基于嵌入式的陈旧设备上网设计与实现

崔滋刚+张仪

摘要：现阶段，各国都在发展以网络中心战为主的作战方式，要求所有参战的系统组成一个以计算机为中心的网络。对于我国，现阶段还存在大量的陈旧武器装备，其通信方式不是基于网络设计的，导致其无法满足网络中心战的要求。针对上述情况，本文提出一种基于嵌入式的陈旧设备升级改造方式，用最小的代价，实现陈旧武器装备与网络中心战的要求相兼容。

Abstract： At the present stage， all countries are developing a network-centric warfare-based approach， requiring all the war system to form a computer-centric network. For China， there are a lot of old weapons and equipment at this stage， whose communication is not designed based on network， leading to its inability to meet the requirements of network-centric warfare. In view of the situation above， this paper proposes a new method of obsolete equipment upgrade based on the embedded way， which is compatible with the requirements of the network-centric warfare with the least cost.

关键词：嵌入式；陈旧设备上网；设计与实现

Key words： embedded；obsolete equipment upgrade；design and implementation

中图分类号：TP316 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）31-0206-03

0 引言

根据《美军联合设想2020》的发展构想，未来的作战理念突破以往单一兵种或者单一武器独立作战的方式，而是以网络为中心的方式，称之为网络中心战（Network-centric Warfare，简称NCW）。网络中心战的核心思想是将参与作战的所有系统[1]，例如通信系统、侦察系统、武器系统、控制指挥系统等组成一个信息网络，该网络以计算机为中心，通过网络将参与作战的各个分系统结合起来，方便战争中各级参与人员利用该体系实时了解战场动态、指挥实施作战指令、互相交流作战信息。相对于传统的作战方式，网络中心战使得友方所有参战单位共享战场大部分作战信息[2]，提升各作战单位与指挥决策部门的沟通和交流的效率，提升了部队对于战场形势变化的反应能力，增强了整个部队的效能[3]。

对于我国而言，现阶段的武器装备中存在着大量的陈旧的武器装备，这些武器装备使用的通信方式大都不是基于网络设计的，而是以串口、CAN总线等的通信模式为主，这些武器装备与新时期网络中心战的发展目标是不相符的，但是，在我国的武器装备中，这一类陈旧武器装备占用了非常大的比例，而且其中的大部分装备还未到退役的时间，强行将其退役将会带来巨大的经济和资源的浪费，因此，对于陈旧设备的通信部分的升级改造，用最小的代价，实现陈旧武器装备与网络中心战的要求相兼容，就显得非常有意义。

1 网络中心战概念下的武器装备概述

网络中心战是将战场的各个子系统通过作战系统网将战场各个子系统连接起来，各个子系统可以随时连接进入作战系统网而不对其它子系统产生影响，并且连接到作战系统网的各个子系统相互组成一个完整的、协同合作的有机整体。

包括作战指挥系统、侦察系统、武器系统等分节点系统连接到作战系统网上，各个系统之间互不影响，可以根据作战态势随时将各个系统挂载到作战系统网上或者从作战系统网上卸载，这种模式极大的增加了作战系统的灵活性。对于武器系统，不同类型，不同单位的武器装备可以随时同武器系统内的其它部分甚至武器系统外的系统进行通信。作战指挥系统可以实时了解战场态势，并且可以调配各个分系统资源进行整合，实现部队总体作战效能的最大化。

武器装备在网络中心战概念下不再是一个个互相几乎独立的个体，而变成一个互相统一，互相耦合的有机的统一体，武器装备的总体效能也并非是各个武器装备效能的简单求和，而是在互相耦合、统一的条件下，充分发挥各个武器系统的优势，规避各个武器系统的短板，从而实现武器系统总体作战效能大于各个武器系统作战效能的总和。

基于上述情况，本文提出一种基于嵌入式系统的上网实现方式，将陈旧武器装备连接到本文提出的嵌入式系统上，该系统对陈旧武器装备的通信方式和通信协议进行转化，将不同陈旧武器系统所使用的不同类型的通信方式转化为与作战系统网相兼容的通信方式，从而实现了新时期网络中心战背景下的陈旧武器装备的升级改造。

2 系统结构设计

挂载在作战系统网的各个子系统之间要相互通信，必须符合作战系统网的通信协议要求。对于陈旧武器系统而言，则需要实现两部分的内容：将自身的通信协议转换为作战系统网标准的通信协议和将作战系统网标准通信协议转化为陈旧武器装备自身的通信协议，这两部分内容分别实现陈旧武器装备向作战系统网发送的数据可以被作战系统网上挂载的其它子系统正确识别以及陈旧武器装备可以正确识别所接收到的从作战系统网上挂载的其它子系统所发送的数据。整个协议转换系统主要分为三个组成部分：发送协议转换网关、接收协议转换网关和数据交换网关，结构如图1所示。

陈旧武器装备将需要发送到作战系统网上挂载的其它子系统的数据首先发送到发送协议转换网关，在发送协议转换网关将需要发送的数据本身分离出来，将协议的其它部分滤去，然后将需要发送的数据发送到数据交换网关，数据交换网关将所发送的数据转换为作战系统网标准通信协议模式，然后将数据发送到作战系统网上，作战系统网上挂载的其它子系统发送来的数据首先经过数据交换网关处理，然后将处理后的数据发送至接收协议转换网关，接收协议转换网关将接收到的数据转化为符合接收数据的陈旧设备的协议规定的数据，供陈旧武器装备处理使用。

发送协议转换网关和接收协议转换网关分别结合数据交换网关，分别实现了陈旧武器装备与作战系统网的数据发送和接收功能，符合作战系统网的通信协议要求，并且陈旧武器装备可以随时从作战系统上挂载和卸载而不对挂载在作战系统网上的其它子系统产生影响，实现系统所需要实现的功能，符合新时期网络中心战条件下作战设备的要求。

3 基于嵌入式系统的硬件设计

随着计算机和网络技术的发展，嵌入式系统在工业、农业、军事等领域得到了广泛的应用[4，5]。嵌入式芯片已经由最初的8位机发展到现在广泛应用的32位机，主频也已经发展到了上百兆，支持包括A/D、D/A、IIC、SPI等常见的外设[6]。

STM32是意法半导体公司推出的基于专为高性能、低成本、低功耗的基于ARM Cortex-M0、Cortex-M3、Cortex-M4内核的嵌入式产品，以较新型号的STM32F4系列为例，其基于ARM Cortex_M4内核，采用NVM工艺和ART加速器，在180MHz工作频率下通过内存执行指令时可实现225 DMIPS/608 CoreMark的性能，支持DSP和FPU指令集；由于采用了动态功耗调整功能，通过闪存执行指令时的电流消耗范围为89～260 μA/MHz；现在其市场售价大都在几十元范围内。其具有很强的扩展能力，易于移植，具有丰富的外设资源，主控芯片外围电路模块丰富，包括ADC、DAC、CAN、SPI、IIC等接口，芯片主频高，运算能力强，具备系统升级和扩展的空间。

本文以STM32F407为例，对本文所述的系统进行硬件系统设计，硬件系统框图如图2所示。

发送协议转换网关、接收协议转换网关和数据交换网关都是以STM32为核心所开发的，陈旧武器装备发送来的以CAN或者串口数据发送到发送协议转换网关，STM32驱动发送协议转换网关将数据进行处理，变成中间待发送数据，然后将中间待发送数据发送至数据交换网关，STM32驱动数据交换网关将接收到的数据转换为符合作战系统网协议标准的数据；数据交换网收到作战系统网发来的数据以后，在STM32的驱动下将符合作战系统网协议标准的数据转换为中间待处理数据，然后发送至接收协议转换网关，STM32驱动接收协议转换网关将数据转换为陈旧武器装备所需的符合其自身协议标准的数据格式，实现了陈旧设备与作战系统网之间的数据发送与接收。

4 系统软件设计

系统采用的开发环境为IAR Embedded Workbench for ARM，该开发环境支持汇编语言、C/C++语言开发应用程序。以CAN通信协议与以太网互相转化为例进行说明，系统软件框图如图3。

本软件以CAN总线和以太网相互转换为例，说明了系统的软将框架，其它类似串口通信与以太网通信转换结构类似。实现了CAN协议与以太网协议之间的相互通信。

5 总结

本文的设计以嵌入式系统为基础，针对网络中心战条件下，我国陈旧武器装备升级的需求，将陈旧武器装备中使用的其它形式的通信方式转换为符合网络中心战要求的网络通信方式，实现了我国陈旧武器装备与网络中心战下其它新型设备的相兼容。本方案系统实现容易，稳定性高，经济投入低，满足新时期网络中心战条件下陈旧武器装备的升级要求。

参考文献：

[1]Department of Defense Report to Congress，Net-work Centric Warfare[R]： Washington， DC DoD，2001.07.

[2]王君.支持水下网络中心战的信息系统探讨[J].指挥信息系统与技术，2010（05）.

[3]喻涛.网络中心战的发展动向与分析[J].舰船电子工程，2012（08）.

[4]杨明极，祝庆峰，李硕.基于STM32的嵌入式网络控制器设计[J].测控技术，2014（10）.

[5]周晨业，刘锦高.基于无线控制CAN总线嵌入式传感器研究与应用[J].信息技术，2011（08）.

[6]潘琢金，李冰，罗振，样华.基于STM32的UART-WiFi模块的设计与实现[J].制造业自动化，2015（07）.