多處理器協(xié)同通信系統(tǒng)設(shè)計

石磊

（南京模擬技術(shù)研究所，江蘇 南京 210016）

0 引言

無人直升機具有垂直起降、定點懸停、靈活機動等優(yōu)點。近年來，由于無人機技術(shù)的發(fā)展和需求的不斷擴大，無人直升機作為現(xiàn)代無人機的重要成員，受到了世界各國軍方的高度重視[1-3]。

無人直升機系統(tǒng)包括機載系統(tǒng)和地面綜合保障系統(tǒng)。地面綜合保障系統(tǒng)是保證無人機迅速、安全、可靠地發(fā)射、回收和完成各種戰(zhàn)術(shù)功能的關(guān)鍵系統(tǒng)。地面綜合保障系統(tǒng)的性能，直接關(guān)系到無人機效能是否能充分發(fā)揮。地面綜合保障系統(tǒng)包括地面控制系統(tǒng)、地面顯示系統(tǒng)和地面通信系統(tǒng)。在整個無人直升機電氣系統(tǒng)工作中，地面控制系統(tǒng)發(fā)送的各種控制指令，如內(nèi)控、外控、任務(wù)等，都需要通過地面通信系統(tǒng)，然后經(jīng)鏈路將數(shù)據(jù)發(fā)送到機載系統(tǒng)；而機載系統(tǒng)則需要將飛機的姿態(tài)、位置等信息發(fā)送到地面后，經(jīng)地面通信系統(tǒng)處理后顯示，具體如圖1所示[4]。

地面通信系統(tǒng)作為地面保障系統(tǒng)的重要組成部分，其通信的可靠性直接影響地面保障系統(tǒng)功能的發(fā)揮，嚴(yán)重的還有可能影響到飛機的飛行安全。因此，為提高地面通信系統(tǒng)的可靠性、安全性，保證地面系統(tǒng)功能的有效發(fā)揮和飛機飛行安全，本文針對地面通信系統(tǒng)既需處理內(nèi)控、外控、任務(wù)、航跡等地面信息，又需要處理飛機下傳的遙測數(shù)據(jù)，設(shè)計了一款基于多處理器的地面協(xié)同通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個主處理器和四個從處理器組成，主處理器完成由從處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將其打包上傳，同時接收由空中下傳的遙測信息，從處理器分別處理內(nèi)控、外控、任務(wù)、航跡等設(shè)備的信息，并將其發(fā)送給主處理器。各處理器之間通過協(xié)同工作的方式，共同完成地面系統(tǒng)的通信工作[5]。

圖1 無人直升機電氣系統(tǒng)Fig.1 Electrical system of unmanned helicopter

2 多處理器協(xié)同通信系統(tǒng)設(shè)計

針對地面通信系統(tǒng)需要處理內(nèi)控、外控、任務(wù)、航跡等設(shè)備和任務(wù)的情況，本文設(shè)計的多處理器通信系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)由一個主處理器和四個分處理器組成，分處理分別處理內(nèi)控、外控、任務(wù)和航跡信息。主處理用于協(xié)調(diào)分處理的工作，同時將分處理器發(fā)送過來的信息進(jìn)行打包上傳至飛機，并將分處理器的信息和接收到的飛機的狀態(tài)發(fā)送至地面顯示系統(tǒng)。

圖2 多處理器協(xié)同通信系統(tǒng)Fig.2 Multiprocessor cooperative communication system

這個系統(tǒng)的難點在于，分處理器不能實時主動的向主處理器發(fā)送接收到的信息，只能通過主處理器主動查詢的方法依次去接收各分處理器的信息，所以如何保證處理器之間的協(xié)調(diào)通信，成為了設(shè)計的關(guān)鍵。為了保證并口通信的正確性，本系統(tǒng)采用3個握手通信信號標(biāo)志位來確保主處理與分處理器之間的協(xié)同通信。

圖3 主處理器與分處理器的通信方式Fig.3 Communication mode between main processor and sub-processor

對于分處理器來說，當(dāng)其串口接收到正確有效且完整的數(shù)據(jù)時，會給主處理器一個標(biāo)志信號A；當(dāng)其接收到主處理器返回的信號B（置位）時，就向主處理器發(fā)送一個字節(jié)的信息；當(dāng)分處理器收到的信息全部發(fā)給主處理器后會將原先發(fā)送給主處理器的信號A復(fù)位；當(dāng)分處理器收到主處理器發(fā)來B信號復(fù)位信號后，分處理器就停止向主處理器發(fā)送信息并將其并口置位。對主處理器來說，當(dāng)其接收到分處理器發(fā)來的握手信號A時，即會返回分處理器一個握手信號B和C，并開始讀取分處理器發(fā)來的信號；當(dāng)一個字節(jié)信息讀取完畢后，反饋分處理器發(fā)送C的取反信號；當(dāng)其接收到分處理器發(fā)來的信號A復(fù)位時，即反饋會分處理器發(fā)送信號B的復(fù)位信號，具體見圖3所示。此時，一個分處理器和主處理器之間的通信完成，主處理器即會轉(zhuǎn)到下一分處理器以相同的方式讀取信息。以此類推，循環(huán)進(jìn)行[6]。

根據(jù)主處理與分處理器的通信關(guān)系，編寫相應(yīng)的軟件，圖4和圖5為其對應(yīng)的流程圖。

圖4 主系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 Flow chart of main system program

圖5 分系統(tǒng)程序流程圖Fig.5 Flow chart of subsystem program

這種協(xié)同通信的好處在于，主處理器處于主導(dǎo)的地位，而各分處理器處于配合的地位，整個通信系統(tǒng)，就是一個通信環(huán)，而主處理器就是通信環(huán)路上的運載器，分處理是通信環(huán)路上的節(jié)點，主處理每通過一個節(jié)點查詢一次，有數(shù)據(jù)就接收，沒有數(shù)據(jù)，則去往下一個節(jié)點。在整個通信系統(tǒng)中，各分處理器互不干涉，當(dāng)分處理器接收到指令時，先放置在自身的處理器內(nèi)部，只有主處理器進(jìn)過時，才將數(shù)據(jù)上傳。各處理器協(xié)調(diào)工作，互不干涉[7]。

3 實驗驗證

該開發(fā)產(chǎn)品目前用于我所Z-5無人直升機上，從08年之今已有10年之久，外控、內(nèi)控及任務(wù)參與空中飛行時間＞5000h，期間無任何故障出現(xiàn)，在實踐中得到了充分的驗證并通過了項目組的驗證。

4 結(jié)論

鑒于地面通信系統(tǒng)在無人機地面系統(tǒng)中的重要作用，本文根據(jù)針對無人直升機地面通信系統(tǒng)的需要，設(shè)計了基于多處理器的協(xié)同通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有五個處理器，各處理器之間協(xié)同工作，各分系統(tǒng)處理用于實時處理內(nèi)控、外控、任務(wù)、航跡規(guī)劃等多個設(shè)備的數(shù)據(jù)，主處理器則用于讀取分處理器的信息，然后將接收的數(shù)據(jù)上傳，保證了地面設(shè)備的有序工作，實際使用結(jié)果驗證了該系統(tǒng)的可靠性和有效性[8]。