基于ARM9260的多模式浮标岸基数据收发平台

    海洋占据了地球表面的三分之二以上面积，并以其丰富的资源、广阔的空间以及对地球环境气候的巨大调节作用，成为全球生态系统和人类发展的一个重要组成部分，因此，发展海洋科技，尤其是海洋高新技术已成为世界新技术革命的重要内容。然而，由于海洋特殊的环境，使得很多在陆地上已经运用自如且性能良好的通信技术无法在海洋上使用，ARG0是以10～14天为周期通过卫星系统来传输的，海洋通信技术成为了限制海洋技术发展的瓶颈。本文设计的基于AT91SAM9260的多模式浮标岸基数据收发平台将多种数据传输方式集合在一起，很好的满足了海洋数据全天侯长时间传输的需求。

1 系统概述
    基于AT91SAM9260的多模式浮标岸基数据收发平台(以下简称收发平台)系统结构图如图1所示，本系统提供了四种通信方式：无线通信、数传电台通信、GPRS通信和铱星通信。这四种通信方式由AT91SAM920配置和管理，依据一定的通信选择策略实现四种通信方式的智能切换。图中，实线为电源线、长虚线为天线连接线、点虚线为串口通信信号线。

    CPU是系统的核心，通过COM2～COM5依次与铱星模块、无线模块、速传电台模块及GPRS模块相连。COM6为用户接口，可依据协议对本系统进行配置及实现数据传输，COM7为调试串口，可打印系统的运行信息，并可实现系统深入配置。
    系统中各种通信方式各有优点：如果浮标是部署在近海，可以直接通过无线模块进行通信，不但速度快而且无需资费；若距离有所增加，则可以使用无线数传电台，此时仍可获得较快的传输速率。若无线模块和无线数传电台不能满足需求，则可以使用GPRS，此时传输速率有所下降，且有较小延时；若在远海，则可以使用铱星模块。本系统可以同时满足近海和远海数据通信的需求。

2 系统原理
2．1 通信方式智能切换选择策略
    本收发平台使用的选择策略主要是：优先级选择策略、信号质量选择策略和通信保持策略。
    优先级选择策略：由于四种通信方式有不同的传输速率、不同的传输距离和不同的延迟，同时考虑到海洋上特殊的环境以及尽量高速率、长传输距离、小延迟的通信要求，所以设置无线模块、数传电台模块、GPRS模块及铱星模块的优先级依次为0～3，值越小，优先级越高，同时可以依据协议由用户设置模块优先级。
    信号质量选择策略：系统在运行后，会运行通信守护进程，并定时检测各通信方式的信号质量，从而进一步保证通信的正常进行。
    通信保持策略：收发平台会优先使用最近使用过的通信方式，若该通信方式故障，则会尝试尽量多的次数来完成未完成的数据传输。用户可依据协议设置尝试次数及超时时间。
    用户也可以依据协议设置以上三种策略的优先关系。
2．2 通信协议制定
    通信协议是通信能否正常进行的重要保证。本收发平台具有如下特点：一、用户与收发平台之间的通信需要有基本的重发确认机制，考虑到使用RS232通信链路重复出现故障的可能性叫小，所以该机制不需要复杂；二、用户需要对收发平台进行简单的配置；三、收发平台之间的通性应该可以实现定点传输、广播传输及转发。因此，协议的制定至少包括两个方面：用户与收发平台通信协议和收发平台间通信协议。

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    图2所示为用户与收发平台通信协议。划分为三层：物理层、传输层、应用层。各层功能如下：物理层提供数据的实际传输，由RS232来完成，传输层只需以字节为单位发送数据即可；传输层负责检测网络状态以及数据帧的提取；应用层依据帧类型完成用户要执行的操作。协议中：起始字符为“@”，占1字节；数据长度为帧中数据字段的长度，占1字节；校验和对全帧进行校验，若为0，则表示忽略校验，占1字节；结束字符为“#”，占1字节。
    帧类型占1字节，具体如下：
    0：此时数据段为要发送的数据，收发平台不必理会其内容，类似于透明传输，且通过何种方式传输由收发平台决定；
    1：与类型0相似，但使用由用户指定的通信方式，0为无线通信、1为无线数传电台、2为GPRS、3为铱星，其它值表示不使用该通信方式；
    2：对用户指定的通信方式设定通信速率，0为9 600 bps，1为19 200 bps，此时，数据字段长度应为两字节；
    3：此时数据字段应为四字节，依次为通信方式0～3的优先级，且不可重复；
    4：此时数据字段应为三字节，依次代表重发次数、发送超时时间(占两字节)，单位为毫秒。
    5：设置收发平台的目的地址，此时数据字段应为一字节，无需每次都设定；
    255：此时数据字段长度为零，表示对用户发来的数据进行确认。
    图3所示为收发平台间通信协议，划分为两层：物理层、传输层。各层功能如下：物理层提供数据的实际传输，对于无线模块和数传电台，提供的是连续的字节流传输，对于GPRS和铱星，提供的是不连续的以字节为最小单位的块数据传输；传输层负责数据帧的提取，依据目的地址和该节点地址，接收、转发或丢弃数据包，并提取接收数据包中的数据字段传输给用户，且在任何时候都只接收但不转发目的地址为广播的数据包。协议中：起始字符为“@”，占1字节；目的地址占用1字节，255为广播地址；源地址占用1字节；跳数为数据包可以被转发的次数，为0时丢弃；数据长度为包中数据字段的长度，占1字节；校验和对数据长度和数据字段进行校验，若为0，则表示忽略校验，占1字节；结束字符为“#”，占1字节。

3 硬件设计
    考虑到收发平台需要至少五路RS232接口，且可能要同时操作四种通信方式来传输数据，综合考虑，选用处理能力强的AT91SAM9260作为CPU；选用9XTend作为无线收发模块，该模块在使用高增益天线时最远可达64 km，使用偶极天线时通信距离可达22 km；选用通信距离更远的型号为MDS2710C的无线SCADA数传电台模块；选用型号为GF-2008AW的GPRS模块；选用9522A L-Band铱星收发模块通过铱星卫星与陆地基站进行通信。同时，为了存储未能及时发出去的数据以及系统配置，添加SD卡作为存储介质。图4所示为收发平台硬件框图。

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4 软件设计
4．1 主控AT91SAM9260程序设计
    收发平台要完成的功能主要是：与用户通信、四种通信方式的控制与维护、数据存储。开机后，收发平台CPU读取系统配置进行初始化，包括CPU本身初始化、RS232接口初始化、SD卡接口初始化、定时器初始化、通信模块初始化。之后系统进入工作状态。图5所示为收发平台正常工作时软件流程图，若某个通信模块出现故障，CPU会关闭该模块，当四种通信模块都出现故障时，CPU将通知用户，对于用户发送的数据均不作出响应。

4．2 上位机软件设计
    上位机软件即岸基数据接收服务中心软件完成计算机用户与收发平台间的通信，主要包括以下功能：收发平台的配置、数据的接收与发送、数据的图表化显示及存储、历史数据的显示与分析。图6所示为上位机软件主界面。

    上位机软件使用Visual C++语言设计，窗口设计主要包括主窗口、系统配置窗口、历史数据分析窗口。主界面接收数据图表显示区能反映接收到的数据的变化趋势，并可向收发平台传输数据，实现收发平台的配置和数据收发。历史数据分析窗口能以图表方式反映历史数据。

5 结束语
    本收发平台目前可以支持网络内存在最多255个收发平台，已经满足了当前的需求，并已成功用于海洋数据传输。在后续改进中，可设计实现多个收发平台的组网传输，进而更大程度上满足数据长时间全天候传输的需求。