（通信与信息系统专业论文）基于catv网的数据传输与用户管理.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 有线电视收费管理是有线电视台的主要工作之一。对于有线电视台来说，收视费 年初装费是其收入的主要来源，是保证有线电视台k 期稳定发展的基础。怎样保证及时 收网收视费和降低用户安装成奉足有线电视台管理中的个重要内容，它在很大程度 l ：决定一个台的经济效益和自我发展能力。 如果采取) j n 解扰方式，既影响信号质量，义增加了成本。在充分比较、分析多 种方案后，本文设计出了一种比较适合中国有线电视台收费管理、成本低廉的可寻址 收费管理系统。系统分为硬件和软件两个部分，按照c s 模式进行组织。系统先在服 务器中建立终端用户数据库，根据用户付费睛况，由服务器产生控制信息，控制信息由 服务器端r s 2 3 2 端口输出后依次通过信道编码器、调制器后加载到c a t v 信道；在客广1 终端经解调和解码等处理后，由用户端可寻址控制终端( 客户端) 执行开通或关断用 户电视信号。用户终端能够响应主控计算机的查询用户端口状态等指令，执行相关的 操作，并返回服务器所需要的数据；在通信方式上采取了广播通信和点对点两种通信， 从而实现半双工通信方式。 软件的设计上，本系统利用自主开发的管理控制平台。用数据库存储用户信息， 可对用户信息进行报表等处理。为保证系统的性能和稳定，整个开发采用组件软件丌 发模式；利用c s 模型和共享内存、c o m 、多线程等技术，将各种操作作为一种组件服 务放在后台运行，即使控制平台因为故障停止运行也不会影响整个系统的工作。 整个系统详细讨论了主要硬件和软件的设计，并给出了测试结果，实验证明，方 案合理，具有实用价值。 关键词：有线电视；收费管理；数据传输：c s 模型；c o m 技术：共享内存 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec a b l et vi sc h a r g e da n d m a n a g e dt ob eo n eo ft h eg r o u n d w o r ko fac a b l et vs t a f f o n t oc a b l et vs t a t i o n ，i t i sm a i ns o u r c e so fi t si n c o m et o c l r a r g e a n dp a yf o rt h ef i r s t i n s t a l l m e n t ，a n di ti st h ef o u n d a t i o no fg u a r a n t e e i n gd e v e l o p m e n ts t e a d ? i nal o n g t e r mo f c a b l et vs t a t i o ni ti sa ni m p o r t a n tc o n t e n t si nt h eu s e rm a n a g e m e n tt o r e g a i nt h ec h a r 2 e a n dr e d u c ei n s t a l l a t i o nc o s ti nt i m e a n di td e t e r m i n e st h ee c o n o m i cb e n e f i t so fa d l a t f o r n l a n d s e 】f - d e v e l o p m e n ta b i l i t yt oa2 r e a te x t e n t i ba d o p ta d d s o l v eb yw a y o f d i s t u r b i n g i n f l u e n c eq u a l i t yo f t h es i g n a la n di n c r e a s ec o s t a f t e rf u l l yc o m p a r i n g a n a l y z i n gm a n , k i n d so fs c h e m e s i n g t h i s p a p e rd e s i g nac h a r g e m a n a g e m e n t s y s t e m w h i c hi s c h e a p a n ds u i t a b l e f o rc h i n a 、a n di sa d d r e s s a b l e a d m i n i s t r a t i v e s y s t e m o f c h a r g i n gb y c a b l et vs t a t i o n r e l a t i v e l y s y s t e mc o n s i s t s o f h a r d u a r ea n ds o f t w a r e o r g a n i z ea c c o r d i n gt oc sm o d e s e t t i n gu pt h eu s e r sd a t ab a s ei n t h es e r v e rs y s t e m a t i c a l l ya tf i r s t a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o nw h i c ht h eu s e rp a y s t h es e r v e r p r o d u c e dt h ei n f o r m a t i o no fc o n t r o l l i n ga t t t o m a t i c a l l y ；c o n t r o li n f o r m a t i o no u t p u tt h r o u 2 h 【h er s 一2 3 2 p o r to ft h es e r v e r t h e n c h a n n e l e n c o d e r m o d u l a t i n gm a c h i n eo n eb vo n e c o u p l i n g i nc a t vc h a n n e ia t l a s ta tc u s t o m e rt e r m i n a ts t a t i o nf i n i s h u n d e r g o i n g d e m o d u l a t i o na n dd e c o d i n g t h ea d d r e s s a b l ec o n t r o lt e r m i n a ls t a t i o n f c u s t o m e rt e r m i n a l 、 c a l t 一o u ta n do f f e rs e r v i c eo rs h u to f ft h eu s e rt vs ig n a l c u s t o m e rt e r m i n a lr e s p o n dt h e s e r v e r sj n s t r u c t i o ns u c ha sq u e r y i n g t e r m i n a ls t a t e c m 。r vo t t tt h er e l e v a n to p e r a t i o n a n d r e t u r nt ot h e d a t at h a ts e r v e rn e e d s b r o a d c a s tc o m m a n i c a t i o n a n do n et oo n eo f c o l i l m u n l c a t l o na r e a d o p t e d i nt h ec o m m u n i c a t i o n w a v r e a l i z i n g h a l fa d u p l e x i n g c o n m m n i c a t i o n w a y f h ed e s i g no ft h es o f t w a r ei sh a d ，t h i ss y s t e mu t i l i z e st h ep l a t t b r mo f m a n a g e m e n t c o n t r o l o t i n d e p e n d e n td e v e l o p m e n t s t o r eu s e r si n f o r m a t i o nw i t hd a t a b a s e a n dc a r r yo nr e p o r t f o r i l l 、e t c t od e a jw i t ht ou s e r si n f o r m a t i o n t no r d o rt og u a r a n t e es y s t e m a t i cp e r f o r m a n c e a n ds t a b i l i t y ，t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tm o d eo f p a c k a g ee n t i r e l yi sa d o p t e d ；i tu t i l i z e sc s m o d e la n ds h a r em e m o r i e s c o m s m a n yt h r e a d e t c t e c h n o l o g i e s e ss e r v ea n ds e tf l e e a s o n eak i n do f p a c k a g e so p e r a t i o n s a ss o o na st h ep l a t f o r ms t o pt or u nb e c a u s eo ft r o u b l e t h ew h o l e s y s t e m a t i cw i l ln o ti n f l u e n c ee i t h e r w h o l es y s t e m sd i s c u s sm a i nh a r d w a r ea n dt h e d e s i g n so fs o f d , v a r e si 1 3d e t a i l g i v et e s t l - e s u l to f p r o d u c i n g ，t h ee x p e r i m e n t p r o v e s ，t h es c h e m e i sr a t i o n a la n dh a v e p r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d ：c a b l et v ：p a ym a n a g e m e n t ：d a t at r a n s m i s s i o n ；c sm o d e l ：c o m t e c h n o l o g y s h a r et h em e m o r y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：尚j 、冬 日期：2 d d 牛年4 月k 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密固。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：尚0 、露 日期：2 d o 斗年年月f g 日 指导教师签名破呶 日期：夕一年严月g 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 1 绪论 随着科学技术的不断进步和电视机在平常百姓家的普及，有线电视网在我国已成 为仪次于电话网的第二大网。有线电视的迅猛发展及电视用户消费观念的改变，不仅 推动了电视广播技术的进步，更重要的是导致了电视广播运营机制的变革。付费收看 电视已成为我国有线电视向更高层次发展的方向和必然趋势。它满足了有线电视台发 展增值的需要，并且是实现增值业务的有效手段”1 。最初，有线电视台采用的是人 工管理收费。由于在一些地区用户的自觉交费意识差，采用各种手段逃避收费的现象 严重，造成人力的大量浪费，因而依靠人工收费方式不仅有所不便，而且效益低下”1 。 对于一个中小规模的有线电视台，按照现行基本频道的收费标准，如果有2 0 3 0 的用户服务费收不上来的话，有线电视台的经济损失己相当于当年节目支出的费用“。 因而各家电视台迫切希望采用一种手段来改变这种状况”“。 有线电视技术的发展，对不同的信号和不同的用途，用户管理系统应能添加相适 应的管理计费设备，这是适应发展的必然要求，宽带信息网用户管理系统的实质就是 用技术手段对用户的所有信号通道进行授权控制，对信道的使用，按用途不同实行不 同的计费，对非法用户的信道进行强制切断。它不完全等同于加孵扰方式，由于存在 信号损伤、成本高而难以推广“1 。 1 2 国内外现状 有线电视业健康、迅速的发展，是有线电视成为竞相投资的热点，主要得益于有 线电视管理的科学化和不断发展的先进技术手段。国外的有线电视在建立之初就制定 了它的发展计划。从简单的模拟加解扰方法i c 卡授权方式开始，随着计算机技术和 数据通信技术的高速发展，至今天利用大规模集成电路，采用数字加解扰技术，对加 密电视节目解密。目前国外市场普遍采用的机项盒方式，它集视频，音频，数据和语 音业务于一体，实现了宽带综合业务应用”3 。我国的有线电视事业才刚刚起步，国内 有线电视台想借鉴国外的经验和技术，直接采用有线电视加解扰技术，想以此方式解 决电视收费和管理的问题。因而大力进行电视加解扰技术的研究和开发，我国采用加 解扰技术进行电视节目服务的管理体制为两级加扰管理体制。一级加扰用于中央、省、 自治区和直辖市通过卫星、微波、光纤等传输的加扰电视节目；二级加扰用于经授权 华中科技大学硕士学位论文 接收后的中央和省级加扰电视节目或用于各地有线电视台自办的加扰电视节目。经授 权接收的中央和省级电视节目可以解扰后采用不同于原加扰方式进行加扰，也可以不 解扰只更换管理控制信息，向本有线电视网络用户传送。一级加扰必须采用计算机系 统进行寻址，对解扰信息进行管理。二级加扰九户以i - _ a , j 有线电视网络加解扰系统， 应具有计算机寻址和授权解扰信息管理功能。j 户以卜的小型有线电视系统允许选用 简单加扰方式。 国内采用电视加解扰技术也生产出桐关的产品，但枣实证实在目前我国的国情f 效果并不理想；其主要原因有：( 1 ) 采用电视加解扰技术的设备成本较高：对每个收 看有线电视的家庭用户来讲，都必须配备一台或几台解密器，用户一次性投资太大， 觉得难以接受，致使推广较困难；( 2 ) 目前我国电视节同源还不是很丰富，能加密控 制的电视节目源就更少，有新的、好的、大家喜欢的电视节目制作出来以后，许多家 电视台都在播放，用户可以选择没有加扰的频道收看。因而难以起到用加密手段来解 决收费管理的效果；( 3 ) 国外相应的产品成本价格过高、系统实施费用昂贵以及操作 复杂，难以适合我国的国情m w 。 利用可寻址终端进行收费管理目前也有一些实现方案，本系统不同之处在于实现 了双工通信，不仅可以寻址终端发送控制信息，还能使终端按照要求查询用户端口状 态，记录端口异常时间信息，并把这些信息返回给服务器。同时强调了整个系统的稳 定性和性能的高效性。 1 3 论文研究的内容 本课题的研究目的就在于利用数据传输技术，为有偿收看，合理付费，同时便于 管理提出一种可行的解决方案并实现该种方案：主要涉及到以下问题：( 1 ) 系统控制信 号的产生、信源编码及用户端口的识别：( 2 ) 信道编码与控制信号的发送及接受；( 3 ) 服 务器与客户端的通信方式及通信协议：( 4 ) 信道容量及访问方式的控制；( 5 ) 用户数据 库定义与建立及相关操作；( 6 ) 数据的共享，满足用户网络查询及操作管理的要求。 本课题涉及到的主要技术有；( i ) 利用有线电视信道的广播式通信和点对点通 信，满足双工通信的要求；( 2 ) 共享内存技术，提高系统的稳定性和数据交换的高效 性；( 3 ) c o m 技术，实现系统的组件化：( 4 ) 多线程技术，提高系统性能。 作者主要的工作如下： ( 1 ) 服务器和客户终端外围电路的设计： ( 2 ) 系统软件的开发： ( 3 ) 主要硬件电路的测试和软件的测试。 华中科技大学硕士学位论文 2 1方案确立的原则 2 系统方案设计 可寻址收费管理系统以现有的有线电视网络为基础，在功能满足廊用的l j h 提卜| ， 应尽量减少成本，提高性价比“。目前，我国大多数有线电视网主要义以v j l 个共一j 点： 频率范围在3 0 5 5 0 m h z 或更高，每一个电视频道需要8 m l i z 的频宽，图像采用的 是残留边带调幅方式而伴音采用的是调频方式。 系统一般有五个部分组成，即信号接受与信号源、前端信号处理单元、干线传 输分配系统、用户分配网络和用户终端五部分组成。 传输方式多为单工方式，由中心经过若干条干线、支线等把电视信号传送到用 户，由信号前端到用户终端单向工作。信号只能由前端通过网络到达用户，而不能由 用户通过网络到达前端一，。 信号是从点( 前端) 到面( 用户终端) 的传输，只要用户符合接受条件，就可以收 到由前端传送来的信号。 采用特性阻抗为7 5 q 的同轴电缆作为传输线；网络结构为同轴电缆星型结构。 有线电视台众多，传输网络的结构基本相似。每一个有线电视台用户数多，网 络覆盖面广。 根据以上特点，可以确定有线电视网络的改造的基本原则：即尽量不影响电视信 号的传输质量，而且设计时对原有系统尽量避免改动，予以最大的保留，这既可以节 约改造成本，又可以减少维护和安装人员的学习“”“。 2 2 系统功能 可寻址收费管理系统的目的是为了解决有线电视收费难的问题和便于管理维护， 实现有线电视网络的自动化，因而本系统应结合c a t v 网络的特点，至少具备下列一 些基本功能： l 系统应该能随时查询到每一个用户，控制其对有线电视信号的接受与否，这样， 可以通过切断欠费用户的电视信号来达到促进其缴费的目的； 2 实现系统的计算机管理，自动报告即将需要缴费的用户和欠费的用户，随时可 以查询、打印有线电视网络用户的缴费情况，方便集中控制和管理： 3 系统可以根据用户的情况生成报表，统计用户的情况，并具有一定的报表处理 华中科技大学硕士学位论文 能力： 4 可寻址终端应具有掉电记忆功能，以保证因各种原因出现掉电后，町寻址终端 能自动恢复掉电以前的状态，以确保合法用户的既得利益”“。 同时，控制端应具有一定的数据处理能力和容错能力，数据能够共享，能为用j 、 查询；为了系统维护和便于用广1 查询，在用户端出现事故时能够记录事故 h 现的时刻 和简单的原因等同志。为实现自动化管理，对于欠费用户，可以实现自动语音提示， 根据事先设置好的电话号码拨打用户电话“”。 传统的收费管理系统一般只体现服务器对用户端的控制作用，数据是单向传输 的，本系统不仅能完成这种传统意义上的管理和控制，同时用户端还能响应服务器的 指令要求，向服务器传送需要的数据和当前状态信息。从而实现从一般意义上的单工 通信方式到双工通信方式的转变“。 整个系统应能确保数据的安全性和系统的稳定性，因而在设计和实现的过程中这 是一个非常重要的功能因素。 2 3 系统的体系结构 对于一个系统，体系结构往往决定了整体的性能，因此选择一个合理的体系结构 对系统性能有至关重要的影响，下面给出目前比较流行的几种框架结构，为本系统的 选择做一个全局意义上的参考和评价，然后得出本系统的整体功能框图。 2 3 1 c s 构架与多层结构 c s ( 即c l i e n t s e r v e r ) 构架是一种两层结构的系统：第一层是在客户机系统 上结合了表示与业务逻辑：第二层是通过网络结合了数据库服务器。该通信模式在客 户机和服务器之间定义一套通信协议，客户机发出数据传输请求，服务器监听来自客 户机的请求，并为客户机提供响应服务，接受客户端的数据。 多层开发要优于传统的客户服务器编程。因为多层应用系统能够将客户服务 应用系统的灵活性框架与主机系统的健壮性和可伸缩性结合起来。事实上，典型客户 服务器系统设计上的局限性已经阻碍了客户服务器计算环境的发展。典型客户 服务器系统设计上的局限性之一，就是软件一般不能有效地分层处理，客户服务器 软件常常是一体化的。 c s 构架模型又分为胖客户和瘦客户。 传统的客户服务器应用程序是“胖客户”软件，这使得每次更新都比较困难。 胖客户软件是指运行在客户计算机上，包含处理数据和向用户表示数据两部分的软件。 4 华中科技大学硕士学位论文 图2 - - 1 是一个胖客户软件模型 客户层 数据层甍l 。前i 圈 客户层 中间层 数据层 圈2 - 1 胖客户c s 模型图2 - 2 多层体系结构 图2 - 1 中，胖客户包含“业务逻辑”，这种业务逻辑可能包含直接访问业务数据库 中的表和字段的程序代码，也可能包含对数据进行计算的公式或规则代码。同时，客户 层中的用户界面部分直接与数据库通信：在这种情况下，数据库中的字段和记录直接 对应用户界面中的元素。 对于瘦客户，每次更新应用程序时都要更新所有客户机的需求大大降低。瘦客，、 使我们可以修改服务器软件组件，而不必每次都要更新所有客户软件。图2 2 给出了 一个简单的多层体系结构。图2 2 中，多层应用系统使用不包含业务逻辑的瘦客户， 业务逻辑被移到某种中间层中。在有些多层应用系统中，中间层软件运行在其自己的 计算机上。面在另外一些多层应用系统中，中间层软件与数据库软件运行在同一台计 算机上。 2 3 2 本系统采用的构架 本系统从设计的功能要求上来看，既需要与客户端通信：基于这种功能上的要求， 为满足通信的性能，在利用c o m 技术的基础上，采取了多层体系结构，可寻址客户端 和服务器之间通过中间层，把数据的处理和通信封装在组件里，使其成为一个瘦客户。 本系统中数据库是两种结构的数据交换区，主要采用的是共享内存技术，以保证数掘 的实时性和交换的安全性，一致性：共享内存技术的采用，在整体上提高了系统尤其是 软件的性能。 2 4 系统总体功能框图 根据系统的要求，以及以上功能上的分析。结合c s 体系结构及多层体系结构 现得出本系统体系结构如图2 3 所示。 华中科技大学硕士学位论文 r 一 一： 4 蓁c 箍a 蓁t v 信 道 图2 3 系统体系结构 系统整体上可分为两个部分：服务器和客户终端。 服务器包括p c 机和外围的适配器、编解码电路、调制解调以及滤波电路等；主 要存储用户的相关信息，同时也是信息的处理中心，它自动或手动控制各客户的端口 状态，生成各用户的相关信息报告。系统可同一模块的多机运行，多模块联网运行， 达到数据库共享的目的。 客户终端是本系统的主要执行单元，包括编解码、调制解调器、接收发设电路、 即，捕l 及- r ：# t f l a 电路等，客户终端根据服务器的指令管理各用户端 j 的”通及断丌状 念，同时蚧控各用厂端口，记录事故发生的时间等信息。客户端可以i 响应服务器的要 6 华中科技大学硕士学位论文 求，自动或被动的向服务器传送当前的端r = l 状态或控制信息。 功能框图的两个大的部分中，本论文的讨论和设计的重点将放在本地服务器的没 计和客户终端的设计上，为保证系统的性能和安全性，我们在服务器端采用了多层体 系结构，利用c o m 技术和共享内存技术，将数摒库访问利处理，客的通信按功能和 逻辑的方式有效的隔离丌来。 华中科技大学硕士学位论文 3 1概述 3 系统硬件设计与实现 多层体系结构是在传统c s 体系结构基础上发展起来的，在分布处理过程中，使 用基于连接的网络通信模式。该通信模式在客户机和服务器之间定义一套通信协议， 建立一条可靠的链接；客户机发出请求，服务器监听来自客户机的请求，通过连接数 据池的中间组件层接口为客户机提供响应服务。在本系统的设计中，除了这种典型的” 请求一应答”模式外，还采取了服务器主动“轮寻查询”的通信方式。系统主要有软 件和硬件两部分构成：硬件的整体功能图如图3 - 1 所示。 服务# 图3 - 1 系统硬件整示意图 系统可分为三个部分：服务器、数据传输部分和客户端控制器等。 ( 1 ) 服务器：包括主机、显示器和打印机等，构成硬件平台；具备系统设置、用 户信息管理和端口控制管理等功能。 ( 2 ) 客户端：完成对端口的控制功能，接受服务器的指令要求并作出相应的响应。 ( 3 ) 数据传输部分：包括端口适配器，编解码，调制解调，发射接受，混合器及 分支等。数据调制器采用射频输出方式，其输出频率在c a t v 网频带内，因此数据解 码处理的数据，经调制器后输出端口可与c a t v 前端混合器直接混合连接到干线。调 制器的数据输入通过r s 一2 3 2 接口适配器与计算机相连。控制信号信道编码处理后采 用a s k 或f s k 调制，包括保护带占用1 m h z 带宽；a s k 或f s k 输出信号与电视信号一起 馈入干线。在接收端要经过分离器分离，然后解码，解调等“。 本系统是双工通信，服务器向终端客户发送控制信息和数据，又要从终端客广| 中 取回所要的信息：另外，在发生异常的情况下，终端客户还可以主动和服务器建立连 接，奠：向服务器发送数据；所以在以下的电路设计中，将数据传输部分的介绍分别放 在服务器和客户端中。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 服务器外设电路设计 3 2 1 服务器设计框图 服务器硬件框图如图3 - 2 所示。 图3 - 2 服务器硬件框图 图中。信号流向分两个方向，其中信道编码、调制解调、发射滤波和混合器，构 成信号的下行信道；而从耦合器、接受滤波器、解调器、信道解码器是信号的上行信 道；经适配器是上行信道和下行信道的公共通道。 由计算机产生的控制信号在适配器中经隔离排序缓冲，然后送到编码器进行信道 编码，编码后的数据在经过调制器后，到达发射滤波器，通过混合器进入c a t v 信道 的。 上行信号是通过耦合器从c a t v 信道中获取的，处理方法是上行信号的逆过程。 识别电路产生的信号是高频j 下弦波，主要用来辅助检测客户端用户端口信息的。 下面只对关键部分的设计做详细的介绍。 3 2 2 适配电路 r s 2 3 2 适配器，完成信号电平的转化和隔离；同时由于设计为智能适配器，能对 客户请求进行缓冲和对服务器发送的控制信息排序，从丽更能满足系统的要求。 9 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 电平转换和隔离 在系统的前端，服务器根据数据库中的用户信息自动产生的控制信息编码是经过 串r s 一2 3 2 c 传输的，由于r s2 3 2 c 的逻辑0 电平规定为+ 5 + 1 5 v ，逻辑1 电甲 规定为一1 5 v 一5 v ，因此与t t 电路接口时必须经过电平转换”。 1 1 二常情况下，只要电气特性符合要求，计算机和外没直接连接是不会产生问题的， 通信也可以f 常进行。但当出现异常情况，诸如某些偶然原因导致设备漏电和电源短 路，外设会带上较高的电压，这个电压通过线路加在串口的输入端，轻则引起串口电 路失效，重则造成计算机损坏，操作人员触电，使系统通信终端，设备失控。 本系统采用包含两路接收器和驱动器m a x 2 5 0 2 5 1 完成电平转换，该芯片适合各 种2 3 2 通信接口。其内部有一。个电源电压变换器，可以把输入的+ 5 v 电源电压变换成 为r s 一2 3 2 c 输出电平所需的正负1 0 v 电压。所以采用此芯片接口的串行通信只需要一 个+ 5 v 电源就可以了“”“”。“，这也适合适配电路整体电源的设计。 使用光电隔离器4 n 2 5 完成串口保护隔离，它和m a x 2 5 0 2 5 1 一起配合工作，利用 m a x 2 5 0 2 5 1 的电压变换器实现隔离；图3 - 3 就是适配器的框图。 数据 编码 器 圈3 - 3 适配器框图 2 ) 缓冲和排序 适配电路除了隔离和电平转换外，有两片微控制器a t 8 9 c 2 0 5 1 ，执行串口通信， 还完成对客户数据进行缓冲，同时记录当前客户的优先级别，对各客户响应按照高低 优先级别进行排序：之所以这么考虑，是因为系统可能要对某个终端端口进行巡测( 例 如对某个可疑用户进行监控) ，而如果采用整体轮训的方式则需要将整个终端网络查 询一次，这样既没必要，同时也加重了通信的负担。采用这种设置优先级别的方式， 使经常和服务器通信的终端得到较高的服务权限，可以有效的降低系统通信的负担和 提高系统整体的性能。 a t 8 9 c 2 0 5 1 的指令集和5 l 完全兼容，片内有两个独立的1 6 位定时计数器，两个 外中断接口，一个串行通讯口，2 k 字节电改写闪速存储器( f l a s h m e m o r y ) 和1 2 8 字节 r a m ，相当于8 0 3 1 、3 7 3 和2 7 1 6 组成的最小系统。能满足一般智能仪器监控程序和数 据存储器的容量要求，不必扩展外部r o m 和r a m 2 小”1 。 由于两片a t 8 9 c 2 0 5 1 只完成排序和缓冲的功能，对接受到和发送的数据帧不进行 分析，放不扩充存储器；同时分别利用了控制器串行通信和并行通信两种方式，串行 华中科技大学硕士学位论文 中断和一个外中断。其功能连接图如图3 - 4 所示。 m a x 2 5j 编 解 女屿 圈3 - 4 适配控制器迮镁 a t 8 9 c 0 5 1 ( 1 ) 一方面通过串口接受服务器的数据，并将数据放在片内r a m 缓冲区， 另一方面通过p 3 3 触发a t 8 9 c 0 5 1 ( 2 ) 控制器引起中断，将数据以并行的方式传给 a t 8 9 c 0 5 l ( 2 ) 。a 1 8 9 c 0 5 1 ( 2 ) 一方面将从a t 8 9 c 0 5 1 ( 1 ) 接受的数据通过串口传给编码器， 另一方面接受解码器的数据放在片内r a m 缓冲区，同样设置本机p 3 3 脚电平，引发 a t 8 9 c 0 5 1 ( 1 ) 中断，将数据以并行的方式传回给a t 8 9 c 0 5 1 ( 1 ) 控制器；在两个控制器之 间通信的过程中，首先都在本控制器中根据用户的优先级完成排序，优先级高的先得 到通信的机会，优先级采用“最近最常使用”用户获得高优先级的算法，和服务器通 信次数越多优先级越高，当然也可以在服务器端设置某个用户的优先级别。图中p 3 3 作为控制器之间同步信号。3 “2 “。 需要注意的是，由于a t 8 9 c 0 5 1 控制器只有1 2 8 b y t e 的片内r a m ，所以两个微控制 器只对从服务器和解码器接受到的数据进行缓冲和排序，两者之间只传输已排序好的 数据，不对数据帧进行解析处理1 。 3 ) 排序算法 由于a t 8 9 c 0 5 1 只有片内1 2 8 字节的r a m ，所以选择排序算法时，一定要考虑容量 的问题，同时要合理选择缓冲区大小；在进行缓冲的时候，也不是直接缓冲一个端口 所有的信息，而只是记录其优先级和终端地址，其中终端地址2 1 b i t ( 实际编码时 4 8 b i t ，应先做转换，见4 3 3 ) 中的协议结构) ，优先级3 b i t 共8 级，共缓冲8 个终 端( 每个终端含8 个用户，故一台服务器可以缓存的用户为o 1 6 7 7 7 2 1 6 ) ，所以缓冲区 大小为2 4 b y t e ，除系统占用的r a m 外，其余均可用于排序。均衡耗费系统资源和时问 的因素本系统采用选择排序算法，每次选择优先级最高的终端，然后响应其服务。 算法框图如图3 - 5 所示。 华中科技大学硕士学位论文 ， f开始 r 一 初始化指阳郫个位筒，待选扦，i 豢为7 t 一 衲始化址小位年【1 屉小值的位艘i , i 弗一淞比技采的 地自j ：平i ；l - v 。比较次数 一t 一一一一雨磊i i i ；j 。l ，：；了，i i 磊1 _ n 一些望! 竺苎竺二二! 竺! ! ! 坚j 一一 一一 y l保存新的垃小值和它的位拦!i 士 l调褴指针，准备下一次比较l ， 旦= j 匦垂蔓堕至二一y 将展小值元素和当前位置元素进行变换 调整下一个位置 ” t y ( 结束 ) 图3 - 5 排序算法流程图 3 2 3 信道编解码与调制解调器 编解码和调制解调及信号流向框图如3 - 6 图和图3 7 所示。 编码器 p t 2 2 6 2 解码器 p t 2 2 7 2 图3 - 6 编码调制原理图图3 7解码解调原理框图 1 ) 编解码器 编解码采用p t 2 2 6 2 2 2 7 2 ，有1 2 位三态地址端管脚( 悬空，接高电平，接低电平) 。 任意组合可提供5 3 1 4 4 1 个地址码，p t 2 2 6 2 最多可有6 位数据端管脚，设定的地j ：j l ：i 冯和 数据码从输f 端串行输出。p t 2 2 7 2 最多也有6 位数据端输出管脚，同时有解码有效指 华中科技大学硕士学位论文 示输出，只有相同地址编码的信号才能别解码，p t 2 2 7 2 采用非锁存型输出。 服务器发出的控制信号经过适配器并行进入信道编码器p t 2 2 6 2 ，在编码器中采h j 硬接线的方法设定任意一组a 0 a 1 1 的1 1 位地址码，这样控制信号和地址信息一起 经过编码器后输出两路串行编码信号，然后送入调制器。在接受解码时，解码芯j i 也 通过年口同的地址预制码对接受到的串行信号进行解码，除掉编码时的地址信息，卜j 输出并行信号。可以看出，编解码器一方面实现串行信号和并行信号的转换，另+ 力 丽将地址信息加到控制信息之中。 2 ) 调制解调器 调制器f 0 5 c 采用声表谐振器稳频，调制频率的频点为3 1 5 i h z ，频率一致性较好， 适合多发一收无线遥控及数据传输系统。采用调制方式时a m 方式，这样调制可以降 低功耗，因为如果数据信号停止，输出电流降为零。内含隔离调制电路消除输入信号 对射频电路的影响，信号直接耦合，性能比较稳定”。 解调器j 0 4 c 是一+ 种接收模块，解调频率为3 1 5 m _ + 1 m 误差，可以调整接收频率， 并具有_ - 4 - i o m 可调范围，本系统中应和调制器f 0 5 c 调制频率一致，都在：j 1 5 m ，只有对 准收发频点才能获得最大解调效果。j 0 4 c 内部不包含放大整形，输出的信号需外加放 大整形电路刁。能至解码器解码n ”。 需要注意的是，编码器和解码器必需工作在相同的地址编码情况下，否则，虽然 可以解调，但因为地址编码不一致而得不到解码。 3 3 传输数据的格式 本系统采用r s 2 3 2 串口通信，串行通信协议包括同步方式和异步方式，但本系统 采用的是异步起止式通信方式。在异步传输方式下，传输以字符为单位。当发送一个 字符代码时，字符前面要加一个“起”信号，其长度为一个码元，极性为0 ，即空 号极性；字符后面要加一个“止”信号其长度为l 、1 5 或2 个码元，极性为“i ”， 即传号极性，也可以单独发送，不发送字符时线路保持“l ”状态。如图3 8 所示。 图3 - 8 异步传输起j 同步 每个字符由8 比特( 位) 组成，加“起”、“咖”信号共1 1 位长，两字符之m f ( , jr j 隔长度可以爿i 确定。 以 ：通信格式是物理链路层协议，本系统无论是l ，c 机的r s 2 3 2r 或是客户终端 华中科技大学硕士学位论文 的串口都提供了很好的支持，只需要简单的设置即可。但对于一个通信应用系统，我 们更关心的是按照系统的需要指定适台自己数据传输的应用层协议。下面给出本系统 的协议格式，如图3 - 9 所示。 描述 k 度 i 终端地址传输命令计数据校验 lo 56 1 41 5 1 6 幽3 - 9c a t v 系统的庸川层协议 在服务器发向每个终端数据的开始就是端口地址，作为数据帧的识别标志，共占 用6 b y t e ，每个终端在接受数据的时候也首先分析这个地址，如果和自己的固有地址 相符合，则接受后面的数据，否则忽略后面的数据。传输命令和数据是服务器向终端 发送的主要信息，完成对用户端口状态的设置、读取操作，还包括的指令有读用户端 口、写用户端口、读时钟信号、写时钟信号以及读用户r a m 区等，在传输的命令和数 据字中，指令编码共占用了4 b i t 。校验位对前面的数据和地址信息进行异或校验，以 保证数据帧的有效性。 关于本系统应用层协议的具体含义和数据帧的定义，在下一章软件设计部分 ( 4 3 3 节) 有详细的介绍。 3 4 智能终端设计 3 4 1 终端设计框图 客户端包括单片机，发射接收电路和运行在单片机内的程序等。它根据服务器的 指令控制用户端口状态，并可按时或按指令返回信息给服务器。客户端运行的是用 户端口控制程序，它接收服务器的指令，响应服务器查询及控制要求：主要实现以下 功能： 按事先编码要求查询到具体的用户地址端口； 根据接收到的服务器信息控制每个用户端口的接通与断开状态； 根据服务器指令将相关用户的使用时间及端口状态传给服务器，否则将按照 设定时间间隔自动把每个端口用户信息发给服务器； 可掉电保护，在突发性断电的情况下能保持客户端端口状态及相关用户的数 据不变，并在重启动后能自动恢复保存的数据。 客户端的上行线路和下行线路各部分功能如图3 1 0 所示。 华中科技大学硕士学位论文 翻3 1 0 客户端框图 图中，调制解调与编解码的原理与服务器端相同，在此只就单片机、单片机外围电路 及分离器作简要说明： 射频丌关采用m a x i m 公司的m a x 2 6 3 1 ，属于运用在从甚高频( v h f ) 到微波频段的 低电压、低噪声放大器。在单电源2 7 5 5 v 供电电压下工作，它们对9 0 0 m h z 的频率 有平稳的增益，同时，它们具备的低噪音指数和低电源电流特性使它们在接收、缓冲、 传输中频信号应用时，是非常理想的高频元器件。m h x 2 6 3 1 被内部偏置，不需要外部偏 置电阻或电感。其特点是有一个掉电功能管脚，可在电源电流小于1ua 时，让放大器 断开；关断比可达5 0 6 0 d b 。 日历采用时钟芯片d s l 3 0 2 1 ，它可保存年、月、同等信息，作外围定时之用；以 便可使客户端每隔一段时间自动向服务器发送一次用户数据，或记录故障时刻。 掉电保护通过x 2 4 c 4 5 非易失性存储器，使在发生不可预知的，突发性的事件出 现断电时，将对应每个端口数据保存在f l a s h 存储器罩，电源j 下常后再恢复各端口状 态已以保存的数据； 分支器从c a t v 信道里取出电视信号：然后在射频开关控制下将信号送入用j “。 单片机采用a t 8 9 c 5 2 ，它通过编程实现对各端口的状态进行监控。并负责和服务器的通 华中科技大学硕士学位论文 信，与f i i _ | 历及掉电保护芯片交换数据，同时还在对应存储区里保存各端口接通时间和 状态等。 3 4 2 端口监控 控制用户端口的状态是客户端需要完成的主要功能，也是本系统设计的最终h 的。端口控制框图如图3 1l 所示。 串u 发送串u 接受 用用用用用用 用用 户 产 产产产产 户户 l234567 8 图3 - 1 l 端口控制原理框图 系统设定每天服务器通过r s 2 3 2 接口至少和每个终端通信一次，以设定各用户端 口状态。 一个终端客户监控8 个端口，分别对应8 个用户，同时为了i 己录每个用户的信息， 扩展了8 k 的外部r a m ，分别对应8 个用户，作为数据缓冲区。 终端运行后开了两个中断，一个是串行中断，用来接受服务器的指令和数据；另 一个是为外中断0 ，用来处理端口状态的改变。为保证终端能及时响应服务器的指令 要求，串行中断的优先级高于外中断。 从a t 8 9 c 5 2 的p l 口输出控制信号，经过锁存和放大后控制射频开关，如果是合 法用户则输出l 让射频开关接通，否则断开1 。为了能对各端口的状态改变做实时监 控，将a t 8 9 c 5 2 外中断o 做了扩展，分别引入8 个端口的状态信息，一旦端口状态发 生改变就引起中断，这时候在a t 8 9 c 5 2 控制下读取发生改变端口状态的同时读取时钟 芯片的时间，并把发生状态改变的端口的状态连同时间写到对应的r a m 缓冲区。在检 测端口状态变化时，利用了从服务器发送的识别信号，一旦用户端口在射频丌关控制 _ f 打丌，则可以榆测到该识别信号的存在，经放大后产生外中断“”。 华中科技大学硕士学位论文 在没有中断的情况下( 此时系统为空闲状态) ，控制器不停的读取各用户的r a m 区，将用户端口的状态写到调电保护芯片中，以保证调电保护中各客户的端口状态为 最新状态。监控端口的主流程图和串口框图如图3 一1 2 所示。 主程序流程 r 半打中断j f ：嫦】 一 t 一 保护t p 断点 一蜓参1 叵卿 蕊藤 c 望里! 堕罗 书口框图流程 图3 1 2 终端监控流程 终端在接受到服务器的指令后，能先对数据帧进行分析，判断指令的类型，然后 分别作出响应。指令类型有：读写端口状态，读写调电保护数据，读写时钟信息和读 取用户的r a m 缓冲区数据。 3 4 3 掉电保护 本系统服务器和各终端的通信不是时时刻刻在进行，大多数