孫廣海

摘 要 對于任何設備而言，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計的關注重點。本文介紹了一種基于FPGA實現(xiàn)雙冗余422串口通信方法。

關鍵詞 FPGA;雙冗余;實時性;正確性

1技術領域

本方法涉及電子對抗領域，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/從應答機制，提高了通信的實時性，同時降低了應用層任務處理資源的消耗[1]。

2背景技術

在現(xiàn)代電子對抗中，無論對于哪種系統(tǒng)設備而言，與外部接口通信都是關鍵環(huán)節(jié)。接收外部命令消息，上報自身設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的發(fā)展，雷達體制和信號形式變得越來越復雜而多樣，戰(zhàn)場空間電磁密度不斷提升。各型設備上報的信息越來越復雜，數(shù)據(jù)量越來越大，對外部接口設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備對外通信方法設計。

該型直升機機上配置的是RS422總線，機上綜合任務系統(tǒng)與某型設備系統(tǒng)（以下簡稱設備系統(tǒng)）通過兩路RS422實現(xiàn)通信，兩路RS422為雙冗余關系。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/從應答式全雙工422通信（傳輸周期50ms），綜合任務系統(tǒng)為主端，設備系統(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。

若在設備系統(tǒng)軟件應用層實現(xiàn)如此通信機制，則對設備系統(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，由于其他任務運行優(yōu)先級低于接口通信任務，導致其他任務無法搶占CPU運行時間，導致信息上報不及時。同時，由于CPU資源被占，導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/從應答通信機制的處理，釋放設備系統(tǒng)CPU資源用于其他數(shù)據(jù)處理。

現(xiàn)有的接口通信任務處理是在應用層運行兩個通信接收處理任務，每個接收任務處理一路RS422數(shù)據(jù)，兩個任務同時接收對應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)送給應用層數(shù)據(jù)處理任務處理，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)，當主路恢復正常通信后，再恢復主路數(shù)據(jù)處理。同時應用層運行一個數(shù)據(jù)發(fā)送任務，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)緩存在FIFO中，數(shù)據(jù)接收任務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，發(fā)送任務根據(jù)當前消息塊號將需發(fā)送的數(shù)據(jù)報文發(fā)送給綜合任務系統(tǒng)，實現(xiàn)通信機制的主/從應答。數(shù)據(jù)發(fā)送任務將數(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用層任務的處理方法，能實現(xiàn)雙冗余422主/從應答式通信，但在實際設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)接收任務和一個數(shù)據(jù)處理任務，增加了任務數(shù)量，增加了任務調(diào)度時間消耗;

（2）由于雙冗余特性，兩個接收任務必須實時接收數(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)，導致任務運行低效;

（3）由于通信機制發(fā)送周期為50ms，當無應用數(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)接收任務周期性讀取數(shù)據(jù)，應用層回復純通信包，任務運行效率較低;

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

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

綜上所述，對應用層任務處理雙冗余422主/從應答式通信方法進行工程優(yōu)化改進并實現(xiàn)，是設備適應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，同時提高了應用層任務資源使用率[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)送給綜合任務系統(tǒng)，實現(xiàn)了每路422通信的主/從應答;在FPGA層實現(xiàn)純通信報文的回復，只將應用消息發(fā)送給應用層，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用層任務數(shù)量，同時去除了應用層中運行優(yōu)先級高且高頻率重復運行的任務，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)送給綜合任務系統(tǒng);

若接收報文為應用消息，則將應用消息發(fā)送給應用層;

接收應用層發(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”命令給應用層[3]。

4具體實施方式

為了更了解本方法的技術內(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

[1] 徐光輝，程東旭，黃如，等.基于FPGA的嵌入式開發(fā)及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：109.

[2] 巫忠躍，岳青，王奧.基于FPGA的短波通信信道多徑效應模擬[J].通信技術，2019（11）：2808-2812.

[3] 趙龍，汪弈舟，黃明.可見光通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)—基于FPGA全數(shù)字控制[J].工業(yè)技術創(chuàng)新，2019（6）：38-42.