淺談一種基于FPGA的雙冗余422串口通信方法及實現(xiàn)

孫廣海

摘 要 對于任何設(shè)備而言，無不重視對外交互接口的時效性和正確性。如何在有限的資源條件下保證通信的實時性和正確性成了通信設(shè)計的關(guān)注重點。本文介紹了一種基于FPGA實現(xiàn)雙冗余422串口通信方法。

關(guān)鍵詞 FPGA;雙冗余;實時性;正確性

1技術(shù)領(lǐng)域

本方法涉及電子對抗領(lǐng)域，尤其是電子對抗中與外部接口通信處理，具體而言涉及一種基于FPGA的雙冗余422串口通信方法設(shè)計。

本方法提供一種基于FPGA的雙冗余RS422通信方法及實現(xiàn)，該方法采用FPGA實現(xiàn)了雙路RS422串口通信的冗余備份，同時解決了每路RS422串口通信的主/從應(yīng)答機制，提高了通信的實時性，同時降低了應(yīng)用層任務(wù)處理資源的消耗[1]。

2背景技術(shù)

在現(xiàn)代電子對抗中，無論對于哪種系統(tǒng)設(shè)備而言，與外部接口通信都是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。接收外部命令消息，上報自身設(shè)備信息都必須依賴于外部接口，所以外部接口通信尤其要保證穩(wěn)定、高效。隨著近年來電子技術(shù)的發(fā)展，雷達體制和信號形式變得越來越復(fù)雜而多樣，戰(zhàn)場空間電磁密度不斷提升。各型設(shè)備上報的信息越來越復(fù)雜，數(shù)據(jù)量越來越大，對外部接口設(shè)計的實時性要求越來越高。而由于受限與平臺總線形式和外部接口通信協(xié)議，通信方法設(shè)計難度隨之提升，且重要性不言而喻。下面介紹某型平臺上某型設(shè)備對外通信方法設(shè)計。

該型直升機機上配置的是RS422總線，機上綜合任務(wù)系統(tǒng)與某型設(shè)備系統(tǒng)（以下簡稱設(shè)備系統(tǒng)）通過兩路RS422實現(xiàn)通信，兩路RS422為雙冗余關(guān)系。為實現(xiàn)每路RS422通信的可靠性，定義通信協(xié)議為點對點的主/從應(yīng)答式全雙工422通信（傳輸周期50ms），綜合任務(wù)系統(tǒng)為主端，設(shè)備系統(tǒng)為從端。主端主動發(fā)送通信消息，從端在接收到主端發(fā)送的消息時，按照消息塊號判斷主端發(fā)送報文的正確性，正確則發(fā)送自身需上報的消息，主端接收到從端發(fā)送的消息報文時，根據(jù)從端發(fā)送的消息塊號判斷從端發(fā)送報文的正確性，正確則發(fā)送下一包報文，否則，重新發(fā)送當前報文。

若在設(shè)備系統(tǒng)軟件應(yīng)用層實現(xiàn)如此通信機制，則對設(shè)備系統(tǒng)處理資源提出很大需求，最主要是CPU的占用率，占用大量CPU時間資源來處理422消息接收和422消息發(fā)送，由于其他任務(wù)運行優(yōu)先級低于接口通信任務(wù)，導(dǎo)致其他任務(wù)無法搶占CPU運行時間，導(dǎo)致信息上報不及時。同時，由于CPU資源被占，導(dǎo)致通信接口接收消息和發(fā)送消息處理不及時，影響接口通信的實時性和準確性，接口通信低效。

為解決接口通信任務(wù)處理低效、實時性差的問題，我們采用FPGA來實現(xiàn)雙冗余和主/從應(yīng)答通信機制的處理，釋放設(shè)備系統(tǒng)CPU資源用于其他數(shù)據(jù)處理。

現(xiàn)有的接口通信任務(wù)處理是在應(yīng)用層運行兩個通信接收處理任務(wù)，每個接收任務(wù)處理一路RS422數(shù)據(jù)，兩個任務(wù)同時接收對應(yīng)RS422鏈路數(shù)據(jù)，根據(jù)鏈路狀態(tài)，判別雙冗余特性，決定數(shù)據(jù)主路和輔路，主路實時接收422鏈路發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)，接收完整一個數(shù)據(jù)報文后，進行校驗和消息塊號的合法性判斷，數(shù)據(jù)判斷正確后發(fā)送給數(shù)據(jù)處理任務(wù)進行數(shù)據(jù)處理;輔路實時接收422鏈路數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)類型是否為首次握手報文，若為首次握手報文則發(fā)送給應(yīng)用層數(shù)據(jù)處理任務(wù)處理，否則拋棄當前數(shù)據(jù)報文。當主路通信故障時，則處理輔路報文數(shù)據(jù)，當主路恢復(fù)正常通信后，再恢復(fù)主路數(shù)據(jù)處理。同時應(yīng)用層運行一個數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)緩存在FIFO中，數(shù)據(jù)接收任務(wù)接收到一個正確的通信報文后，將消息塊號傳遞給發(fā)送任務(wù)，發(fā)送任務(wù)根據(jù)當前消息塊號將需發(fā)送的數(shù)據(jù)報文發(fā)送給綜合任務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)通信機制的主/從應(yīng)答。數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)將數(shù)據(jù)同時發(fā)送給兩路RS422，數(shù)據(jù)保持一致。

上述通信方法是基于應(yīng)用層任務(wù)的處理方法，能實現(xiàn)雙冗余422主/從應(yīng)答式通信，但在實際設(shè)備使用中主要存在以下問題：

（1）要處理兩路422接口數(shù)據(jù)接收和一路數(shù)據(jù)發(fā)送，需運行兩個數(shù)據(jù)接收任務(wù)和一個數(shù)據(jù)處理任務(wù)，增加了任務(wù)數(shù)量，增加了任務(wù)調(diào)度時間消耗;

（2）由于雙冗余特性，兩個接收任務(wù)必須實時接收數(shù)據(jù)處理，但只處理主路數(shù)據(jù)，主路通信故障時，才處理輔路數(shù)據(jù)，導(dǎo)致任務(wù)運行低效;

（3）由于通信機制發(fā)送周期為50ms，當無應(yīng)用數(shù)據(jù)發(fā)送時，發(fā)送的是純通信包，用以保證通信鏈路的正常，兩個數(shù)據(jù)接收任務(wù)周期性讀取數(shù)據(jù)，應(yīng)用層回復(fù)純通信包，任務(wù)運行效率較低;

（4）由于兩個數(shù)據(jù)接收任務(wù)是通過CPU時間搶占式調(diào)度，兩者任務(wù)不能同時運行，影響的數(shù)據(jù)接收處理的實時性;

（5）由于數(shù)據(jù)接收任務(wù)和發(fā)送任務(wù)優(yōu)先級較其他任務(wù)優(yōu)先級高，尤其是信號處理任務(wù)，導(dǎo)致其他任務(wù)搶占不到CPU運行資源或運行資源不足，導(dǎo)致信號處理無法完成，影響設(shè)備告警或偵察。

綜上所述，對應(yīng)用層任務(wù)處理雙冗余422主/從應(yīng)答式通信方法進行工程優(yōu)化改進并實現(xiàn)，是設(shè)備適應(yīng)平臺總線形式和通信機制的迫切需要，它的實現(xiàn)可以提高對外通信的效率和實時性，同時提高了應(yīng)用層任務(wù)資源使用率[2]。

3方法內(nèi)容

本方法目的在于提供一種基于FPGA的雙冗余422通信方法及實現(xiàn)，通過FPGA的并行處理，實現(xiàn)雙冗余422的同步判斷，實現(xiàn)通信的實時性;同時根據(jù)接收到的消息塊號將需要發(fā)送的消息報文發(fā)送給綜合任務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了每路422通信的主/從應(yīng)答;在FPGA層實現(xiàn)純通信報文的回復(fù)，只將應(yīng)用消息發(fā)送給應(yīng)用層，保證了通信傳輸?shù)母咝浴?/p>

本方法的另一目的在于降低了應(yīng)用層任務(wù)數(shù)量，同時去除了應(yīng)用層中運行優(yōu)先級高且高頻率重復(fù)運行的任務(wù)，降低了CPU的使用負荷，提高了信號處理效率。

為達成上述目的，本方法所采用的技術(shù)方案如下：

建立兩個獨立的接收FIFO，實時接收兩路422串口數(shù)據(jù);

建立一個發(fā)送FIFO，用于存放應(yīng)用層需發(fā)送的消息數(shù)據(jù);

建立一個RAM，用于存放接收消息中消息塊號，默認初始化為0;

設(shè)定主路和輔路標記，實時接收兩路數(shù)據(jù)，優(yōu)先處理主路數(shù)據(jù)，同時判斷輔路數(shù)據(jù)是否為“首次握手”命令，若為“首次握手”命令，則將消息報文發(fā)送給應(yīng)用層，否則拋棄當前報文;

實時判斷兩路422通信狀態(tài)，當任意一路連續(xù)5個周期內(nèi)未接收到數(shù)據(jù)時，則判斷該鏈路通信故障，并將故障信息發(fā)送給應(yīng)用層，當一路通信故障時，調(diào)用另一路的數(shù)據(jù);

判斷接收數(shù)據(jù)長度，校驗和消息塊號，若報文正確，則將消息塊號放入RAM中;

判斷報文類型，若為純通信包，則判斷發(fā)送FIFO中是否為空，若為空，則讀取RAM中消息塊號，發(fā)送純通信包給綜合任務(wù)系統(tǒng)，若不為空，則讀取發(fā)送FIFO中的一個報文消息和RAM中消息塊號，發(fā)送給綜合任務(wù)系統(tǒng);

若接收報文為應(yīng)用消息，則將應(yīng)用消息發(fā)送給應(yīng)用層;

接收應(yīng)用層發(fā)送的上報數(shù)據(jù)，放入發(fā)送FIFO緩存中;

進一步的實施例中，所述的“首次握手”命令在FPGA層做一級判斷，當兩條鏈路同時收到“首次握手”命令時，只發(fā)送一次“首次握手”命令給應(yīng)用層[3]。

4具體實施方式

為了更了解本方法的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實施例說明如下。

第一步為鏈路狀態(tài)判斷流程，其實現(xiàn)包括以下步驟：

（1）設(shè)計兩個FIFO存儲器，用以存儲兩路422鏈路發(fā)送的數(shù)據(jù);

（2）設(shè)計一個RAM存儲器，用于存儲接收消息的消息塊號，Ram存儲器設(shè)置為連續(xù)讀寫模式;

（3）每50ms檢查FIFO存儲器中是否有數(shù)據(jù)，若有數(shù)據(jù)，則讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，若沒有數(shù)據(jù)，則統(tǒng)計周期次數(shù)，若連續(xù)5個周期FIFO中無數(shù)據(jù)，則將故障信息上報應(yīng)用層。

第二步為雙冗余判別流程，其實現(xiàn)包括以下步驟：

（1）檢查FIFO1中是否有數(shù)據(jù)，若有數(shù)據(jù)，則判斷FIFO2中數(shù)據(jù)類型;

（2）若FIFO2中數(shù)據(jù)類型為“首次握手”，則判斷FIFO1中數(shù)據(jù)類型，若FIFO1中數(shù)據(jù)為“首次握手”，則處理FIFO1中數(shù)據(jù);

（3）若FIFO1中數(shù)據(jù)類型不是“首次握手”，則優(yōu)先處理FIFO2中數(shù)據(jù)，再處理FIFO1中數(shù)據(jù);

（4）若步驟b中FIFO2中數(shù)據(jù)類型不是“首次握手”，則處理FIFO1中數(shù)據(jù);

（5）若步驟a中FIFO1中無數(shù)據(jù)，則處理FIFO2中數(shù)據(jù)。

第三步為主/從應(yīng)答機制判斷，其實現(xiàn)包括以下步驟：

（1）判斷FIFO中處理數(shù)據(jù)的長度、消息頭、檢驗和等是否正確，若不正確，則拋棄當前報文;

（2）若步驟a中FIFO中數(shù)據(jù)正確，則判斷報文中消息塊號與Ram中消息塊號是否連續(xù)，若不連續(xù)，則拋棄當前報文;

（3）若步驟b中消息塊號連續(xù)，則對報文數(shù)據(jù)進行處理。

5驗證說明

經(jīng)驗證：該方法實現(xiàn)了雙冗余主/從應(yīng)答式通信;解決了系統(tǒng)軟件處理時間和處理資源不足的問題;同時保證了數(shù)據(jù)傳輸時的可靠性與實時性。

參考文獻

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