智慧機(jī)場數(shù)據(jù)采集板卡設(shè)計(jì)

王 丹，劉國棟，張海濤，張曉冬

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110000；2.中國人民解放軍95979 部隊(duì)，山東 新泰 271207）

1 引 言

智慧機(jī)場[1-2]是目前機(jī)場建設(shè)和發(fā)展的趨勢，在智慧機(jī)場的規(guī)劃中，應(yīng)該力求實(shí)現(xiàn)集成化、智能化、簡潔化的管理。但現(xiàn)實(shí)情況是，我國大型機(jī)場一般都存在多種相似、相關(guān)、獨(dú)立的系統(tǒng)，彼此數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不統(tǒng)一，各自采集的數(shù)據(jù)無法共享，更談不上數(shù)據(jù)分析和挖掘，而數(shù)據(jù)共享和挖掘恰恰是實(shí)現(xiàn)智慧機(jī)場的精髓，因此，打破信息孤島是建設(shè)具備“互聯(lián)網(wǎng)+”屬性的機(jī)場管理系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。鑒于此，針對智慧機(jī)場項(xiàng)目，設(shè)計(jì)一款數(shù)據(jù)采集板卡，其功能是采集空管設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)中的導(dǎo)航設(shè)備數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)共享。

2 數(shù)據(jù)采集板卡功能介紹

空管設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)是為民航系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能數(shù)據(jù)采集控制平臺(tái)，其功能框圖如圖1 所示。數(shù)據(jù)采集板卡是其重要組成部分，負(fù)責(zé)采集導(dǎo)航設(shè)備信息。數(shù)據(jù)采集板卡與導(dǎo)航設(shè)備通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成數(shù)據(jù)解析、判斷、顯示，并通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送給中間機(jī)，再由中間機(jī)發(fā)送給云服務(wù)器。

圖1 空管設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)功能簡圖

3 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集板卡的核心芯片選用ST 公司的低功耗微控制器STM32F107。STM32F107 基于ARM[3-4]Cortex-M3 的 32 位 RISC 內(nèi)核，內(nèi)嵌 256 kB Flash及64 kB SRAM。片上集成GPIO、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、RTC、DMA、看門狗。此外片上還載有豐富的通信接口，如 I2C、SPI、I2S、USART、UART、USB、CAN、Ethernet 控制器等，能夠完全滿足項(xiàng)目的資源需求。

該數(shù)據(jù)采集板卡硬件設(shè)計(jì)功能框圖如圖2 所示。程序代碼是被存放在STM32F107 的內(nèi)部Flash中；數(shù)據(jù)存放在片上的SRAM 中。串口負(fù)責(zé)接收空管設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)中導(dǎo)航設(shè)備數(shù)據(jù)，由STM32F107 進(jìn)行數(shù)據(jù)CRC 校驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析等處理，在LCD 上顯示導(dǎo)航設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)及調(diào)試信息，通過以太網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)端的云平臺(tái)。另外通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程固件更新功能，EEPROM 存儲(chǔ)器存放配置信息；LED 指示燈會(huì)提示板卡運(yùn)行狀態(tài)；按鍵提供板卡復(fù)位等功能。

圖2 數(shù)據(jù)采集板卡硬件功能框圖

STM32F107 內(nèi)部還集成了以太網(wǎng)控制器MAC，因此需要外接以太網(wǎng)收發(fā)芯片PHY。為此，該板卡選用了LAN8720 芯片。使STM32F107 與LAN8720通過RMII 接口實(shí)現(xiàn)彼此互聯(lián)。具體連接形式如圖3所示。

圖3 STM32F107 與 LAN8720 連接圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 開發(fā)環(huán)境介紹

數(shù)據(jù)采集板卡軟件采用的是Keil 集成開發(fā)環(huán)境，包括編輯軟件、編譯軟件、匯編軟件、鏈接軟件、調(diào)試軟件、工程管理及函數(shù)庫等，同時(shí)提供仿真調(diào)試等功能，完全滿足項(xiàng)目的開發(fā)需求。

4.2 軟件功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集板卡的軟件流程如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集板卡軟件流程

4.2.1 設(shè)備初始化

如圖4 流程圖可見，軟件工作的第一步要對設(shè)備進(jìn)行初始化處理，其詳細(xì)過程如下：

1、STM32F107 內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置為72MHz；

2、定時(shí)器配置為5 秒產(chǎn)生一個(gè)中斷，發(fā)送PING數(shù)據(jù)幀給導(dǎo)航設(shè)備；

3、啟動(dòng)看門狗，防止程序跑飛；

4、初始化串口；

5、初始化 I2C，通過 I2C 讀寫 EEPROM；

6、初始化網(wǎng)絡(luò)相關(guān)軟硬件配置；

7、初始化LCD 控制，并顯示程序啟動(dòng)信息。

4.2.2 與外界設(shè)備通信

該數(shù)據(jù)采集板卡與外界設(shè)備通信接口包括兩大部分：串口收發(fā)導(dǎo)航設(shè)備數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)接口收發(fā)數(shù)據(jù)給中間機(jī)。

1) 串口收發(fā)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)采集板卡通過串口與導(dǎo)航設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)導(dǎo)航設(shè)備的接口要求，串口要求波特率9600，數(shù)據(jù)位1 位，停止位1 位，無奇偶檢驗(yàn)。

數(shù)據(jù)采集板卡與導(dǎo)航設(shè)備之間的幀格式如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)幀格式

其中各部分說明如下：

幀頭：占3 個(gè)字節(jié)，內(nèi)容固定為7EH 7EH 7EH。

指令：占1 個(gè)字節(jié)，詳細(xì)的請求與應(yīng)答指令如表1 所示。

表1 通信指令

數(shù)據(jù)長度：占2 個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)長度包括數(shù)據(jù)內(nèi)容及CRC32 所占用的字節(jié)數(shù)，低位在前。例如：連接測試請求“7E 7E 7E 01 05 00 00 92 7A 33 9F”中，數(shù)據(jù)長度為5 個(gè)字節(jié)。

數(shù)據(jù)內(nèi)容：占用的字節(jié)數(shù)不確定，會(huì)根據(jù)不同的指令有所變化。

CRC32：占4 個(gè)字節(jié)，從指令開始至CRC32 前的所有字節(jié)均要進(jìn)行校驗(yàn)，多項(xiàng)式為EDB88320H。

2) 網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)采集板卡通過網(wǎng)絡(luò)接口與中間機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)接口遵守的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是基于輕量級(jí)的TCP/IP[5]協(xié)議?！狶wIP[6]。該協(xié)議棧是由瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院開發(fā)的用于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議族。LwIP 的優(yōu)點(diǎn)是在保留TCP/IP 協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上，減少存儲(chǔ)器利用量和代碼尺寸，更適合應(yīng)用于小的、資源有限的處理器，如STM32F107。

LwIP 的主要特性可歸納如下：

支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的IP 轉(zhuǎn)發(fā)；

支持ICMP 協(xié)議；

包括實(shí)驗(yàn)性擴(kuò)展的UDP；

包括阻塞控制、RTT 估算、快速恢復(fù)和快速轉(zhuǎn)發(fā)的TCP；

提供專門的內(nèi)部回調(diào)接口（Raw API），用于提高應(yīng)用程序性能；

具有可選擇的Berkeley 接口API；

支持 ppp、IP fragment、DHCP 協(xié)議；

動(dòng)態(tài)分配IP 地址；

支持IPv6。

該數(shù)據(jù)采集板卡的軟件核心代碼是基于TCP協(xié)議[7]（Transfer Control Protocol），為應(yīng)用層提供可靠的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流服務(wù)。TCP 流程圖如圖6 所示。

圖6 TCP 流程圖

4.2.3 μC/OS 操作系統(tǒng)

由于該平臺(tái)需要并行處理多個(gè)任務(wù)，因此需要選用一款適用的操作系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)選用μC/OS-II 操作系統(tǒng)[8]，并行處理的任務(wù)包括：

串口收發(fā)處理數(shù)據(jù)；

網(wǎng)絡(luò)TCP_SERVER；

連接到TCP_SERVER 的TCP_CLIENT；

LCD 顯示任務(wù)；

軟件定時(shí)器任務(wù)，5s 產(chǎn)生一次中斷，發(fā)送PING幀給導(dǎo)航設(shè)備。

5 結(jié) 束 語

以一款具體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)為例，介紹了數(shù)據(jù)采集板卡的基本設(shè)計(jì)框架。該設(shè)計(jì)目前已應(yīng)用于空管設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)。由于產(chǎn)品具有一定的可升級(jí)性，可以加入藍(lán)牙、紅外、4G/5G 等其他功能，應(yīng)用于包括鐵路、港口、智慧軍營、智慧城市等諸多領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景。