蔡 偉，周乃恩

(中國航天空氣動力技術(shù)研究院,北京100074)

無人機(jī)在飛行時，地面控制站發(fā)送上行指令通過遙控信道到達(dá)機(jī)載設(shè)備,機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生的下行數(shù)據(jù)通過遙測信道到達(dá)地面控制站。一般設(shè)計為上行指令與下行數(shù)據(jù)在某一機(jī)載設(shè)備上(如設(shè)備 1)匯集，經(jīng)處理后發(fā)送到其他的設(shè)備中。但該設(shè)備同時還有其他任務(wù)需完成，當(dāng)數(shù)據(jù)量過大時會對設(shè)備造成負(fù)擔(dān)，甚至影響飛行安全。為此本文設(shè)計了一個專用數(shù)據(jù)接口設(shè)備，用于無人機(jī)的數(shù)據(jù)交換。全系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)接口設(shè)備硬件主要由PC104嵌入式計算機(jī)組成，主要組成部分有：(1)PC104總線型 CPU板，最高運行速度可達(dá)300 MHz；(2)PM504型串口擴(kuò)展板；(3)32 MB DOC(閃存，Disk On Chip)；(4)系統(tǒng)電源板。 其中,PM504串口擴(kuò)展板實現(xiàn)PC104總線的串口擴(kuò)展，共擴(kuò)展4個RS422總線的UART(通用異步接收/發(fā)送裝置);32 MB DOC用于存儲操作系統(tǒng)以及開發(fā)程序;系統(tǒng)電源板采用Ericsson的PKF系列電源模塊，用于提供系統(tǒng)電源，主要為5 V和12 V。

2 軟件設(shè)計

如圖1所示，數(shù)據(jù)接口設(shè)備與機(jī)載設(shè)備的數(shù)據(jù)交換分為全雙工方式與半雙工兩種方式。數(shù)據(jù)交換分為上行指令分發(fā)和下行數(shù)據(jù)融合兩部分。

2.1 上行指令分發(fā)

上行指令分發(fā)指數(shù)據(jù)接口設(shè)備接收到機(jī)載收發(fā)組合的數(shù)據(jù)后，發(fā)送到相應(yīng)的設(shè)備中去。上行指令采用統(tǒng)一的幀格式，如表1所示。

表1 上行指令幀格式

其中，A為同步碼 0xFF，B為幀識別符 (設(shè)備 1為0X11，設(shè)備 2為 0X22，設(shè)備 3為 0X33)。數(shù)據(jù)接口設(shè)備首先判斷數(shù)據(jù)是否為同步碼，如果是則存入接收數(shù)組中，接收剩余的28 B數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)幀識別符B，發(fā)送該幀數(shù)據(jù)到相應(yīng)的端口。

2.2 下行數(shù)據(jù)發(fā)送

下行數(shù)據(jù)發(fā)送指接口設(shè)備將機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到收發(fā)組合中。每個機(jī)載設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送速率各不相同，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和實時性，程序分別建立了相應(yīng)的環(huán)形接收緩存。接口設(shè)備定時從環(huán)形緩存中取出數(shù)據(jù)組合后送到收發(fā)組合中。

以接口設(shè)備接收機(jī)載設(shè)備1數(shù)據(jù)建立的環(huán)形緩存為例，該緩存分為6個分區(qū)，如圖2所示。程序開辟兩個線程：接收線程和發(fā)送線程，同時生成兩個跟蹤變量，即接收數(shù)據(jù)當(dāng)前分區(qū)索引號IndexIn和發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)前分區(qū)索引號IndexOut,并且初始化為零，指向第一個分區(qū)。

圖3給出了環(huán)形緩沖接收數(shù)據(jù)流程圖。接收流程完成創(chuàng)建并初始化緩存工作后，開始接收設(shè)備1發(fā)送的數(shù)據(jù)。當(dāng)接收完一幀數(shù)據(jù)后，接收索引IndexIn指向下一接收分區(qū)。

圖3 環(huán)形緩沖接收數(shù)據(jù)流程

圖4給出了發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖。數(shù)據(jù)發(fā)送為定時模式，定時時間到后，建立發(fā)送數(shù)組并初始化，程序首先判斷接收索引IndexIn與發(fā)送索引IndexOut是否相等，如果相等，則表明環(huán)形緩存中無數(shù)據(jù)，跳出發(fā)送流程，否則進(jìn)入發(fā)送流程。取IndexOut指向的當(dāng)前分區(qū)數(shù)據(jù)到發(fā)送數(shù)組，同時IndexOut指向下一分區(qū)。數(shù)據(jù)在接收和發(fā)送過程中，可能出現(xiàn)IndexIn與IndexOut相等的情況，因此在環(huán)形緩存中接收完一幀數(shù)據(jù)后判斷兩者是否相等，如果相等，則IndexOut自增 1，使得進(jìn)入發(fā)送流程中后，兩者不相等，保證了發(fā)送的進(jìn)行。

圖4 環(huán)形緩沖發(fā)送數(shù)據(jù)流程

當(dāng)變量IndexIn和IndexOut指向緩存最后一個分區(qū)時，將兩變量重新賦初始值，分別進(jìn)行下一循環(huán)的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。程序為接收設(shè)備1數(shù)據(jù)開辟6×32 B大小的緩存區(qū)，為設(shè)備3開辟2×80 B的緩存區(qū)。每次從存有設(shè)備1數(shù)據(jù)的緩存中取兩幀數(shù)據(jù)，從存有設(shè)備3數(shù)據(jù)的緩存中取一幀數(shù)據(jù),組合后發(fā)送到機(jī)載收發(fā)組合。設(shè)備1的數(shù)據(jù)發(fā)送速率為38 400 b/s,而設(shè)備 3為19 200 b/s。因為數(shù)據(jù)接口設(shè)備主頻最高為300 MHz，所以不會出現(xiàn)緩存區(qū)開辟過小導(dǎo)致數(shù)據(jù)溢出的現(xiàn)象。

環(huán)形緩沖技術(shù)采用的線程機(jī)制實現(xiàn)了數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的并行工作，通過對接收線程當(dāng)前數(shù)據(jù)分區(qū)索引號IndexIn和發(fā)送線程當(dāng)前數(shù)據(jù)處理分區(qū)索引IndexOut的有效控制，可以跟蹤并且及時處理緩存中的分區(qū)數(shù)據(jù)，避免緩存區(qū)數(shù)據(jù)覆蓋和數(shù)據(jù)的漏移。

3 試驗驗證

根據(jù)上述流程框圖編寫好軟件后，下載到PC104主板上的DOC中。啟動路徑指向當(dāng)前程序所在位置，設(shè)備上電后自動運行程序。試驗在兩臺PC機(jī)上進(jìn)行，一臺模擬收發(fā)組合，另一臺模擬設(shè)備1、2和3。因為PC機(jī)上串口有限，采用MOXA卡進(jìn)行了串口擴(kuò)展。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收采用串口精靈軟件。試驗過程中沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，表明設(shè)備性能良好，可以正常工作。

本文介紹了一種采用環(huán)形緩存技術(shù)的數(shù)據(jù)接口設(shè)備。經(jīng)在無人機(jī)上驗證，該設(shè)備可以很好地完成數(shù)據(jù)接收和發(fā)送任務(wù)，避免數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。產(chǎn)品可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以用于其他無人機(jī)系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]姚章俊，陳蜀宇，盧堯.一種高性能環(huán)形緩沖區(qū)的研究與實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程,2012,38(8)：228-231.

[2]王蕾，潘梁，吳國斌，等.基于數(shù)字廣播的大數(shù)據(jù)量接收與存儲策略[J].計算機(jī)工程，2008,34(24)：233-237.

[3]余泓利，習(xí)勇，馬東堂.一種基于ARM和FPGA的環(huán)形緩沖區(qū)接口設(shè)計[J].電子技術(shù)，2011(09)：53-55.

[4]張穩(wěn)穩(wěn)，歐陽嫻，白永林，等.PC104串口通信在工程中的應(yīng)用[J].微計算機(jī)信息，2006,22(1-2)：57-59.