嵌入式衛(wèi)星氣象水文數(shù)據(jù)廣播接收系統(tǒng)終端的制作方法
【專利摘要】一種嵌入式衛(wèi)星氣象水文數(shù)據(jù)廣播接收系統(tǒng)終端，包括DVB接收板解調(diào)器和嵌入式數(shù)據(jù)接收處理終端，DVB接收板解調(diào)器從調(diào)制產(chǎn)生的振蕩或波中恢復(fù)原調(diào)制信號的器件，采用90nm制造工藝的高集成度解調(diào)器，該解調(diào)器支持DVB?S和DVB?S2兩種標(biāo)準(zhǔn)，利用哈爾總線將嵌入式數(shù)據(jù)接收處理終端和DVB接收板解調(diào)器二者連接為統(tǒng)一整體。本實用新型構(gòu)建了高可靠的嵌入式硬件平臺，配置了外圍通信接口驅(qū)動，基于嵌入式平臺集約設(shè)計了氣象水文數(shù)據(jù)文件接收處理優(yōu)先級調(diào)度算法、高可靠性的噴泉編碼算法以及氣象水文數(shù)據(jù)專用傳輸應(yīng)用協(xié)議。
【專利說明】
嵌入式衛(wèi)星氣象水文數(shù)據(jù)廣播接收系統(tǒng)終端
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型涉及衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種嵌入式衛(wèi)星氣象水文數(shù)據(jù)廣播接 收系統(tǒng)終端。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)役衛(wèi)星氣象水文數(shù)據(jù)廣播接收系統(tǒng)終端基于PC內(nèi)嵌PCI接收卡體系架構(gòu)，存在 著以下幾個方面的問題：
[0003] (1)安全性不強(qiáng)。系統(tǒng)基于窗口操作系統(tǒng)，具有無源碼和非透明的特性，易受病毒 攻擊;系統(tǒng)采用加密狗方法以及無抗干擾防電磁輻射的措施，存在一定的安全隱患。
[0004] (2)穩(wěn)定性不高。系統(tǒng)基于的商用計算機(jī)系統(tǒng)，架構(gòu)設(shè)計不能完全滿足專用設(shè)備對 穩(wěn)定性和可靠性的要求，許多復(fù)雜的軟硬件以及冗余設(shè)計也不同程度地影響系統(tǒng)的穩(wěn)定 性。
[0005] (3)野外便攜性不強(qiáng)。采用"計算機(jī)+接收卡"的配置模式，體積大、便攜性差。
[0006] (4)缺乏狀態(tài)監(jiān)測與反饋機(jī)制。系統(tǒng)缺乏運行狀況狀態(tài)表達(dá)和輸出接口，系統(tǒng)整體 工作的狀態(tài)無法監(jiān)控。
[0007] (5)終端接收速率受限。目前系統(tǒng)配套的接收卡數(shù)據(jù)帶寬是512kbps，而衛(wèi)星數(shù)據(jù) 廣播發(fā)送帶寬已經(jīng)升級到7Mbps，接收終端性能亟待提升。
[0008] 針對以上問題，采用嵌入式技術(shù)和最新的數(shù)據(jù)廣播通信技術(shù)對現(xiàn)役的數(shù)據(jù)接收系 統(tǒng)終端進(jìn)行升級改造，改變原有的"計算機(jī)+接收卡"基于無源碼、非透明的微軟Windows操 作系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)，并將其研制改造成為基于開源的嵌入式Linux操作系統(tǒng)的安全、穩(wěn) 定、便于維護(hù)的能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)共享的資料服務(wù)器系統(tǒng)的體系架構(gòu)，實現(xiàn)接收終端的便攜性、 可靠性和可維護(hù)性，全面滿足氣象水文保障對接收終端的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本實用新型的目的在于提供一種嵌入式衛(wèi)星氣象水文數(shù)據(jù)廣播接收系統(tǒng)終端，以 克服上述缺陷。
[0010]本實用新型的技術(shù)方案是：
[0011] -種嵌入式衛(wèi)星氣象水文數(shù)據(jù)廣播接收系統(tǒng)終端，包括DVB接收板解調(diào)器和嵌入 式數(shù)據(jù)接收處理終端，DVB接收板解調(diào)器從調(diào)制產(chǎn)生的振蕩或波中恢復(fù)原調(diào)制信號的器件， 采用90nm制造工藝的高集成度解調(diào)器，該解調(diào)器支持DVB-S和DVB-S2兩種標(biāo)準(zhǔn)，利用哈爾總 線將嵌入式數(shù)據(jù)接收處理終端和DVB接收板解調(diào)器二者連接為統(tǒng)一整體。
[0012] 所述嵌入式數(shù)據(jù)接收處理終端包括射頻輸入端（1)、調(diào)頻主板(2)、調(diào)頻器(3)、合 并模塊式連接器(4)、物理接口收發(fā)器（5)、中央處理器主板（6)、內(nèi)存芯片（7)、閃存芯片 (8)、中央處理器(9)、現(xiàn)場可編程門邏輯芯片（10)和總線擴(kuò)展器（11)，調(diào)頻器(3)設(shè)置在調(diào) 頻主板(2)上，所述物理接口收發(fā)器(5)、中央處理器主板(6)、內(nèi)存芯片（7)、閃存芯片（8)、 中央處理器(9)、現(xiàn)場可編程門邏輯芯片（10)和總線擴(kuò)展器（11)設(shè)置在中央處理器主板(6) 上，內(nèi)存芯片（7)、閃存芯片(8)和現(xiàn)場可編程門邏輯芯片（10)分別與中央處理器(9)連接， 中央處理器(9)通過物理接口收發(fā)器(5)連接合并模塊式連接器(4)，現(xiàn)場可編程門邏輯芯 片（10)通過總線擴(kuò)展器(11)連接合并模塊式連接器(4)，合并模塊式連接器(4)還分別連接 調(diào)頻器(3)和網(wǎng)絡(luò)接口（12)，調(diào)頻器(3)的輸入端與射頻輸入端(1)連接。
[0013] 本實用新型的有益效果是：
[0014] 本實用新型的嵌入式衛(wèi)星氣象水文數(shù)據(jù)廣播接收系統(tǒng)終端基于PC內(nèi)嵌PCI接收卡 體系架構(gòu)的便攜性和可靠性不足問題，提出了改進(jìn)的接收系統(tǒng)終端體系架構(gòu)，構(gòu)建了高可 靠的嵌入式硬件平臺，配置了外圍通信接口驅(qū)動，基于嵌入式平臺集約設(shè)計了氣象水文數(shù) 據(jù)文件接收處理優(yōu)先級調(diào)度算法、高可靠性的噴泉編碼算法以及氣象水文數(shù)據(jù)專用傳輸應(yīng) 用協(xié)議。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本實用新型的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2是本實用新型的衛(wèi)星電視數(shù)據(jù)廣播接收子系統(tǒng)組成圖。
[0017] 圖2-1是本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2-2是本實用新型的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。
[0019] 圖3-1是本實用新型的按優(yōu)先級調(diào)度算法流程圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步描述：
[0021] 如圖1至圖3-1，一種嵌入式衛(wèi)星氣象水文數(shù)據(jù)廣播接收系統(tǒng)終端，包括DVB接收板 解調(diào)器和嵌入式數(shù)據(jù)接收處理終端，DVB接收板解調(diào)器從調(diào)制產(chǎn)生的振蕩或波中恢復(fù)原調(diào) 制信號的器件，采用90nm制造工藝的高集成度解調(diào)器，該解調(diào)器支持DVB-S和DVB-S2兩種標(biāo) 準(zhǔn)，利用哈爾總線將嵌入式數(shù)據(jù)接收處理終端和DVB接收板解調(diào)器二者連接為統(tǒng)一整體。 [0022]所述嵌入式數(shù)據(jù)接收處理終端包括射頻輸入端（1)、調(diào)頻主板(2)、調(diào)頻器(3)、合 并模塊式連接器(4)、物理接口收發(fā)器（5)、中央處理器主板（6)、內(nèi)存芯片（7)、閃存芯片 (8)、中央處理器(9)、現(xiàn)場可編程門邏輯芯片（10)和總線擴(kuò)展器（11)，調(diào)頻器(3)設(shè)置在調(diào) 頻主板(2)上，所述物理接口收發(fā)器(5)、中央處理器主板(6)、內(nèi)存芯片（7)、閃存芯片（8)、 中央處理器(9)、現(xiàn)場可編程門邏輯芯片（10)和總線擴(kuò)展器（11)設(shè)置在中央處理器主板(6) 上，內(nèi)存芯片（7)、閃存芯片(8)和現(xiàn)場可編程門邏輯芯片（10)分別與中央處理器(9)連接， 中央處理器(9)通過物理接口收發(fā)器(5)連接合并模塊式連接器(4)，現(xiàn)場可編程門邏輯芯 片（10)通過總線擴(kuò)展器(11)連接合并模塊式連接器(4)，合并模塊式連接器(4)還分別連接 調(diào)頻器(3)和網(wǎng)絡(luò)接口（12)，調(diào)頻器(3)的輸入端與射頻輸入端(1)連接。
[0023] 硬件設(shè)計
[0024]系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用主處理板與接口板分離的方式進(jìn)行，便于應(yīng)對接口的變化以 及主處理板升級的要求，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖上右側(cè)為主處理板，左側(cè)為接口板。系統(tǒng)硬 件部分的設(shè)計采用了主處理板與接口板分離的方式進(jìn)行，這樣的設(shè)計便于接口變化的應(yīng) 對，以及主處理板升級的要求。為保證設(shè)備的便攜性，結(jié)構(gòu)設(shè)計在保證充分散熱、方便簡潔 安裝的前提下，采用高集成度、最小化設(shè)計的思想，含接收、處理、存儲、背板四個硬件模塊， 體積僅為203x142x74mm。同時為保證足夠的強(qiáng)度，選擇采用高強(qiáng)度鋁合金作為材質(zhì)。
[0025] 主處理板主要完成嵌入式核心處理部件及相關(guān)周邊器件的設(shè)計，包括CPU、FLASH、 DRAM、專用FPGA高速數(shù)據(jù)接口設(shè)計、溫濕度檢測、OLED及旋轉(zhuǎn)編碼器交互界面、EEPROM配置 參數(shù)存儲、網(wǎng)絡(luò)接口、大容量存儲接口等。構(gòu)建一個完整的能處理高速衛(wèi)星廣播數(shù)據(jù)的嵌入 式系統(tǒng)，與接口板配合，并定制相關(guān)嵌入式軟件后就可以完成氣象水文數(shù)據(jù)的接收處理及 參數(shù)與狀態(tài)的檢測。
[0026]接口板部分設(shè)計則主要包括衛(wèi)星信號的接收、調(diào)諧、解調(diào)、解密、數(shù)據(jù)接口等的設(shè) 計。硬件設(shè)計按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，核心器件均選用自主可控和自主產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，便于升級維 護(hù)和確保安全。
[0027] (1)接口板解調(diào)器
[0028]從調(diào)制產(chǎn)生的振蕩或波中恢復(fù)原調(diào)制信號的器件，采用先進(jìn)的90nm制造工藝的高 集成度解調(diào)器，內(nèi)置的軟件電源管理，既可以保證性能需求又可以降低功耗。該解調(diào)器支持 支持0￥8-3和0￥8-32兩種標(biāo)準(zhǔn)，0￥8-32把衛(wèi)星通信鏈路的容量提高了30%，在理論上接近了 衛(wèi)星通信的性能極限，結(jié)合其它的新的編碼方法和衛(wèi)星技術(shù)，該標(biāo)準(zhǔn)有助于高效推廣高數(shù) 據(jù)速率的應(yīng)用。
[0029] (2)嵌入式處理器
[0030] 系統(tǒng)采用90nm工藝技術(shù)、工作主頻800MHz的PowerPC處理器，該處理器提供了 PowerPC開發(fā)系統(tǒng)最大程度的靈活性，同時大大降低了產(chǎn)品開發(fā)的難度與成本，有效縮短了 產(chǎn)品從研發(fā)到投放市場的時間，提高了產(chǎn)品的競爭力。該處理器是PowerQUICC? II Pro系 列產(chǎn)品中具有高性價比的產(chǎn)品，每個處理器集成了一個e300內(nèi)核、PCI、PCI-e、SATA控制器， 同時提供雙千兆以太網(wǎng)控制器，使得其得到廣泛的應(yīng)用。
[0031] 元件說明：
[0032] 1)中央處理器:MPC8377(Freescale)
[0033] 采用PowerQUICCII Pro架構(gòu)，主頻最高800MHz，包含各32KB的命令和數(shù)據(jù)緩存，浮 點運算器。支持雙千兆網(wǎng)、DDR2 800內(nèi)存、66M 32bit PCI接口、USB2.0接口、雙路I2C、雙路 串口、SDHC卡。最大功耗4.1W。工作溫度:0~125°C。
[0034] 2)現(xiàn)場可編程門邏輯芯片F(xiàn)PGA: EP3C10F256
[0035] 最新Cyclone III系列，10320邏輯單元，414Kbit RAM，182個GPI0,2個PLL。相對V6 的FPGA增大了邏輯單元和RAM，但功耗和價格都有所降低。FPGA可通過local bus或PCI總線 實現(xiàn)與CPU的通訊，鑒于CPU的local bus總線頻率可達(dá)到133MHz，位寬32bit，此時FPGA的工 作模式類似于SRAM。
[0036] 3)內(nèi)存芯片DDR2RAM:容量為512MB(128MB X 4)。
[0037] 4)閃存芯片F(xiàn)lash:采用64MB NOR Flash
[0038] 5)調(diào)頻器:選用高靈敏度的silicon tuner，接收衛(wèi)星DVB-S調(diào)制的信號并解調(diào)成 TS流。
[0039] 框圖說明：
[0040] 衛(wèi)星信號輸入板卡后，通過tuner進(jìn)行解調(diào)，轉(zhuǎn)換為TS流，送入FPGA進(jìn)行緩沖，F(xiàn)PGA 的緩沖區(qū)半滿后，發(fā)出中斷給處理器，處理器將數(shù)據(jù)讀出進(jìn)行后續(xù)處理。
[0041 ] (3)電磁防護(hù)措施
[0042]系統(tǒng)設(shè)計從電路板設(shè)計、結(jié)構(gòu)材質(zhì)等方面增強(qiáng)EMI、EMC能力。機(jī)箱采用全鋁合金材 質(zhì)，能有效的屏蔽外部電磁干擾，同時也能避免內(nèi)部的板卡對外部電磁環(huán)境造成影響。嵌入 式板卡的所有接□均進(jìn)行了保護(hù)，對ESD(靜電）、EFT(電快速瞬變脈沖群）、CS(傳導(dǎo)抗擾度） 等測試均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。
[0043] 一、軟件設(shè)計 [0044] (1)操作系統(tǒng)及驅(qū)動
[0045]軟件設(shè)計基于開放的LINUX操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，內(nèi)核版本2.6. 19,主要包括 Bootloader、內(nèi)核、文件系統(tǒng)以及驅(qū)動等部分。
[0046] BootLoader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序。通過這段小程序，我 們可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適 的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好環(huán)境。采用的Bootloader具有短小、靈活、使 用方便的特點。
[0047] 系統(tǒng)設(shè)計采用的內(nèi)核是經(jīng)過優(yōu)化和裁剪，只包含必需的功能內(nèi)核，主要包括了多 任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通訊和同步、內(nèi)存管理、時鐘管理、中斷處理等基本功能，其中，為保證實 時性，系統(tǒng)采用時間片輪詢和可搶占式相結(jié)合的任務(wù)調(diào)度模式。
[0048] 文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的最重要的部分之一，它為操作系統(tǒng)提供了一種結(jié)構(gòu)化存儲 和管理數(shù)據(jù)的方式。文件系統(tǒng)的主要功能是對數(shù)據(jù)的物理存儲進(jìn)行管理，并向用戶提供對 數(shù)據(jù)的訪問接口。用戶程序建立在文件系統(tǒng)上，通過文件系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)，而不需要直接對物 理存儲設(shè)備進(jìn)行操作。
[0049] 設(shè)備中用到的各種外部設(shè)備，都需要有驅(qū)動支持。系統(tǒng)用到的驅(qū)動有串口驅(qū)動、網(wǎng) 卡驅(qū)動、USB驅(qū)動、硬盤驅(qū)動、GPIO驅(qū)動以及看門狗驅(qū)動等。其中OS/驅(qū)動層面與中間件層面 全部為源碼，可控;結(jié)構(gòu)層面完全自行設(shè)計，可根據(jù)需要更改。
[0050] (2)支撐軟件
[0051]支撐軟件是指為完出數(shù)據(jù)接收、處理、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等功能而移植的第三方軟件。這 些軟件在性能、效率、安全等方面均經(jīng)過嚴(yán)格挑選，所有軟件均是經(jīng)過分析的源碼軟件，最 大限度的保證了安全。支撐軟件主要有：
[0052] Nginx:是一款輕量級的Web服務(wù)器/反向代理服務(wù)器及電子郵件αΜΑΡ/Ρ0Ρ3)代理 服務(wù)器，并在一個BSD-Iike協(xié)議下發(fā)行。其特點是占有內(nèi)存少，并發(fā)能力強(qiáng)，事實上Nginx的 并發(fā)能力確實在同類型的網(wǎng)頁伺服器中表現(xiàn)較好。
[0053] ΡΗΡ:是一種HTML內(nèi)嵌式的語言，是一種在服務(wù)器端執(zhí)行的嵌入HTML文檔的腳本語 言，語言的風(fēng)格有類似于C語言，被廣泛地運用。PHP是將程序嵌入到HTML文檔中去執(zhí)行，執(zhí) 行效率比完全生成HTML標(biāo)記的CGI要高許多；PHP還可以執(zhí)行編譯后代碼，編譯可以達(dá)到加 密和優(yōu)化代碼運行，使代碼運行更快。PHP具有非常強(qiáng)大的功能，所有的CGI的功能PHP都能 實現(xiàn)，而且支持幾乎所有流行的數(shù)據(jù)庫以及操作系統(tǒng)。最重要的是PHP可以用C、C++進(jìn)行程 序的擴(kuò)展。
[0054] Mysql:是一種關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)保存在不同的表中，而不 是將所有數(shù)據(jù)放在一個大倉庫內(nèi)，這樣就增加了速度并提高了靈活性。MySQL的SQL語言是 用于訪問數(shù)據(jù)庫的最常用標(biāo)準(zhǔn)化語言。MySQL由于其體積小、速度快、總體擁有成本低，尤其 是開放源碼這一特點，一般中小型網(wǎng)站的開發(fā)都選擇MySQL作為網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫。
[0055] FTP:是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上兩臺計算機(jī)傳送文件的協(xié)議，F(xiàn)TP是在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和 INTERNET上最早使用的協(xié)議之一，它屬于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組的應(yīng)用層。FTP客戶機(jī)可以給服務(wù)器發(fā) 出命令來下載文件，上載文件，創(chuàng)建或改變服務(wù)器上的目錄。
[0056] SSH:是建立在應(yīng)用層和傳輸層基礎(chǔ)上的安全協(xié)議。SSH是目前較可靠，專為遠(yuǎn)程登 錄會話和其他網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供安全性的協(xié)議。利用SSH協(xié)議可以有效防止遠(yuǎn)程管理過程中的 信息泄露問題。
[0057]圖片處理庫:如CIF、Jpeg、PNG等圖片的解壓縮庫。
[0058] (3)系統(tǒng)配置模塊
[0059] 系統(tǒng)配置模塊包括硬件接口的配置、操作系統(tǒng)加載和環(huán)境準(zhǔn)備、加載應(yīng)用軟件。
[0060] (4)數(shù)據(jù)接收采集模塊
[0061] 數(shù)據(jù)接收是指從天線接收到的衛(wèi)星信號，經(jīng)調(diào)諧、解調(diào)、解密等處理而得到ip信號 的過程。數(shù)據(jù)采集模塊是將采集本地的各項環(huán)境參數(shù)。
[0062] 采集方式可以是實時采集和定時采集兩種方式，實時采集方式是指管理系統(tǒng)發(fā)送 指令給終端設(shè)備，終端設(shè)備立即采集相關(guān)參數(shù)，并發(fā)送給管理系統(tǒng)。定時采集是指系統(tǒng)設(shè)定 時間，在指定的時間采集參數(shù)后存儲在本地，在管理系統(tǒng)要求時發(fā)送出。
[0063] 采集內(nèi)容包括:溫度、濕度、硬盤使用、解調(diào)器工作狀態(tài)、各外設(shè)工作狀態(tài)等。
[0064] (5)數(shù)據(jù)分析模塊
[0065]衛(wèi)星電視數(shù)據(jù)廣播接收子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接收模塊、衛(wèi)星信號處理模塊、數(shù)據(jù)接收監(jiān) 視模塊三部分組成，如圖2所示。
[0066]數(shù)據(jù)接收模炔基于衛(wèi)星接收天線、低噪放單元實現(xiàn)衛(wèi)星電視信號的接收。衛(wèi)星接 收天線接收到衛(wèi)星信號，經(jīng)過室外單元降噪處理，將信號傳輸至衛(wèi)星信號處理模塊。
[0067]衛(wèi)星信號處理模塊實現(xiàn)衛(wèi)星電視信號的變頻、解調(diào)、解碼和氣象水文數(shù)據(jù)的存放。 基于DVB-S(數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)），信號流的解調(diào)采用QPSK(四相相移鍵控調(diào)制)方式，工 作頻率為L波段(950~2150MHz)，處理器接收到TS流后，首先進(jìn)行PAT表解析。PAT表包含了 碼流中復(fù)用的所有節(jié)目以及與各路節(jié)目相對應(yīng)的PMT PID。每路節(jié)目一個PMT表。根據(jù)PAT的 PIDOxOO，從碼流中提取出PAT表，對其解析生產(chǎn)節(jié)目單。然后再解析對應(yīng)的PMT表格，找到數(shù) 據(jù)廣播流對應(yīng)的PID，將其提取出來，根據(jù)TS碼流多協(xié)議封裝的格式進(jìn)行解包，解包后會將 數(shù)據(jù)廣播還原為原始文件并保存在本地。
[0068] 現(xiàn)役的衛(wèi)星廣播氣象水文數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)是基于"計算機(jī)+接收卡"的硬件架構(gòu)和無 源碼、非透明的微軟Windows操作系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。改進(jìn)后的嵌入式廣播接收終端設(shè)計基于 嵌入式軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)，對比如圖2-1所示。其體系結(jié)構(gòu)可以分為核心層、應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)與 服務(wù)層三個層次，系統(tǒng)的體系架構(gòu)如圖2-2所示。
[0069] 2.2硬件組成
[0070] 系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用嵌入式數(shù)據(jù)接收處理終端與DVB接收板分離的方式進(jìn)行，便 于應(yīng)對接口的變化以及主處理板升級的要求，并利用har-bus總線將二者連接為統(tǒng)一整體。 為保證設(shè)備的便攜性，在保證充分散熱、方便安裝的前提下，采用高集成度、最小化結(jié)構(gòu)設(shè) 計的思想，含接收、處理、存儲、背板四個硬件模塊。同時為保證足夠的強(qiáng)度，選擇采用高強(qiáng) 度鋁合金作為材質(zhì)，具有一定的抗電磁干擾能力。
[0071] 系統(tǒng)的硬件組成主要包括以下幾個方面：
[0072] 1)DVB接收板解調(diào)器
[0073] 從調(diào)制產(chǎn)生的振蕩或波中恢復(fù)原調(diào)制信號的器件，采用先進(jìn)的90nm制造工藝的高 集成度解調(diào)器，內(nèi)置軟件電源管理，既可以保證性能需求又可以降低功耗。該解調(diào)器支持 DVB-S和DVB-S2兩種標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)性與兼容性好。
[0074] 2)嵌入式數(shù)據(jù)接收處理終端
[0075] 系統(tǒng)采用90nm工藝技術(shù)、工作主頻800MHz的PowerPC處理器。該處理器提供了 PowerPC開發(fā)系統(tǒng)最大程度的靈活性，同時大大降低了產(chǎn)品開發(fā)的難度與成本，有效縮短了 產(chǎn)品從研發(fā)到投放使用的時間，提高了產(chǎn)品的競爭力。該處理器是PowerQUICC? II Pro系 列產(chǎn)品中具有高性價比的產(chǎn)品，每個處理器集成了一個e300內(nèi)核、PCI、PCI-e、SATA控制器， 同時提供雙千兆以太網(wǎng)控制器。
[0076] 3)電磁防護(hù)措施
[0077]系統(tǒng)設(shè)計從電路板設(shè)計、結(jié)構(gòu)材質(zhì)等方面增強(qiáng)EMI、EMC能力。機(jī)箱采用全鋁合金材 質(zhì)，能有效的屏蔽外部電磁干擾，同時也能避免內(nèi)部的板卡對外部電磁環(huán)境造成影響。嵌入 式板卡的所有接□均進(jìn)行了保護(hù)，對ESD(靜電）、EFT(電快速瞬變脈沖群）、CS(傳導(dǎo)抗擾度） 等測試均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。同時，按國家裝備電源標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備供電電源進(jìn)行設(shè)計，配套了防 水電源接插件和不間斷供電電源，確保其在野外條件下能夠長時間連續(xù)穩(wěn)定運行。
[0078] 2.3軟件組成
[0079]系統(tǒng)的軟件架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集層、信號與狀態(tài)分析層、綜合處理層、交互層等功能 層次。
[0080] 數(shù)據(jù)采集層針對系統(tǒng)的接口適配器和協(xié)議單元層，從信號接入點、設(shè)備狀態(tài)接口、 I/O狀態(tài)以及環(huán)境要素等獲取各原始數(shù)據(jù);信號與狀態(tài)分析層主要完成分布式的信號接收、 數(shù)據(jù)分解、參數(shù)分析與狀態(tài)分析。根據(jù)要求從碼流數(shù)據(jù)中分解并獲取氣象水文數(shù)據(jù)，并根據(jù) 相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和模型參數(shù)的要求，判別信號、設(shè)備與環(huán)境是否滿足指定的要求;綜合處 理層根據(jù)氣象水文數(shù)據(jù)的編碼特征和規(guī)范，結(jié)合氣象水文數(shù)據(jù)處理和存儲要求，進(jìn)行數(shù)據(jù) 重新組織與存儲，對于參數(shù)與狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析，做出相應(yīng)的提醒、報警等操作;交互 層主要完成用戶的系統(tǒng)配置、I/O操作以及應(yīng)用服務(wù)的執(zhí)行與響應(yīng)等。
[0081] 系統(tǒng)的軟件組成主要包括以下幾個方面：
[0082] 1)操作系統(tǒng)及驅(qū)動
[0083]軟件設(shè)計基于開放的LINUX操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，主要包括Bootloader、內(nèi)核、文件 系統(tǒng)以及驅(qū)動等部分。
[0084] BootLoader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序。系統(tǒng)設(shè)計采用的內(nèi)核 是經(jīng)過優(yōu)化和裁剪，只包含必需的功能內(nèi)核。文件系統(tǒng)的主要功能是對數(shù)據(jù)的物理存儲進(jìn) 行管理，并向用戶提供對數(shù)據(jù)的訪問接口。設(shè)備中用到的各種外部設(shè)備，都需要有驅(qū)動支 持。
[0085] 2)支撐軟件
[0086]支撐軟件是指為完成數(shù)據(jù)接收、處理、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等功能而移植的第三方軟件。這 些軟件在性能、效率、安全等方面均經(jīng)過嚴(yán)格挑選，所有軟件均是經(jīng)過分析的源碼軟件，最 大限度的保證了安全。主要有:％1似、？冊、1^叫1、55!1、圖片處理庫（如(：正、辦叫、？如等圖片 的解壓縮庫）。
[0087] 3)接收解碼子系統(tǒng)
[0088]接收解碼子系統(tǒng)負(fù)責(zé)衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣播接收，依照終端站點資料屬性配置和本地權(quán)限 確定是否接收到達(dá)資料，由數(shù)據(jù)文件接收、衛(wèi)星信號處理模塊、氣象水文專用傳輸應(yīng)用協(xié)議 解析模塊和噴泉編碼解析模塊四個模塊組成。
[0089]數(shù)據(jù)接收模炔基于衛(wèi)星接收天線、低噪放單元實現(xiàn)衛(wèi)星電視信號的接收。衛(wèi)星信 號處理模塊實現(xiàn)衛(wèi)星電視信號的變頻、解調(diào)、解碼。氣象水文專用傳輸應(yīng)用協(xié)議解析模塊利 用氣象水文專用傳輸應(yīng)用協(xié)議對氣象水文數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)編碼包進(jìn)行解析，并將解析出的文件存 至硬盤臨時存儲目錄。噴泉編碼解析模塊負(fù)責(zé)將氣象水文專用傳輸應(yīng)用協(xié)議解析模塊解析 出的臨時文件進(jìn)行噴泉編碼解碼，解析成氣象水文數(shù)據(jù)原始文件，存儲至臨時目錄。
[0090] 4)數(shù)據(jù)屬性管理子系統(tǒng)
[0091]數(shù)據(jù)屬性管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)資料類型的識別、資料存儲目錄和資料信息的操作和管 理。
[0092] 5)數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)
[0093] 數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)資料存儲在與資料類型對應(yīng)的目錄中。
[0094] 6)系統(tǒng)狀態(tài)顯示子系統(tǒng)
[0095]系統(tǒng)狀態(tài)顯示子系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收、嵌入式平臺狀態(tài)的運況顯示。
[0096] 7)站點配置子系統(tǒng)
[0097]站點配置子系統(tǒng)負(fù)責(zé)分系統(tǒng)站點注冊、站點屬性設(shè)置、本地過期資料清除、存儲空 間可用空間檢查等。
[0098] 8)數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)
[0099]數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將分系統(tǒng)接收到的資料，通過Samba的方式傳輸?shù)奖镜鼗蛘?遠(yuǎn)程計算機(jī)的目錄中。
[0100] 9)管理維護(hù)子系統(tǒng)
[0101] 管理維護(hù)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)分系統(tǒng)完整性測試、升級、分系統(tǒng)備份與恢復(fù)操作。
[0102] 10)系統(tǒng)狀態(tài)信息傳輸子系統(tǒng)
[0103] 系統(tǒng)狀態(tài)信息傳輸子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將本機(jī)的狀態(tài)參數(shù)通過相關(guān)網(wǎng)絡(luò)實時上傳，實現(xiàn)總 部或區(qū)域中心對各單位廣播系統(tǒng)接收終端運行狀況的監(jiān)測。
[0104] ll)Web系統(tǒng)配置及狀態(tài)顯示子系統(tǒng)
[0105] Web系統(tǒng)配置及狀態(tài)顯示子系統(tǒng)負(fù)責(zé)通過Web的方式形象直觀的展示嵌入式終端、 接收卡、數(shù)據(jù)文件接收以及分系統(tǒng)版本的狀態(tài)，并且實現(xiàn)對站點信息、本地資料過期時間和 數(shù)據(jù)共享任務(wù)的設(shè)置。該子系統(tǒng)使得用戶可以在遠(yuǎn)程終端設(shè)置嵌入式接收終端并觀察其運 行、接收狀態(tài)。
[0106] 3關(guān)鍵技術(shù)研究
[0107] 1)系統(tǒng)硬件的選擇與驅(qū)動設(shè)計
[0108]嵌入式數(shù)據(jù)接收處理終端主要完成嵌入式核心處理部件及相關(guān)周邊器件的設(shè)計， 包括CPU、FLASH、DRAM、專用FPGA高速數(shù)據(jù)接口設(shè)計、溫濕度檢測、OLED及旋轉(zhuǎn)編碼器交互界 面、EEPROM配置參數(shù)存儲、網(wǎng)絡(luò)接口、大容量存儲接口等。構(gòu)建一個完整的能處理高速衛(wèi)星 廣播數(shù)據(jù)的嵌入式系統(tǒng)，與接口板配合，并定制相關(guān)嵌入式軟件后就可以完成氣象水文數(shù) 據(jù)的接收處理及參數(shù)與狀態(tài)的檢測。
[0109] DVB接收板設(shè)計則主要包括衛(wèi)星信號的接收、調(diào)諧、解調(diào)、解密、數(shù)據(jù)接口等的設(shè) 計。硬件設(shè)計按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，核心器件均選用自主可控和自主產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，便于升 級維護(hù)和確保安全。
[0110] 2)基于優(yōu)先級調(diào)度的氣象水文數(shù)據(jù)文件接收處理算法設(shè)計
[0111] 隨著廣播系統(tǒng)的升級改造，氣象水文數(shù)據(jù)文件急劇增加，限于嵌入式平臺的處理 性能相對有限，可能導(dǎo)致部分重要的文件丟失，必須改進(jìn)信息的收發(fā)機(jī)制，按優(yōu)先級調(diào)度線 程的方式進(jìn)行氣象水文數(shù)據(jù)文件處理。
[0112] 基本的算法流程如圖3-1所示。
[0113]常規(guī)資料和非常規(guī)資料通道的優(yōu)先級只有在信道發(fā)生爭用的時候才能體現(xiàn)出來。 如果次高優(yōu)先級通道中發(fā)送的文件總量超過了某個閾值，系統(tǒng)通過調(diào)整，降少低優(yōu)先級通 道的線程數(shù)，增加高優(yōu)先級通道的線程數(shù)，保證數(shù)據(jù)接收的實時性。應(yīng)急通道的優(yōu)先級高于 其他任何一個通道，它發(fā)送的是實時性要求非常高的資料，只有在重要的任務(wù)保障或者發(fā) 送少量的重要臨時文件時應(yīng)用。
[0114] 3)噴泉編碼算法設(shè)計
[0115] 為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，采用?shù)據(jù)噴泉編碼技術(shù)。本項目采用LT碼。LT(Luby Transform)碼是第一個真正意義上的噴泉碼，它可以生成任意長的一個編碼數(shù)據(jù)流，其每 一個編碼包都按同一算法獨立生成，算法如下：
[0116] a)將原始數(shù)據(jù)等分為k個數(shù)據(jù)包，在1~k范圍內(nèi)按某一個分布Ω(稱為編碼度分 布)隨機(jī)選取一個整數(shù)d，其中k稱為該碼的碼長，d稱為編碼包的度；
[0117] b)在數(shù)據(jù)包中均勻的隨機(jī)選取d個不同包；
[0118] c)對這d個包求異或，得到一個編碼包。
[0119]編碼度分布- D]表示隨機(jī)選到整數(shù)d的概率為Ω d，其中D為能取 到的最大度數(shù)。編碼度分布還可以用編碼度分布函數(shù)來表達(dá)，表達(dá)式為：Ω (X) = Ω 1+ Ω 2X+ Ω 3X2H-----h Ω DX0 1O
[0120] LT碼的譯碼采用了迭代算法，在譯碼的每一步，譯碼器都在編碼包集合中尋找度 為1的包，這些包組成的集合稱為輸出可譯集。他們連接的數(shù)據(jù)包組成的集合稱為輸入可譯 集。輸出可譯集中的元素與對應(yīng)的相連的數(shù)據(jù)包取值相同，因此輸入可譯集中的所有數(shù)據(jù) 包都能被直接譯出。在此之后，譯碼器將一個譯出的數(shù)據(jù)包與跟它相連的所有編碼包進(jìn)行 異或，計算結(jié)果取代對應(yīng)編碼包原來的值，完成之后刪除與它們之間的連接關(guān)系。重復(fù)上述 過程直到不存在度為1的包為止。如果所有數(shù)據(jù)包都被恢復(fù)則譯碼成功，否則譯碼失敗。該 算法即為噴泉碼的BP譯碼算法。
[0121 ] 4)氣象水文數(shù)據(jù)專用傳輸應(yīng)用協(xié)議設(shè)計
[0122] 氣象水文數(shù)據(jù)專用傳輸應(yīng)用協(xié)議是將進(jìn)行噴泉編碼后的氣象水文數(shù)據(jù)文件進(jìn)行 傳輸時所使用的協(xié)議。協(xié)議主要是將文件進(jìn)行拆分成若干個包在UDP上進(jìn)行傳輸。包的內(nèi)容 包括:數(shù)據(jù)包類型、數(shù)據(jù)包頭版本號、保留位、包序號、包序號總數(shù)、通道ID、資料ID、文件唯 一 ID、文件大小、文件名稱、點播臺站個數(shù)、點播臺站ID、點播臺站ID、點播臺站ID等。
[0123] 包頭采用面向byte的、可變格式構(gòu)成，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。
[0124] 表1包頭描述表
[0126] 本文面向衛(wèi)星氣象水文數(shù)據(jù)廣播接收的實際應(yīng)用，以嵌入式架構(gòu)實現(xiàn)裝備小型化 為目標(biāo)，研究了嵌入式廣播接收系統(tǒng)終端軟硬件組成和關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步了完善氣象水文 數(shù)據(jù)廣播接收系統(tǒng)的體系，適應(yīng)了現(xiàn)代設(shè)備發(fā)展"自主可控"和野外機(jī)動保障的需求，增強(qiáng) 了氣象水文數(shù)據(jù)獲取的便攜性、穩(wěn)定性和安全性，目前系統(tǒng)終端的功能已經(jīng)實際應(yīng)用，下一 步將著重針對衛(wèi)星信號不均衡性以及終端的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等配套設(shè)施進(jìn)行深化設(shè)計，進(jìn)一步完 善系統(tǒng)功能。
[0127] 上面所述的實施例僅僅是對本實用新型的優(yōu)選實施方式進(jìn)行描述，并非對本實用 新型的構(gòu)思和范圍進(jìn)行限定，在不脫離本實用新型設(shè)計構(gòu)思前提下，本領(lǐng)域中普通工程技 術(shù)人員對本實用新型的技術(shù)方案做出的各種變型和改進(jìn)，均應(yīng)落入本實用新型的保護(hù)范 圍，本實用新型請求保護(hù)的技術(shù)內(nèi)容已經(jīng)全部記載在權(quán)利要求書中。
【主權(quán)項】
1. 一種嵌入式衛(wèi)星氣象水文數(shù)據(jù)廣播接收系統(tǒng)終端，其特征是包括DVB接收板解調(diào)器 和嵌入式數(shù)據(jù)接收處理終端，DVB接收板解調(diào)器從調(diào)制產(chǎn)生的振蕩或波中恢復(fù)原調(diào)制信號 的器件，采用90nm制造工藝的高集成度解調(diào)器，該解調(diào)器支持DVB-S和DVB-S2兩種標(biāo)準(zhǔn)，利 用哈爾總線將嵌入式數(shù)據(jù)接收處理終端和DVB接收板解調(diào)器二者連接為統(tǒng)一整體。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種嵌入式衛(wèi)星氣象水文數(shù)據(jù)廣播接收系統(tǒng)終端，其特征是 所述嵌入式數(shù)據(jù)接收處理終端包括射頻輸入端（1)、調(diào)頻主板(2)、調(diào)頻器(3)、合并模塊式 連接器(4)、物理接口收發(fā)器(5)、中央處理器主板(6)、內(nèi)存芯片（7)、閃存芯片(8)、中央處 理器(9)、現(xiàn)場可編程門邏輯芯片（10)和總線擴(kuò)展器（11)，調(diào)頻器（3)設(shè)置在調(diào)頻主板（2) 上，所述物理接口收發(fā)器(5)、中央處理器主板(6)、內(nèi)存芯片(7)、閃存芯片(8)、中央處理器 (9)、現(xiàn)場可編程門邏輯芯片（10)和總線擴(kuò)展器（11)設(shè)置在中央處理器主板(6)上，內(nèi)存芯 片(7)、閃存芯片(8)和現(xiàn)場可編程門邏輯芯片（10)分別與中央處理器(9)連接，中央處理器 (9)通過物理接口收發(fā)器(5)連接合并模塊式連接器(4)，現(xiàn)場可編程門邏輯芯片（10)通過 總線擴(kuò)展器（11)連接合并模塊式連接器(4)，合并模塊式連接器(4)還分別連接調(diào)頻器(3) 和網(wǎng)絡(luò)接口（12)，調(diào)頻器(3)的輸入端與射頻輸入端(1)連接。
【文檔編號】H04H40/90GK205490573SQ201620177697
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月9日
【發(fā)明人】胡友彬, 白廣奇, 惠新標(biāo), 李輝, 陳立德, 阮鯤
【申請人】胡友彬