军用车辆防冲突大型移动通信设备的设计

摘要 针对目前国内的军用车辆移动通信设备中，通信安全性较低，数据收发存在缺陷的问题。提出了一种新一代防冲突大型军用车辆移动通信设备的设计与实现方法。以嵌入式为基础，设计出抗干扰能力较强的系统硬件，通过合理编写相关的驱动软件，完成优质高效的软件设计。以确保军用车辆通信系统正常工作。后期的计算机模拟测试显示，设计的硬件与软件可较好地兼容，完成优质高效的通信工作，各个功能实现效果良好。为新一代的军用车辆通信系统设计提供了参考思路。
关键词 军用车辆；移动通信设备；防冲突；嵌入式

    移动互联网设备(Mobile Internet Device，MID)是一种新的互联网终端。随着移动通信设备的发展，其今后将替代移动电话和笔记本电脑成为新的移动通信方式，该设备可以访问无限网络，完成基本的电脑功能，也可完成大规模的在线通信，流畅的使用办公软件，查看相关文档，安排合理的工作计划，同时还可欣赏音乐、电影和视频会议等影音功能；并且能够完成移动定位、在线摄影等功能记录生活的点滴。随着军用通信技术的不断发展，对新一代的军车通信提出了更高的要求。作为在笔记本电脑和手机之间新的产品形态，移动互联网设备其最大优势是不受地点和时间的限制，可完成移动通信。符合军用车辆的通信要求。其屏幕尺寸较小，方便随身携带，虽然个别小型的笔记本尺寸也越来越小，但仍无法达到随身携带的目的，因此其应当拥有较大的军用车辆市场前景；与一般的军用通信器材相比，其屏幕较大、显示和处理等功能较强、通信效果好，兼容性和通信的稳定性更佳。最为重要的是其通信的安全性，因此，特别适合军用车辆的使用。

1 移动通信设备的整体设计原理
    为满足军用车辆移动通信设备安全高效的通信需求，整体设计采用较为流行的嵌入式设计技术。军用车辆移动通信设备的系统结构功能的整体组成如图1所示。

    根据组成功能的不同，移动通信设备采用了模块化设计的思路：
    (1)其核心处理器选择的是抗干扰能力较强的S3C2410：其通信效果好，协议安全性强，各种通信接口的功能强大。
    (2)算法运算模块采用Altera公司较为成熟的FPGA器件StratixII系列EP2S180-1020FBGA，完成通信协议算法的编程工作。
    (3)存储设备选择的是RAM和Flash：由于设备需要存储较大容量的信息，因此需要选择扩展的DDRRAM，可保持临时文件及相关的数据缓存，Flash采用NAND Flash，用于存放程序代码和数据等。
    (4)音频信号输入输出：移动设备需要满足视频和音频的功能，因此需要一个扬声器，用于语音和视频数据的有效输出。
    (5)串口：这是完成各种外界设备通信必备的接口。
    (6)TD／GPRS／GSM模块：该模块可实现一般笔记本和手机见缺的功能，完成人员定位，是最为关键的模块。
    (7)以太网收发器：采用DM9000AE芯片，10／100 Mbit·s-1速率自适应，可完成有线网络和无限网络的通信功能。
    (8)USB接口：通过USB扩展应用，可对外完成多种设备的扩展，包括3G等应用设备。
    (9)电源管理：为保证电源的耐用性，采用锂电池作为电源管理，并确保电源管理的高效性，能够完成系统的信号供应和外部时钟。
    (10)WiFi模块：完成无线通信的功能，通过无线通信网络完成互联网通信端口之一。
    系统平台的总体结构分为系统总体的设计、FPGA板、核心板3个部分。其中，设备采用USB接口、SD卡接口、音频接口、网口、电源接口、LCD触摸屏接口以及摄像头接口，系统可根据此硬件结构，完成一系列的功能，同时可以通过硬、软件的协调配合，完成功能的实现。

2 军用车辆通信系统硬件设计
    军用车辆通信的核心芯片是Samsung公司的S3C2410，采用ARM1176JZF-S内核，数据存储空间达到16 kB并拥有同样大小的指令存储空间，其工作电压稳定，适用于波动较大的环境，工作频率达到553 MHz，在1．2 V的情况下，频率可达667 MHz。运用AXI、AHB和APB形成的64／32 bit总线设计和接口设备相连。以FPGA的封装方式进行封装，引脚规范较好。总线也可采用外边扩展的方式，对模块进行调用，其核心的硬件RTC电路设计如图2所示。

    其中S3C24lO的VDDRTC可与其进行直连，保证工作效率。该模块采用的电压供电不超过4 V，完成了大部分的供电功能。另外，还设计了供电中出现掉电时的工作模式，由备用电池供电，此时S3C2410中唯有RTC模块工作，其余模块均处于停止状态。

    根据S3C2410的最高工作频率及PLL电路的工作方式，系统晶振的选择需要一定的窍门，可采用12 Hz的晶振，也可选择频率较高的无源晶振作为系统的时钟信号提供方，系统选用25 Hz的晶振为相关的芯片设计时钟电路。当然，也可通过CUP芯片内部集成的倍频电路，根据系统的需求产生不同频率的晶振信号。其中，系统设定了相关的放大电路和信号干扰去除电路。因此，外边的信号频率无需较高，也可满足系统的相关需求，又可进一步降低系统在工作过程中的噪声。图3是这4种时钟的示意图，此处的电容用于滤除来自振荡的高次谐波，电阻是进行阻抗匹配的。

    S3C2410处理器支持多种启动方式，不同设备的启动，方式不同。其中IROM是一种高速启动的方式，对NAND Flash、SD卡和ONENAND等设备进行相关的控制。这是顺序的启动方式，S3C2410处理器通过运行其本身固有的程序，计算EINT15、EINT14、EINT13这3个引脚状态，根据所得引脚的不同状态选择启动设备。S3C2410处理器的启动由XSELNAND、OM[4：1]、EINT[15：13]这3种引脚状态判断，完成SROM、NOR、NAN D、ONENAND、SD以及IROM的初始化。当NAND作为启动设备时，XSELNAND需要设定为高。

3 系统软件设计
    完善的硬件配置需要用有效的软件作为平台，为保证新一代军车通信系统的高效性和安全性，配合其特有的存储能力、功耗、硬件系统的体积大小和相关接口。系统的软件设计终端是基于ARM Linux架构的。其软件结构如图4所示。

    驱动程序设计包括：
    (1)页面驱动程序设计。良好的页面处理程序化。Qt／Embedded的底层图形引擎基于Framebuffer。其是一种驱动程序接口，通过设计操作性较强的界面程序，对相关设计进行驱动，设备是／dev／fb0、／dev／fb1等。设备对操作的用户而言是相同的，封装后区别较小，客户相当于对一个内存进行操作，完成存储功能，通过内存映射程序完成相关操作，对内存内部的各个地址单元进行有效的访问，访问过程是双向的可以通过读的方式访问，也可以写入数据，并随即反应在屏幕上。

    (2)数模转换驱动设计。语音和视频信号是模拟波形，因此在设计驱动程序过程，必须保证信号传递的稳定性和可靠性。语音信号在传递时需要转换成数字信号，对模拟信号中的相关位进行数字化转换，转换结果要有效保持。保持的区域需要预定大小，若太小将发生溢出。数模转换工作需要专门的模块完成。该转换芯片也需要编写相应的驱动程序，该程序并不复杂，只需安装芯片的具体实现过程，完成编写即可。对声音的采集则需要固定的驱动程序完成转换。因此视频转换和声音转换均需要驱动完成。
    (3)数据采集驱动程序设计。该部分是完成数据采集功能的模块，系统中的多数模块均会调用此模块，完成相关数据的采集。其中，声音信号的采集驱动程序设计较为特殊，其涉及到模数转换的过程，是将采集到的声音信号转换成数字信号的过程。转换的结果仍要保存在内存中，由于语言信号结构复杂，因此在嵌入式Linux下，语音的采集和播放可通过OSS(Open Sound System)的API接口来控制声卡实现模数与数模转换。
    OSS无需使用指定的操作程序，因此使用时更加便捷，只需利用接口将操作程序与应用系统相连接即可实现交互运算。系统利用文件进行信息传递的，无需在运行的过程中进行程序调用。利用mad／write进行数据传输，通过ioctl进行指令传输。OSS系统与操作系统之间的关系可通过图5进行描述。

4 军用车辆通信系统测试
    在军用车辆通信检测系统中，任意选取N个功能进行系统测试。测试中需要启动车载IP视频电话，从而选取合理的网络，利用该网络进行数据传输。因此，需要对IP视频电话分别进行声音和图像的测试。在进行声音测试时，需要得到声音的质量、带宽和滞后时间等相关参数，从而判断声音传递的效果。随后对视频图像进行测试，获取图像的质量、带宽及传递滞后情况。
    通过音频和视频的测试，可得到IP视频电话的测试结果，从而判断IP视频电话功能是否符合要求。
4．1 测试结果
    在数据传递网络中，对上述过程中的数据进行整理分析，结果如表1所示。

    根据上述步骤，对整个系统进行测试，得到结果如表2所示。

4．2 系统缺陷以及处理方式
    军用车辆通信系统中的IP视频电话需要在软、硬件同时符合系统要求时才能正常使用。在系统测试时，存在的问题可能是因软、硬件或者应用程序等问题所导致的，其处理方式如下：
    (1)用户无法正常进行网络连接，不能进行数据传递。处理方式：检查用户之间的硬件是否连接，假设已正常连接，则需要检查IP地址配置是否错误。假设硬件连接和应用系统均无任何时候问题，则需要检查软件设计是否符合通信要求。
    (2)视频无法正常显示。处理方式：假设视频无法正常显示，则需要检查视频功能的设置以及图像采集设备是否正确连接，然后利用图像采集设备测试程序本身配置是否存在问题，最终检查网络数据传递是否正常。
    (3)音频无法正常传递。处理方式：检查音频传输功能的设置是否存正常以及网络连接、声卡硬件和驱动是否正常。
    cat／dev／dsp>xyz
    cat xyz>／dev／dsp
    用第一条命令能够将传递信息保存在xyz文件中，从而实现录音功能。使用第二条命令可播放音频，从而进行音频检测。
    (4)音频传输与视频传输无法同步进行。处理方式：检测网络连接是否正常，带宽是否足够使用，发送和接收的线程能否正确对音频和视频进行同步数据传递。

5 结束语
    文中提出了一种新的防冲突大型移动通信设备的设计与实现方法。以嵌入式为基础，设计出抗干扰能力较强的系统硬件，通过合理的编写相关的驱动软件，完成优质高效的软件设计，确保系统的高效工作。后期的实验显示，设计的硬件与软件能够较好的兼容，并能够高效地完成通信工作，各功能实现效果良好。