編程邏輯控制器（PLC）完成海量信息的采集與處理，經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)全部匯總到主機(jī)，進(jìn)行綜合處理，并通過(guò)上位機(jī)與下位機(jī)之間的RS485通訊接口協(xié)議來(lái)完成海量信息的通信[3]。該系統(tǒng)僅僅適用于距離相對(duì)較近的信息之間的通信，無(wú)法滿足遠(yuǎn)程信息通信要求。為了解決該問(wèn)題，通常利用電話線進(jìn)行海量信息的通信是十分簡(jiǎn)單和方便的，采用調(diào)制解調(diào)器（Modem）與電話線連接，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單實(shí)用的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)海量信息通信。

1 Modem通信原理

根據(jù)現(xiàn)有電話網(wǎng)絡(luò)通信方式結(jié)合Modem可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)海量信息通信[4]。電話網(wǎng)絡(luò)傳輸模擬的傳輸信號(hào)，計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的信息處理也將全部轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此在進(jìn)行信息傳輸時(shí)，需先進(jìn)行調(diào)制，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并在接收端安裝解調(diào)器，將模擬信號(hào)還原成數(shù)字信號(hào)，避免傳輸過(guò)程中受到其它信號(hào)干擾的影響[5]。

2 信息通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)Modem通信原理，使用PB數(shù)據(jù)庫(kù)前端開(kāi)發(fā)工具和串口通信功能編譯實(shí)現(xiàn)海量信息的串行通信[6]。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需充分體現(xiàn)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)接收與發(fā)送，顯示獨(dú)立的模塊，通過(guò)模塊間定義的接口，實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)硬件與軟件部分的設(shè)計(jì)，通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可知：Modem通信通信采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（ZModem）作為數(shù)據(jù)通信協(xié)議，利用PSTN即為Public Switched Telephone Network舊式電話系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制主機(jī)和數(shù)據(jù)黑匣子之間的海量信息通信的可靠性[7]。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)對(duì)通信系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)展開(kāi)分析。

2.1.1 單片機(jī)設(shè)計(jì)

選擇MSP430F149型號(hào)的單片機(jī)作為系統(tǒng)硬件的微控制單元，采用嵌入式調(diào)制解調(diào)器Modem作為單片機(jī)的微控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)基于16位Reduced Instruction Set Computer指令集計(jì)算機(jī)內(nèi)核鑲嵌功能[8]。單片機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從圖2中可看出，單片機(jī)通過(guò)串口UARTO與Modem通信，PC主機(jī)通過(guò)串口UARTI與單片機(jī)通信。通常電源部分的單片機(jī)系統(tǒng)可提供穩(wěn)定的電壓，一般為3V和5V，其中3V電壓為正常工作電壓，5V為調(diào)制解調(diào)器（Modem）的工作電壓[9]。復(fù)位電路為單片機(jī)提供穩(wěn)定傳輸信號(hào)，當(dāng)工作電壓出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時(shí)，利用復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位，預(yù)防其他信號(hào)的干擾，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[10]。

2.1.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

Modem通信采用3V電源供電，充分考慮系統(tǒng)要求，采用TI公司生產(chǎn)的TPS76038芯片實(shí)現(xiàn)電源部分的設(shè)計(jì)[11-15]。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位電路通常采用R-C復(fù)位電路，能夠?qū)崿F(xiàn)成本低、使用方便的復(fù)位電路設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 復(fù)位電路

由圖3可知：當(dāng)S1復(fù)位鍵按下時(shí)：重置連接開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)電阻連接到VCC，獲取分壓，形成較高的電平，進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”；當(dāng)S2復(fù)位鍵按下時(shí)：重置連接開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)電阻連接到大地，電流值為0，形成較低的電平，開(kāi)始正常工作。

針對(duì)系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，選擇MSP430F149型號(hào)的單片機(jī)作為系統(tǒng)硬件的微控制單元，根據(jù)單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖，設(shè)計(jì)R-C復(fù)位電路，具有成本低、使用方便的優(yōu)勢(shì)。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 AT指令設(shè)定

AT指令主要是應(yīng)用于終端設(shè)備與PC應(yīng)用之間的連接與通信的指令。系統(tǒng)通信狀態(tài)分為命令狀態(tài)和在線狀態(tài)兩種，其中命令工作狀態(tài)指的是在接收端接收來(lái)自AT的指令；而在線工作狀態(tài)指的是在工作過(guò)程中接收來(lái)自AT的指令。當(dāng)指令下達(dá)時(shí)，調(diào)制解調(diào)器（Modem）可自動(dòng)判斷設(shè)備的通信效率，確定指令的格式和特性。

在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，常用的通信指令有：

①摘機(jī)應(yīng)答，系統(tǒng)直接進(jìn)入應(yīng)答狀態(tài)，指令為ATA；

②呼叫指令直接撥號(hào)，選擇語(yǔ)音撥號(hào)模式，指令為ATDT；

③掛機(jī)回復(fù)，指令為：+++ATH。

針對(duì)系統(tǒng)通信指令的結(jié)束都是以Enter即回車結(jié)尾的，當(dāng)調(diào)制解調(diào)器連接后直接下達(dá)在線工作指令，即進(jìn)入在線工作模式，此時(shí)的調(diào)制解調(diào)器不再出現(xiàn)AT指令，直接由設(shè)備終端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)調(diào)制發(fā)送出去。

2.2.2 單片機(jī)主程序流程設(shè)計(jì)

單片機(jī)主程序流程設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 單片機(jī)主程序流程設(shè)計(jì)

由圖4可知：?jiǎn)纹瑱C(jī)主程序經(jīng)過(guò)復(fù)位初始化處理，設(shè)置好基本環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行初始化處理，使系統(tǒng)處于自動(dòng)回復(fù)狀態(tài)，隨時(shí)與上位機(jī)進(jìn)行通信。根據(jù)需要選擇合適的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)芯片中備用，當(dāng)上位機(jī)需要數(shù)據(jù)時(shí)，由下位機(jī)提供。

針對(duì)系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)，是對(duì)硬件結(jié)構(gòu)中與下位機(jī)相連的單片機(jī)軟件功能展開(kāi)分析。根據(jù)AT指令可自動(dòng)判斷設(shè)備的通信效率，確定指令的格式和特性。以此為基礎(chǔ)對(duì)調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行初始化處理，根據(jù)該處理結(jié)果對(duì)單片機(jī)主程序流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)上位機(jī)發(fā)送的載波信號(hào)是一串代碼，即為ATDT0001******，那么這一串代碼就是信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼。將代碼代入主程序中，形成具有屬性的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)全部發(fā)送完成后，再添加+++序列，促使調(diào)制解調(diào)器可從在線工作狀態(tài)編程命令執(zhí)行的工作狀態(tài)，經(jīng)過(guò)時(shí)延后，發(fā)送ATH0指令即為系統(tǒng)掛機(jī)，說(shuō)明一次信息通信結(jié)束。

系統(tǒng)通信主要流程為：下位機(jī)傳送載波信號(hào)，上位機(jī)實(shí)時(shí)接收，當(dāng)預(yù)定鈴音響動(dòng)后，系統(tǒng)自動(dòng)摘機(jī)，直接與上位機(jī)進(jìn)行載波相連。如果雙方都在固定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到載波信號(hào)，那么雙方直接顯示為NO CARRIER即沒(méi)有信號(hào)的結(jié)果碼；反之，如果雙方都在固定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到載波信號(hào)，那么雙方直接顯示為CARRIER即有信號(hào)的結(jié)果碼，由此說(shuō)明上位機(jī)與下位機(jī)載波連接成功，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信。

3 驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證采用調(diào)制解調(diào)器（Modem）的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)海量信息通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)選擇在Matlab平臺(tái)上進(jìn)行，并只使用一臺(tái)電腦，安裝雙端口的萬(wàn)兆位以太網(wǎng)控制器，允許局域網(wǎng)共享。分別對(duì)系統(tǒng)硬件與軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。

1）硬件結(jié)構(gòu)驗(yàn)證結(jié)果與分析

針對(duì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，選擇MSP430F149型號(hào)的單片機(jī)作為系統(tǒng)硬件的微控制單元，16位Reduced Instruction Set Computer指令集作為計(jì)算機(jī)內(nèi)核鑲嵌功能，根據(jù)單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖，設(shè)計(jì)R-C復(fù)位電路，當(dāng)工作電壓出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時(shí)，利用復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位，預(yù)防其他信號(hào)的干擾，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了驗(yàn)證該點(diǎn)，將傳統(tǒng)通信系統(tǒng)與采用調(diào)制解調(diào)器（Modem）的通信系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有被其他干擾信號(hào)影響前，兩個(gè)系統(tǒng)通信能力達(dá)到了最佳；當(dāng)干擾信號(hào)強(qiáng)度增加到100 Hz時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)通信能力下降到了70%，而基于Modem的系統(tǒng)通信能力下降到了80%；當(dāng)干擾信號(hào)強(qiáng)度增加到400 Hz時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)通信能力下降到了最低點(diǎn)，即為42%，而基于Modem的系統(tǒng)通信能力始終在80%上下波動(dòng)。

根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)驗(yàn)證結(jié)果可知：基于Modem的系統(tǒng)設(shè)計(jì)R-C復(fù)位電路，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位，并預(yù)防了其他信號(hào)的干擾，使系統(tǒng)通信能力較強(qiáng)。

2）軟件功能驗(yàn)證結(jié)果與分析

針對(duì)系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)，需根據(jù)AT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)該指令可判斷指令的格式和特性，并對(duì)Modem進(jìn)行初始化處理，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高性能通信。為了驗(yàn)證該點(diǎn)，將傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的上、下位機(jī)下達(dá)指令與采用調(diào)制解調(diào)器（Modem）的通信系統(tǒng)的上、下位機(jī)下達(dá)指令進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下所示。

①上位機(jī)下達(dá)指令驗(yàn)證

針對(duì)上位機(jī)下達(dá)的指令，如果SOC_ALE為高電平下的指令，對(duì)海量具有離散型的信為了驗(yàn)證采用調(diào)制解調(diào)器（Modem）的通信系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確下達(dá)指令，將傳統(tǒng)通信系統(tǒng)與該系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同系統(tǒng)上位機(jī)下達(dá)指令驗(yàn)證對(duì)比結(jié)果

由圖6可知：傳統(tǒng)通信系統(tǒng)受到外界信號(hào)干擾情況下，上位機(jī)下發(fā)指令結(jié)果為：0*0246，0*8ace，0*8973，而采用調(diào)制解調(diào)器（Modem）的通信系統(tǒng)受到外界信號(hào)干擾情況下，上位機(jī)下發(fā)指令結(jié)果為：0*0123，0*4567，0*89ab。

根據(jù)對(duì)上位機(jī)下達(dá)指令驗(yàn)證結(jié)果可知，采用調(diào)制解調(diào)器（Modem）的通信系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)值一致。

②下位機(jī)下達(dá)指令驗(yàn)證

如果SOC_ALE為高電平下的指令，對(duì)海量具有離散型的信息進(jìn)行通信。其中SOC_ADR2為離散信息的原始地址，信息源Block0至Block3的值依次對(duì)應(yīng)下達(dá)指令中的 0-0*1fff、0*2fff-0*3fff、0*4fff-0*5fff、0*6fff-0*7fff。將離散信息封存后，受到外界信號(hào)干擾下的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值，依次對(duì)應(yīng)下達(dá)指令中的0*0123，0*4567，0*89ab，0*cdef。為了驗(yàn)證采用調(diào)制解調(diào)器（Modem）的通信系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確下達(dá)指令，將傳統(tǒng)通信系統(tǒng)與該系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同系統(tǒng)下位機(jī)下達(dá)指令驗(yàn)證對(duì)比結(jié)果

由圖7可知：傳統(tǒng)通信系統(tǒng)受到外界信號(hào)干擾情況下，下位機(jī)下發(fā)指令結(jié)果為：0*8439，0*6438，0*7524，0*a1fe，而采用調(diào)制解調(diào)器（Modem）的通信系統(tǒng)受到外界信號(hào)干擾情況下，下位機(jī)下發(fā)指令結(jié)果為：0*0123，0*4567，0*89ab，0*cdef。

根據(jù)對(duì)下位機(jī)下達(dá)指令驗(yàn)證結(jié)果可知，采用調(diào)制解調(diào)器（Modem）的通信系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)值一致。

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)驗(yàn)證結(jié)果可知：采用Modem方法設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)能夠預(yù)防其他信號(hào)的干擾，使系統(tǒng)通信能力較強(qiáng)；根據(jù)軟件功能驗(yàn)證結(jié)果可知：采用調(diào)制解調(diào)器（Modem）的通信系統(tǒng)對(duì)上、下位機(jī)下達(dá)指令驗(yàn)證結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值一致。由此可知，用調(diào)制解調(diào)器（Modem）的通信系統(tǒng)能力較強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用調(diào)制解調(diào)器（Modem）設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程距離海量信息的通信，具有通信距離遠(yuǎn)、成本低、方便維護(hù)的優(yōu)勢(shì)。采用調(diào)制解調(diào)器（Modem）可避免其他干擾信號(hào)的影響，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可應(yīng)用于熱電廠的遠(yuǎn)程控制，也可應(yīng)用企業(yè)的遠(yuǎn)程管理，具有良好的通信能力。