一種基于FPGA的網(wǎng)絡(luò)串口管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳 晨，饒 卿，胡文斌

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

在雷達(dá)系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)串口是系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備間傳遞控制命令、狀態(tài)參數(shù)及接收信號(hào)的主要方式，需要構(gòu)建以交換機(jī)為中心的雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部信息交換網(wǎng)絡(luò)。雷達(dá)在執(zhí)行各項(xiàng)功能任務(wù)時(shí)由雷達(dá)終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)串口向系統(tǒng)各信息處理單元發(fā)送命令報(bào)文，各單元依據(jù)接收到的命令報(bào)文執(zhí)行各項(xiàng)操作，同時(shí)向雷達(dá)終端反饋執(zhí)行結(jié)果和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)。因此，信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性直接影響雷達(dá)系統(tǒng)各項(xiàng)功能任務(wù)的可靠實(shí)現(xiàn)。

某型號(hào)雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由雷達(dá)終端計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及前端設(shè)備配置的多路輸入輸出板(MIO)組成，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)終端與前端設(shè)備之間的通信。原設(shè)計(jì)采用報(bào)文即收即回的方式，由于網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報(bào)文速度快，而串口發(fā)送報(bào)文則需要一定時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)終端臺(tái)發(fā)送的相鄰兩個(gè)報(bào)文之間間隔時(shí)間過(guò)短時(shí)，在串口處會(huì)出現(xiàn)第1條報(bào)文尚未回復(fù)完即需回復(fù)下一條報(bào)文的情況，從而導(dǎo)致串口在同一時(shí)間發(fā)送兩條報(bào)文、出現(xiàn)相互干擾的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。本文通過(guò)深入分析該問(wèn)題的產(chǎn)生機(jī)理，針對(duì)問(wèn)題根源，合理利用系統(tǒng)原有硬件資源，通過(guò)對(duì)各信息處理單元MIO板內(nèi)部軟件進(jìn)行更改，設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)絡(luò)串口管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效解決了報(bào)文沖突的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部高可靠、高靈活度的報(bào)文通信。

1 系統(tǒng)工作原理及問(wèn)題機(jī)理分析

1.1 系統(tǒng)硬件組成及工作原理

在雷達(dá)內(nèi)部，用于報(bào)文傳遞的通信系統(tǒng)主要由3部分組成：雷達(dá)終端、交換機(jī)和雷達(dá)前端。雷達(dá)終端發(fā)出報(bào)文經(jīng)交換機(jī)傳送給前端，由前端內(nèi)的MIO板處理。

多路輸入輸出板(簡(jiǎn)稱MIO板)主要用于報(bào)文的接收處理。板上主要搭載有1塊FPGA和1塊USR-TCP232-ED2網(wǎng)口模塊。FPGA采用Xilinx公司的xc2s200，用于解碼及串并轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)口模塊搭載ARM處理器，用來(lái)將TCP/UDP數(shù)據(jù)包通過(guò)S232/RS485接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸。

在系統(tǒng)的普通工作方式下，局域網(wǎng)以交換機(jī)為中心連接終端和前端。在每個(gè)前端內(nèi)都配有1塊MIO板。每塊MIO板有不同的IP地址。終端發(fā)送的報(bào)文經(jīng)交換機(jī)發(fā)送到MIO板，由網(wǎng)口模塊接收后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)串口轉(zhuǎn)換進(jìn)行解碼、報(bào)文識(shí)別，并校驗(yàn)無(wú)誤后根據(jù)收到的報(bào)文類型進(jìn)行處理：(1)將狀態(tài)或故障信息回復(fù)終端，(2)根據(jù)解出的報(bào)文內(nèi)容執(zhí)行相關(guān)操作。

在某種型號(hào)產(chǎn)品的實(shí)際要求中，要求MIO板串口進(jìn)行兩種報(bào)文通信串口不僅需回復(fù)收到的報(bào)文，每隔一定時(shí)間還需主動(dòng)發(fā)送一條心跳報(bào)文至終端，以確認(rèn)所在的信息處理單元處于正常工作的狀態(tài)，工作流程如圖1所示。

圖1 MIO交互式通信流程原理圖

為滿足通信要求，MIO板的工作方式分為以下幾步：(1)接收到控制報(bào)文后，對(duì)報(bào)文進(jìn)行校驗(yàn)和解碼；(2)當(dāng)校驗(yàn)成功后，對(duì)收到的報(bào)文進(jìn)行回復(fù)，(3)每隔1 s，主動(dòng)向終端臺(tái)發(fā)送心跳報(bào)文，(4)每次發(fā)送完成后退出發(fā)送狀態(tài)，等待下一次發(fā)送。

1.2 問(wèn)題機(jī)理分析

由于之前都是采用即發(fā)即收模式，即收到報(bào)文后立即發(fā)送，此次采用這種模式通信時(shí)終端有時(shí)會(huì)出現(xiàn)報(bào)文識(shí)別失敗的情況。通過(guò)用抓包軟件在發(fā)送口抓取報(bào)文，發(fā)現(xiàn)發(fā)送的回復(fù)報(bào)文和心跳報(bào)文有時(shí)會(huì)出現(xiàn)報(bào)文混雜。究其原因如下：由于收到報(bào)文即回復(fù)，回復(fù)報(bào)文具有時(shí)間上的不確定性；另一方面，在串口處接收和發(fā)送報(bào)文需要一段時(shí)間，若在串口回復(fù)報(bào)文期間同時(shí)開(kāi)始進(jìn)行心跳報(bào)文的發(fā)送，則在發(fā)送串口處就會(huì)出現(xiàn)前條報(bào)文未發(fā)完就開(kāi)始發(fā)后條報(bào)文的情況，造成報(bào)文覆蓋，如圖2所示。

圖2 報(bào)文覆蓋示意圖

2 網(wǎng)絡(luò)串口管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

針對(duì)上述問(wèn)題設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)串口管理系統(tǒng)，可以通過(guò)對(duì)MIO板網(wǎng)口發(fā)送的心跳報(bào)文、狀態(tài)報(bào)文等的發(fā)送時(shí)序進(jìn)行合理控制，以避免報(bào)文覆蓋。通過(guò)綜合考慮資源優(yōu)化以及降低對(duì)終端操作反應(yīng)時(shí)間的影響等因素，管理系統(tǒng)由前端內(nèi)的MIO板實(shí)現(xiàn)。這樣，一方面可以方便地在不同前端內(nèi)的MIO板中進(jìn)行更改，從而根據(jù)實(shí)際要求實(shí)現(xiàn)不同前端與終端的傳送，而且彼此之間不會(huì)互相影響，提高了通信的獨(dú)立性和靈活性；另一方面，它并不占用終端資源，實(shí)現(xiàn)了資源的優(yōu)化配置，提高了工作效率。

2.1 報(bào)文時(shí)序控制設(shè)計(jì)

由于在設(shè)計(jì)要求中心跳報(bào)文每隔1 s發(fā)送一次，發(fā)送周期要求固定，而回復(fù)報(bào)文時(shí)間相比之下允許有一定范圍內(nèi)的彈性，所以可以對(duì)回復(fù)報(bào)文時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)：在一個(gè)發(fā)送周期1 s內(nèi)，只有在心跳報(bào)文發(fā)送的時(shí)間段內(nèi)才會(huì)占用串口，影響報(bào)文回復(fù)。所以，可以將這一時(shí)間段作為繁忙時(shí)間段，進(jìn)行專門處理：即在這期間，串口只用于發(fā)送心跳報(bào)文，若接收到報(bào)文，暫時(shí)禁止使用串口回復(fù)，直到繁忙時(shí)間段過(guò)后進(jìn)入空閑時(shí)間段再進(jìn)行回復(fù)。

在程序中，可以用回復(fù)使能實(shí)現(xiàn)：設(shè)心跳報(bào)文發(fā)送周期為T，心跳報(bào)文的周期零點(diǎn)為0，一條報(bào)文通過(guò)串口完整發(fā)送出去的時(shí)間為t，則在每個(gè)周期T里[0，t]為當(dāng)前周期報(bào)文發(fā)送期，[T-t，T]為下一周期報(bào)文發(fā)送準(zhǔn)備期。將這兩個(gè)時(shí)間段作為繁忙時(shí)間段。在這期間，將回復(fù)使能置0，在其他時(shí)間段，將回復(fù)使能置1。當(dāng)報(bào)文接收結(jié)束后，若發(fā)送使能為1，在進(jìn)行回復(fù)之前判斷回復(fù)使能，若為0則不回復(fù)，若為1則正?；貜?fù)。這樣，整個(gè)發(fā)送步驟為：(1)判斷接收使能：為1則接收?qǐng)?bào)文開(kāi)始校驗(yàn)，若校驗(yàn)成功則進(jìn)入步驟2，失敗則丟棄報(bào)文；為0則不接收?qǐng)?bào)文；(2)判斷發(fā)射使能：為1則進(jìn)入步驟3，為0則停留在步驟2繼續(xù)等待；(3)判斷回復(fù)使能：為1則執(zhí)行回復(fù)，為0則停留在步驟3繼續(xù)等待。程序框圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)串口管理系統(tǒng)程序框圖

對(duì)于繁忙時(shí)間段的確定，需要計(jì)算一段心跳報(bào)文完整的發(fā)送時(shí)間t。在圖4的時(shí)序圖中可以看出，可以將這個(gè)過(guò)程分為兩個(gè)階段：周期零點(diǎn)到寫(xiě)命令下降沿的時(shí)間t1，串口發(fā)送報(bào)文字節(jié)串的時(shí)間t2。而t1又分為兩個(gè)時(shí)間段：發(fā)送使能置1之前的時(shí)間t11，發(fā)送使能置1之后的時(shí)間t12。t11包含了延遲的多個(gè)工作時(shí)鐘耗時(shí)，延遲的脈沖數(shù)為N1，t12包含了網(wǎng)口模塊的寫(xiě)信號(hào)使能的延遲時(shí)間，延遲的脈沖數(shù)為N2。若系統(tǒng)中工作時(shí)鐘的頻率為f，則t11=N1/f，t12=N2/f。對(duì)于t2，設(shè)報(bào)文總字節(jié)數(shù)為L(zhǎng)，波特率為B，則t2=L/B。這樣，可計(jì)算出：

t=t1+t2=(N1+N2)/f+L/B

(1)

圖4 報(bào)文發(fā)送時(shí)序圖

在此通信系統(tǒng)中，心跳報(bào)文發(fā)送周期為1 s，F(xiàn)PGA的工作時(shí)鐘為153.6 K，N1=3，N2=5，L=17，B=9 600，代入公式(1)，計(jì)算出t=1 823 μs?？蓳?jù)此確定，在一個(gè)周期內(nèi)，繁忙時(shí)間段為{[0～1.823 ms]，[998.177～1 000 ms]}。

2.2 延時(shí)影響

在整個(gè)通信系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)串口管理系統(tǒng)僅對(duì)一個(gè)發(fā)送周期內(nèi)繁忙時(shí)間段的報(bào)文回復(fù)進(jìn)行了延時(shí)，其余時(shí)間段均完成實(shí)時(shí)回復(fù)。在繁忙時(shí)間段內(nèi)，延時(shí)會(huì)使得終端的報(bào)文接收時(shí)刻滯后，因此需要分析其造成的影響。

經(jīng)計(jì)算，在每個(gè)1 s內(nèi)，繁忙時(shí)間段為3.646 ms，占總時(shí)間長(zhǎng)為3.65%；在繁忙時(shí)間段內(nèi)，最長(zhǎng)延時(shí)時(shí)間為3.65 ms。由于在終端臺(tái)上，對(duì)MIO板的控制報(bào)文的發(fā)送是通過(guò)按鍵完成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類單次按鍵反應(yīng)時(shí)間基本在100 ms左右，故此網(wǎng)絡(luò)串口管理系統(tǒng)造成的回復(fù)報(bào)文的延時(shí)時(shí)間遠(yuǎn)小于報(bào)文發(fā)送的按鍵反應(yīng)時(shí)間。所以，無(wú)論從延時(shí)時(shí)間段還是最長(zhǎng)延時(shí)時(shí)間來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)串口管理系統(tǒng)的延時(shí)都不會(huì)影響報(bào)文通信質(zhì)量。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

用改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)串口系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)文通信，使用TCP&UDP測(cè)試工具驗(yàn)證其效果：由計(jì)算機(jī)模擬雷達(dá)終端計(jì)算機(jī)前端設(shè)備MIO板模擬發(fā)送控制命令報(bào)文，采用自動(dòng)發(fā)送的方式每隔10 ms發(fā)送一次狀態(tài)檢測(cè)報(bào)文，同時(shí)MIO板自動(dòng)發(fā)送心跳報(bào)文，時(shí)間間隔1 s。在TCP&UDP測(cè)試工具接收區(qū)觀察測(cè)試工具監(jiān)測(cè)到的串口的報(bào)文發(fā)送情況。結(jié)果顯示，連續(xù)發(fā)送1 000條控制命令報(bào)文均發(fā)送成功，并未與心跳報(bào)文出現(xiàn)混雜，成功率為100%。之后，在接入雷達(dá)通信系統(tǒng)后該系統(tǒng)能正常工作，再未出現(xiàn)報(bào)文混雜覆蓋情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從實(shí)際雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)串口通信系統(tǒng)入手，根據(jù)雷達(dá)對(duì)內(nèi)部交互式通信的高可靠性要求，在系統(tǒng)原有資源基礎(chǔ)上利用前端設(shè)備包內(nèi)MIO板設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種網(wǎng)絡(luò)串口管理系統(tǒng)，為進(jìn)一步提升交互式通信穩(wěn)定性提供了設(shè)計(jì)思路。