CN102710339A - 一种水声Modem管理平台及其管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种水声Modem管理平台及其管理方法。管理平台包括网络通信模块、串口通信模块、数据存储模块、扩频调制解调模块、I/O控制模块和ARM6410，ARM6410通过不同的管脚分别与网络通信模块、串口通信模块、数据存储模块、I/O控制模块、扩频调制解调模块连接。管理平台通过网络通信模块与交换机连接，交换机再与上位机和DSP之间建立连接；串口通信模块实现管理平台与电源值班模块和方位仪之间的连接与通信；管理平台与换能器、预处理模块之间通过信号线进行连接。本发明能实现对Modem各功能单元的管理与控制，方法更灵活、调试更方便、扩展性更强。

Description

一种水声Modem管理平台及其管理方法

技术领域

本发明涉及水声通信领域，特别是涉及一种水声Modem管理平台及其管理方法。

背景技术

水声通信技术一直是国内外研究的热点，将水声通信真正应用于实际，需要一个关键部件—水下声调制解调器（水声Modem）。关于水声Modem的研制，虽然国内外的许多公司、研究机构和高校已经积极展开，但真正用于实际的比较少。国内没有研制成功并投入使用的水声Modem的相关报道。国外有几家公司和研发机构开发出了一些商用水声Modem，如美国LinkQuest公司开发的UWM系列产品，Benthoes研制的ATM系列产品等。这些产品在使用时，只能选择厂家给定的几个固定的、有限的参数，在不同水声环境下的通用性与灵活性受到很大制约。另外，随着水声通信网研究的逐渐兴起，水声通信组网是必然的趋势，网络协议需要用户根据自己的需要进行定制，而这些协议实现需要用户自己下载到水声Modem中，对于目前已经投入使用的水声Modem而言，这一点显然无法满足。

目前，与Modem相关的专利基本上都是针对陆上无线电和网络的，专利申请号为201010255341.5的发明专利文件中公开了一种基于串口的MODEM异常侦测、断电重启控制方法，提出了根据计算机串口的RTS高低电平来控制Modem的供电模块，从而判断Modem上电断电；设定超时定时器，侦测到Modem超时异常时，则对其进行复位。此方法的Modem需要和计算机进行串口连接，无法应用于水声Modem中。专利申请号为200510075375.5的发明专利文件中公开了一种用于实现远程MODEM管理的转发装置，提出了一种基于以太网的Modem管理与转发装置，这种装置也没有办法直接应用于水声通信。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法更灵活、调试更方便、扩展性更强的水声Modem管理平台及其管理方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种水声Modem管理平台，包括网络通信模块、串口通信模块、数据存储模块、扩频调制解调模块、I/O控制模块和ARM芯片，其特征是：所述的AMR芯片为ARM6410，ARM6410通过管脚116、117、118、119与网络通信模块连接，ARM6410通过管脚107、108、109、110与串口通信模块连接，ARM6410芯片通过管脚18-41与数据存储模块连接，ARM6410芯片通过管脚64与I/O控制模块连接，ARM6410芯片通过管脚42、43、44、45与扩频调制解调模块连接。

所述的数据存储模块在进行数据存储之前，管理平台先对接收到的数据进行分类，按层次建立文件夹、文件，再进行存储，存储内容包括：OFDM调制解调参数、数据文件、错误日志、录音文件。

管理平台通过网络通信模块与交换机连接，交换机再与上位机和DSP之间建立连接；串口通信模块实现管理平台与电源值班模块和方位仪之间的连接与通信；管理平台与换能器、预处理模块之间通过信号线进行连接。

管理平台与所述的上位机之间的通信是双向的，包括上位机与Modem之间数据、指令、参数的交互；上位机对Modem上存储文件的操作；管理平台上应用程序的更新。

管理平台与所述的DSP之间的通信是双向的，包括管理平台发送给DSP的数据和DSP发送给管理平台的数据。

管理平台与所述的电源值班模块之间只进行单向通信，数据流向为从管理平台到值班模块，值班模块实现的功能是管理平台的上电/复位、DSP的上电/复位、功放使能的切换。

管理平台与所述的方位仪之间进行双向通信，管理平台通过串口向方位仪发送指令，接收方位仪的信息。

本发明的方法的主要特点如下：

（1）基于本管理平台的水下Modem节点，可以通过网络电缆与上位机进行通信，在不需要破坏设备物理连接的情况下，实现应用程序和系统参数的更新，灵活方便。

（2）数据分类存储，后期处理方便，以系统时间命名文件夹，避免数据覆盖，上位机可以通过网络实时获取水下节点数据，方便调试。

（3）支持用户自己编写的应用程序，应用程序可以通过网络进行下载或更新，增加了设备的可扩展性。

附图说明

图1为管理平台与其它模块的连接关系图；

图2为管理平台功能框图；

图3为上位机发送给管理平台的数据帧结构图；

图4为DSP发送给管理平台的OFDM解调结果帧结构图；

图5为DSP模块按帧采集数据时返回给管理平台的原始数据帧结构；

图6为DSP模块连续采集数据时返回给管理平台的原始数据帧结构；

图7为方位仪发送给管理平台的数据帧结构图；

图8为管理平台文件存储结构图。

具体实施方式

本发明采用的技术方案是：

1、管理平台负责Modem各部分之间、Modem与上位机之间的连接与通信。管理平台与上位机、DSP之间通过网络通信模块进行连接，与方位仪、电源值班模块之间通过串口通信模块进行连接，与预处理模块和换能器之间通过I/O控制模块进行连接。

2、数据与指令按固定的帧结构进行传递。管理平台接收来自上位机的数据与指令，根据帧结构进行判断，将数据与指令转发给不同的Modem模块或执行相应的功能；同时，管理平台也接收来自Modem各模块的数据与指令的执行结果，将数据与指令执行结果进行存储或者转发给上位机。

3、在管理平台上，可以运行由用户自己编写的exe程序，这些程序可以通过网络进行同步更新。

4、数据的存储通过存储模块实现，在进行数据存储时，先按系统的当前时间建立总文件夹，避免数据覆盖，在总文件夹下建立不同的文件目录，不同的数据存放于不同的目录当中。

5、基于该管理平台的水声Modem可以进行带缆通信和脱缆通信，在带缆情况下，可以由上位机控制Modem的工作状态，在脱缆的情况下，由Modem自己根据程序流程进行工作或通过声学链路进行控制。

6、为延长工作时间，可以对Modem进行休眠和唤醒，休眠和唤醒的指令可以由上位机通过电缆发送，也可以通过扩频由水声链路进行发送。

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

结合图1。在具体实现过程中，管理平台作为一个数据与指令的中转站。所有上位机的数据、指令等先发送给管理平台，再由管理平台转发给Modem的各个模块；Modem各个模块的数据、指令反馈结果、工作状态等，先发送给管理平台，再由管理平台传递给上位机。管理平台与上位机、DSP之间通过交换机进行连接，与电源值班模块、方位仪之间通过串口进行连接，与换能器、预处理模块之间通过信号线进行连接。

结合图2。管理平台由网络通信模块、串口通信模块、数据存储模块、扩频调制解调模块、I/O控制模块和ARM6410芯片6部分组成。

结合图3到图8分模块对实施方案进行描述：

1、网络通信模块

管理平台通过网络通信模块与交换机连接，然后通过交换机与上位机和DSP之间建立连接，实现管理平台与上位机、DSP之间的通信。

(1)管理平台与上位机之间的通信

管理平台与上位机之间的通信是双向的，包括3部分内容：上位机与Modem之间数据、指令、参数的交互；上位机对Modem上存储文件的操作；管理平台上应用程序的更新。下面对它们进行具体介绍：

(a)上位机与Modem之间的数据、指令、参数的交互

上位机与Modem之间的数据、指令、参数的交互采用TCP/IP协议，管理平台作为服务器，上位机作为客户端。传输内容按图3所示的帧格式进行发送，数据格式为16进制BYTE型，帧结构包括4部分：帧头、标识符、内容、结束符。“帧头”占两个字节，用于区分数据类型，“0x”表示16进制，其它地方出现的“0x”含义与此相同。“标识符”占1个字节，用于区分每个数据类型下不同的小项。“内容”占N个字节，为数据/指令/参数的具体内容。“结束符”占1个字节，表示帧结构结束。帧头与标识符含义如表1所示。

表1上位机给管理平台的数据帧结构含义及说明

说明：①在控制指令中，对本地Modem的操作指令，管理平台根据指令具体内容进行操作；对其它Modem的操作指令，由“扩频调制解调模块”进行调制后，通过换能器进行发送。另外，对其它Modem的操作指令中，“标识符01”后面的一个字节表示Modem编号，收到指令的Modem只处理与自己节点编号对应的指令，对于不属于自己的节点编号的指令则丢弃。

②管理平台对所有的数据、指令、参数处理完成后需要给上位机返回执行结果。执行结果采用与图3相同的帧结构，如果执行成功，则返回与管理平台接收内容相同的信息；如果执行不成功，则进行帧结构重组，返回重组后的内容，帧结构重组时，帧头、标识符、结束符不变，“内容”替换为“0xEX”，“EX”中的“X”表示具体的错误代码。

(b)上位机对Modem上存储文件的操作

对于存储在Modem存储介质上的所有文件，可以进行删除、替换、上传操作。删除、替换操作通过指令的方式完成，上位机按图3的帧结构发送指令，由管理平台按指令内容完成操作，返回操作结果。

对于文件的上传，采用FTP协议，管理平台作为服务器，上位机作为客户端，可以通过FTP下载任意文件，在下载之前要先关闭需要下载的文件。

(c)管理平台上应用程序的更新

管理平台支持用户自己编写的exe程序，应用程序可以通过网络进行更新，在更新应用程序之前，上位机先通过网络与管理平台进行同步，同步完成后，新的应用程序通过VS2005开发环境直接部署到管理平台上，然后由上位机控制管理平台重新启动，重新启动后新的应用程序即可生效。

(2)管理平台与DSP之间的通信

管理平台与DSP之间的通信也是双向的，采用TCP/IP协议，管理平台作为服务器，DSP作为客户端，通信内容包括2部分：管理平台发送给DSP的数据和DSP发送给管理平台的数据。

(a)管理平台发送给DSP的数据

管理平台发送给DSP的通信数据帧结构采用与图3相同的形式，以“0x55AA”为帧头，数据内容包括OFDM通信数据（标识符为01）、OFDM调制解调参数（标识符为02）、功放控制指令（标识符为03）、预处理模块参数（标识符为04）。

这些数据可以由上位机通过网络发送给管理平台得到，也可以由管理平台从存储模块的预存储文件中直接读取。对于通信数据，当管理平台将其通过网络发送给DSP后，DSP根据调制参数进行调制，然后通过功放和换能器进行发送。

(b)DSP发送给管理平台的数据

DSP发送给管理平台的数据包括指令执行情况、参数接收情况、OFDM解调结果、DSP采集的原始数据。其中，对于指令执行情况、参数接收情况，如果DSP接收正确，则返回接收到的内容，如果接收错误，则进行帧结构重组，返回重组后的数据，重组后的数据帧结构不变，只是把“内容”替换为“0xEX”，“EX”中的“X”表示具体的错误代码。OFDM解调结果帧头为“0x66BB”，帧结构如图4所示。DSP采集到的原始数据分两种情况：按帧采集和连续采集。所谓按帧采集，就是检测到同步之后才开始采集，对于这种情况的原始数据，帧结构如图5所示，原始数据中包括当前DSP的调制解调参数；所谓连续采集，就是不进行同步检测，直接进行数据采集，这种情况下采集的数据，帧结构如图6所示，原始数据中不包括当前DSP的调制解调参数。

管理平台对来自DSP的数据，按上位机指令要求或程序流程进行存储、帧结构重组或打包转发。

2、串口通信模块

串口通信模块实现管理平台与电源值班模块和方位仪之间的连接与通信，采用RS232协议。

(1)管理平台与值班模块之间的通信

管理平台与值班模块之间只进行单向通信，数据流向为从管理平台到值班模块，值班模块实现的功能是管理平台的上电/复位、DSP的上电/复位、功放使能的切换。

(a)管理平台的上电/复位

当系统进行深度休眠时，值班模块关闭所有其它设备的电源，进入待机状态，当进入一级工作状态时，值班模块给管理平台上电，管理平台开机自检，进入正常工作模式后，管理平台定时通过串口给值班模块发送正常工作信号“AWK”，当值班模块超过指定时间没有接收到来自管理平台的“AWK”信号，则认为管理平台失去响应，对管理平台进行复位操作。

(b)DSP上电/复位

DSP的上电/复位通过管理平台发送指令给值班模块实现。当需要给DSP上电时，管理平台通过串口向值班模块发送“DSPON”指令；当需要关闭DSP时，管理平台通过串口向值班模块发送“DSPOF”指令。

(c)功放使能切换

由管理平台“扩频调制解调模块”实现的扩频通信和DSP实现的OFDM通信共用一个功放，在使用功放之前，要先申请功放使用权，当扩频通信需要使用功放时，管理平台通过串口给值班模块发送“PTA”信号，功放使能切换到管理平台的输出；当OFDM通信需要使用功放时，管理平台通过串口给值班模块发送“PTD”信号，功放使能切换到DSP输出。

(2)管理平台与方位仪之间的通信

管理平台与方位仪之间进行双向通信：管理平台通过串口向方位仪发送指令，接收方位仪的信息。方位仪记录当前设备与磁北方向的夹角、俯仰角、横滚角等信息，数据按16进制发送，帧结构如图7所示，每帧为固定长度20个字节，帧头为“0xAA”，占1个字节；“指令返回”表示方位仪对指令的执行情况，占1个字节，如果返回“0xEE”表示指令未被正确执行，反之，则返回指令代码；“内容”中返回方位仪的数据信息，占17个字节；“结束符”为“0x99”占1个字节。

3、数据存储模块

“数据存储模块”完成管理平台的数据存储功能，以SD卡为存储媒介。在进行数据存储之前，管理平台先对接收到的数据进行分类，按图8所示的层次建立文件夹、文件，再进行存储。存储内容包括：OFDM调制解调参数、数据文件、错误日志、录音文件。

(1)OFDM调制解调参数

OFDM调制解调参数由上位机传递给管理平台，以文本文件的形式存储于SD卡的根目录下，文件按阿拉伯数字编号。当管理平台与上位机建立网络连接的时候，上位机可以通过指令控制参数文件的存储、读取、删除。当Modem独立工作时，需要事先通过网络连接将参数存储于SD卡上，管理平台根据程序流程依次读取文件进行工作，或者由扩频指令来控制参数的选择。

(2)数据文件

管理平台存储的数据文件包括：方位仪信息、扩频解调结果、DSP解调结果、DSP原始数据。这些数据都存储在数据总文件夹中，当管理平台需要进行数据存储时，先创建数据总文件夹，数据总文件夹以系统当前时间命名，避免覆盖。数据总文件夹创建完成后，在下一级文件夹下按不同数据类型名称创建对应文件夹，然后在这些对应的文件夹下创建数据文件，每个数据文件的存储大小可由上位机通过指令进行控制，当文件写入达到指定大小后，关闭当前文件，创建新文件继续写入，数据文件按阿拉伯数字顺序编号。

(3)错误日志

错误日志文件位于SD卡根目录下，当管理平台运行出现问题时，会创建或打开错误日志文件，如果根目录下不存在错误日志文件，则创建文件，如果已经存在错误日志文件，则直接打开文件，采用循环写入的方式，记录系统的当前时间和出现的问题，新内容添加到旧内容的末尾，记录完成后关闭文件。

(4)录音文件

录音文件可以记录水中噪声和设备内部噪声，录音文件存储于SD卡根目录中，由录音程序开始时创建，录音程序退出时关闭，采用覆盖存储的方式，以音频文件的形式保存。录音程序的运行，由上位机进行控制，当录音达到指定时间，录音程序自动退出。

4、扩频调制解调模块

扩频的调制解调在管理平台的“扩频调制解调模块”中实现，扩频通信主要用来传递控制指令，也可以进行数据通信。两者通过数据帧头来区别：控制指令的帧头为“0xCC”，除此之外的即为通信数据。

发送数据或指令时，先由“扩频调制解调模块”将数据进行调制，然后利用“I/O控制模块”将数据通过功放和换能器进行发送。

扩频的接收是在管理平台开始工作后，以线程的形式一直运行的。当接收到控制指令时，管理平台根据指令流程去判断、执行相应的功能；当接收到通信数据，管理平台对通信数据进行存储或者传递给上位机。

5、I/O控制模块

管理平台的I/O控制包括两部分：GPIO控制和CODEC控制。

(1)GPIO控制

管理平台的GPIO主要用来控制功放的开/关，当“扩频调制解调模块”需要发送数据时，管理平台先检测功放是否被DSP占用，如果是，则先通知DSP关闭功放，释放使用权，等DSP关闭功放完成后，管理平台再向值班模块申请功放使用权。然后，管理平台将GPIO置高电平，控制继电器将功放上电，待稳定以后即可以进行数据发送。数据发送完毕以后，管理平台将GPIO置低电平，控制继电器将功放关闭。

(2)CODEC控制

CODEC主要用于“扩频调制解调模块”中扩频信号的输入输出，CODEC通过信号线与功放的输入和预处理模块的输出连接。当发送扩频信号时，先打开功放，再将信号通过CODEC输出，经过功放，由换能器进行发射，在进行发射时，使CODEC接收静音，避免自发自收的现象；当接收扩频信号时，信号由换能器接收，经过预处理模块处理后由CODEC输入到“扩频调制解调模块”，进行扩频解调。

6、ARM芯片

ARM 芯片是管理平台的核心，负责操作系统的运行和管理方法的实现。管理平台的管理方法、网络协议等都编写成exe程序，在操作系统上运行。

Claims (7)

1.一种水声Modem管理平台，包括网络通信模块、串口通信模块、数据存储模块、扩频调制解调模块、I/O控制模块和ARM芯片，其特征是：所述的AMR芯片为ARM6410，ARM6410通过管脚116、117、118、119与网络通信模块连接，ARM6410通过管脚107、108、109、110与串口通信模块连接，ARM6410芯片通过管脚18—41与数据存储模块连接，ARM6410芯片通过管脚64与I/O控制模块连接，ARM6410芯片通过管脚42、43、44、45与扩频调制解调模块连接。

2.根据权利要求1一种水声Modem管理平台，其特征是：所述的数据存储模块在进行数据存储之前，管理平台先对接收到的数据进行分类，按层次建立文件夹、文件，再进行存储，存储内容包括：OFDM调制解调参数、数据文件、错误日志、录音文件。

3.一种采用权利要求1所述的一种水声Modem管理平台的管理方法，其特征是：管理平台通过网络通信模块与交换机连接，交换机再与上位机和DSP之间建立连接；串口通信模块实现管理平台与电源值班模块和方位仪之间的连接与通信；管理平台与换能器、预处理模块之间通过信号线进行连接。

4.根据权利要求3所述的一种水声Modem的管理方法，其特征是：管理平台与所述的上位机之间的通信是双向的，包括上位机与Modem之间数据、指令、参数的交互；上位机对Modem上存储文件的操作；管理平台上应用程序的更新。

5.根据权利要求4所述的一种水声Modem的管理方法，其特征是：管理平台与所述的DSP之间的通信是双向的，包括管理平台发送给DSP的数据和DSP发送给管理平台的数据。

6.根据权利要求5所述的一种水声Modem的管理方法，其特征是：管理平台与所述的电源值班模块之间只进行单向通信，数据流向为从管理平台到值班模块，值班模块实现的功能是管理平台的上电/复位、DSP的上电/复位、功放使能的切换。

7.根据权利要求6所述的一种水声Modem的管理方法，其特征是：管理平台与所述的方位仪之间进行双向通信，管理平台通过串口向方位仪发送指令，接收方位仪的信息。

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