多串口網(wǎng)絡(luò)化異構(gòu)輻射數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何敬上，何劍鋒,3，袁兆林,3，汪雪元,3，陽 深

(1.江西省放射性地學(xué)大數(shù)據(jù)技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330013；2.東華理工大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌 330013；3.江西省核地學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江西南昌 330013)

0 引言

隨著核科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，核輻射防護(hù)和安全問題深受民眾關(guān)注[1]。但現(xiàn)有的輻射監(jiān)測儀集成平臺(tái)缺乏,采集的氡、γ等輻射數(shù)據(jù)格式不同；并且大多核探測器只具有串行接口，不能夠接入網(wǎng)絡(luò)，傳輸距離及速率還不能滿足核儀器設(shè)備的要求。針對以上問題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)多串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)輻射數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；由于以太網(wǎng)能全雙工通信[2]，因此也實(shí)現(xiàn)了對γ劑量儀、氡采集儀命令傳輸，提高系統(tǒng)的及時(shí)性和遠(yuǎn)程可控性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)核探測器采集到輻射數(shù)據(jù)時(shí)，立即通過串口傳輸至隊(duì)列緩沖區(qū)，當(dāng)單個(gè)周期數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)，STM32F407立即讀取暫存在緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。對于多個(gè)串口緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)采用輪詢的方法，且輪詢的時(shí)間要遠(yuǎn)小于采集儀傳輸數(shù)據(jù)的周期。為了能夠區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)源，首先對讀取出的輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的串口幀格式封裝，然后將封裝好的串口幀作為以太網(wǎng)用戶層數(shù)據(jù)，逐層封裝通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)多串口與以太網(wǎng)輻射數(shù)據(jù)的交換。主控芯片采用STM32F407，主頻可達(dá)168MHz[3]。運(yùn)用其中的兩路USART通道,分別與兩個(gè)MAX3232串口芯片相連?？刂破髋c以太網(wǎng)芯片間采用RMII模式相連，支持IEEE802.3規(guī)范的所有特性。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 串行通信接口

串行接口比較簡單，性能良好，現(xiàn)今核探測器上均支持RS232標(biāo)準(zhǔn)通信[4]。采用RS232協(xié)議接收核探測器采集的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)形式轉(zhuǎn)化成TTL電平傳至控制器。硬件由9針D型插頭和MAX3232芯片構(gòu)成，其原理圖如圖3所示。

圖3 MAX3232串口原理圖

2.2 以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)芯片選擇SMSC的10/100M的物理層收發(fā)芯片LAN8720A。該芯片保持IEEE802.3規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，支持 RMII模式連接[5]?？梢酝瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收，本文配置100M的速率。網(wǎng)口主要由物理層接口(PHY)與MAC控制器構(gòu)成[6]。STM32F407內(nèi)部包含了以太網(wǎng)MAC控制，選擇LAN8720A作為物理層芯片，使用RMII模式與STM32F407相連，具體原理圖見圖4，左側(cè)為LAN8720A芯片，右側(cè)為RJ45網(wǎng)口。

圖4 網(wǎng)口原理圖

3 多串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括基于多串口輻射數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)化傳輸程序。程序在KEIL Uvision5下編譯調(diào)試。

系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖5所示。流程如下，兩路的串口分別接收輻射數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會(huì)首先暫存到隊(duì)列緩沖區(qū)中，待本周期數(shù)據(jù)傳輸完畢，再全部讀取出隊(duì)列緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，隨后對輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行串口標(biāo)識(shí)封裝，將標(biāo)識(shí)好的串口數(shù)據(jù)作為TCP/IP應(yīng)用層數(shù)據(jù)，逐層封裝直至通過網(wǎng)口傳輸出去。

圖5 多串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口系統(tǒng)軟件整體架構(gòu)

3.1 LwIP移植

LwIP是Adam Dunkels等開發(fā)的適用于嵌入式網(wǎng)絡(luò)的輕型TCP/IP協(xié)議棧。其具有開源、代碼量少、占用內(nèi)存較小、支持較全面的TCP/IP協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)，LwIP適用于嵌入式系統(tǒng)中[7-8]。將協(xié)議棧中每個(gè)協(xié)議作為單個(gè)進(jìn)程，并且指定進(jìn)程間的通信點(diǎn)。該通信方式具有占用系統(tǒng)資源較少、結(jié)構(gòu)清晰等優(yōu)點(diǎn)，代碼易懂，也容易調(diào)試[8]。移植并優(yōu)化LwIP協(xié)議棧到STM32F407中。

3.2 STM32F407程序配置

3.2.1 基本初始化

通電后，對LwIP、系統(tǒng)時(shí)鐘、基本定時(shí)器、緩沖區(qū)、GPIO初始化操作。

3.2.2 串口配置

在STM32固件庫中，USART_InitTypeDef中包含了串口的字長、波特率、奇偶校驗(yàn)位、停止位等屬性信息。配置該結(jié)構(gòu)體，調(diào)用USART_Init函數(shù)后串口屬性配置生效。

3.2.3 UDP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸

在LwIP中，udp_pcb稱為UDP控制塊，包含以太網(wǎng)各種重要屬性，例如如本地端口號(hào)、目的端口號(hào)、IP地址、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼等。創(chuàng)建好UDP控制塊之后，調(diào)用udp_bind用于給UDP控制塊綁定本地IP和端口，使udp數(shù)據(jù)單元屬性生效。同時(shí)設(shè)置基本定時(shí)器用于LwIP_Periodic_Handle，用于以太網(wǎng)讀寫超時(shí)，配置udp后，由udp_send寫封裝好的串口幀，然后發(fā)送出去。遠(yuǎn)程監(jiān)測中心對氡和γ探測器的監(jiān)測在監(jiān)聽線程udp_receive_callback中完成的，將收到的命令信息反饋至STM32F407，其根據(jù)命令要求，打開或關(guān)閉輻射檢測儀。

3.2.4 數(shù)據(jù)幀的整合

輪詢監(jiān)聽每個(gè)串口的隊(duì)列緩沖區(qū)，當(dāng)存在數(shù)據(jù)時(shí)則全部讀取出該緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，并清空該緩沖區(qū)。設(shè)置輪詢讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間遠(yuǎn)小于輻射檢測儀發(fā)送數(shù)據(jù)周期。為了能夠區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)源，制訂了統(tǒng)一的串口幀格式，將封裝好的串口幀作為以太網(wǎng)中應(yīng)用層的數(shù)據(jù)，逐層封裝發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測點(diǎn)。完整的數(shù)據(jù)封裝格式如圖6所示，其中串口號(hào)字段用來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)源；幀頭幀尾作為一個(gè)串口幀的起始分界(可自定義)；數(shù)據(jù)部分是來自串口的原始核輻射數(shù)據(jù)。

圖6 數(shù)據(jù)封裝完整圖

4 測試結(jié)果與分析

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將系統(tǒng)的兩個(gè)串口通過USB轉(zhuǎn)串口線分別與電腦相連，網(wǎng)口通過網(wǎng)線與電腦的網(wǎng)口相連。系統(tǒng)程序中設(shè)置UDP端口號(hào)49153、IP地址192.168.1.122、子網(wǎng)掩碼為255.255.255.1、網(wǎng)關(guān)為192.168.1.1、本地IP地址為192.168.1.102。接著打開電腦串口調(diào)試助手，串口和網(wǎng)口分別建立好連接。

假設(shè)核輻射傳感器采集數(shù)據(jù)長度為400字節(jié)，電腦通過串口1和串口2分別發(fā)送預(yù)先收集400字節(jié)的輻射數(shù)據(jù)，輻射數(shù)據(jù)在多串口網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中，依次經(jīng)過隊(duì)列緩存、串口標(biāo)識(shí)封裝、網(wǎng)絡(luò)封裝，最后輻射數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口傳輸?shù)诫娔X上位機(jī)顯示，如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖

4.2 多串口輻射數(shù)據(jù)傳輸

按照實(shí)驗(yàn)安排，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8。右上部分為網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手界面：左邊為電腦本地發(fā)送輻射數(shù)據(jù)的串口1(COM5)，右邊為系統(tǒng)通過網(wǎng)線發(fā)送給電腦的接收數(shù)據(jù)窗口，首部0x26為串口幀起始標(biāo)志，其后面的1代表串口標(biāo)號(hào)，尾部0x0b為串口幀結(jié)束標(biāo)志，其余的中間部分為原始串口輻射數(shù)據(jù)。圖片的左下部分為串口2(COM8)發(fā)送窗口。由于串口幀封裝每次增加10個(gè)字符，顯示網(wǎng)絡(luò)接收窗口為820字符。表明多串口網(wǎng)絡(luò)化輻射數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)成功。該系統(tǒng)可同時(shí)完成氡氣和γ濃度采集。

圖8 串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)

4.3 系統(tǒng)可靠性測試

設(shè)置傳輸周期為500ms、100ms來模擬采集間隔。經(jīng)5 min運(yùn)行，比較串口發(fā)送字節(jié)數(shù)和網(wǎng)口接受字節(jié)數(shù)衡量系統(tǒng)性能。同時(shí)分別以串口1、2收發(fā)的傳輸方式對誤碼數(shù)對比測試。實(shí)際發(fā)送和接收字符數(shù)可讀取到，用讀取到的發(fā)送字符數(shù)除以400得發(fā)送次數(shù)，理論接收字符數(shù)等于發(fā)送字符數(shù)加上10倍的發(fā)送次數(shù)，通過與實(shí)際的接收字符數(shù)來算誤碼數(shù)。得出結(jié)果如表1所示。

表1 傳輸方式對比測試圖

由表1測試可知，在同樣的條件下：以太網(wǎng)傳輸速率是串口14.03倍，以太網(wǎng)在傳輸大量數(shù)據(jù)的情形下占有優(yōu)勢；由誤碼數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得，以太網(wǎng)傳輸更加可靠。圖9、圖10為兩張測試?yán)龍D，以太網(wǎng)在發(fā)送間隔為100 ms無誤碼(圖9)，串口2在發(fā)送間隔100 ms誤碼為2(圖10)。

圖9 串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

圖10 串口2收發(fā)數(shù)據(jù)傳輸

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)核輻射探測儀存在輻射探測不全面、傳輸距離受限制、不能夠接入網(wǎng)絡(luò)、傳輸速率和可靠性較差等問題。本文研究了多串口網(wǎng)絡(luò)化用于輻射數(shù)據(jù)采集與傳輸，該方法具體內(nèi)容如下：通過為每個(gè)串口設(shè)計(jì)隊(duì)列緩沖區(qū)，并同時(shí)采集與傳輸兩種輻射數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一封裝數(shù)據(jù)格式，監(jiān)測體系更加健全；通過將多個(gè)串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)傳輸，解決了傳統(tǒng)串口接入以太網(wǎng)的需求，使得多種輻射數(shù)據(jù)能夠更快、更可靠的傳輸?shù)降谋O(jiān)測中心，特別是傳輸大量數(shù)據(jù)方面更具有優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，多串口網(wǎng)絡(luò)化異構(gòu)輻射數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。