基于485 總線的無線通信低時延流控技術(shù)研究①

劉明洋,張 劍,吳 桐,王思洋,張昊亮

(中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

在航天器內(nèi)部,經(jīng)常需要面臨一主對多從的通信模式。 為了實現(xiàn)主設(shè)備與多臺從設(shè)備間的信號傳輸,通常采用傳統(tǒng)串接的方式,例如使用485 總線。半雙工的RS485 總線具有線數(shù)少,易于從設(shè)備數(shù)量刪減,系統(tǒng)擴展復(fù)雜性低的優(yōu)點,在線纜資源十分緊張的航天器內(nèi)部應(yīng)用中極為常見。

目前,航天器內(nèi)部設(shè)備間完成信息的交互主要依靠有線電纜,它們占據(jù)了航天器總發(fā)射重量的很大一部分[1],嚴(yán)重降低了有效載荷的比重。 種類繁多、布局復(fù)雜的線纜給航天器系統(tǒng)的組裝、集成和檢測帶來了極大的不便[2-3]。 特別地,航天器內(nèi)需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌O(shè)備間還可能存在相對運動(轉(zhuǎn)動機構(gòu)、滑環(huán)等),此時有線傳輸往往不可靠。 因此,無線傳輸系統(tǒng)作為有線傳輸系統(tǒng)的升級,被用來滿足日益增長的航天器短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?考慮到宇航產(chǎn)品的特殊性,關(guān)于航天器短距離無線傳輸?shù)难芯窟€處在摸索階段,但航天器無線技術(shù)是未來大勢所趨[4-5]。

在通信技術(shù)方面,董立珉重點研究了星內(nèi)無線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、信道環(huán)境和通信協(xié)議,以及面向不同業(yè)務(wù)需求時的變速率通信技術(shù)[6];劉波等人通過對星內(nèi)分布式Adhoc 無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的仿真分析及測試,得出了采用擴頻技術(shù)、均衡技術(shù)、Rake 接收機和Rs 編碼的技術(shù)組合方案可有效滿足星內(nèi)多徑環(huán)境下的通信需求[7];徐湛等人針對民航客機、航天器等密閉金屬艙內(nèi)無線通信的需求,提出了密閉金屬艙的統(tǒng)計信道參數(shù),并設(shè)計了基于超寬帶技術(shù)的抗強多徑傳輸方案[8];郭洪龍研究了信道預(yù)探測技術(shù),并對航天器艙內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了建模,仿真分析了信道預(yù)估計算法的性能,最后在傳統(tǒng)MISO-OFDM 系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上,提出了TDD-TR-MISO-OFDM 系統(tǒng)方案,可以較好地適用于復(fù)雜的多徑環(huán)境[9]。 其次,在總線傳輸方面,朱文亮分析了現(xiàn)有衛(wèi)星平臺通常使用的有線總線形式,設(shè)計了無線衛(wèi)星開發(fā)平臺的通信模塊,并進(jìn)行了驗證[10];羅晟等人提出了一種用于485 總線通信的SDLC 數(shù)據(jù)幀格式,介紹了基于RS485 串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)的雙通道總線收發(fā)控制器的設(shè)計原理、工作方式及采用的流程方法[11];梁士龍等人介紹了一種以HDLC/SDLC 協(xié)議控制為基礎(chǔ)的RS485 通信接口芯片[12]。 最后,在解決運動部件之間的通信方面,史軍剛等人立足于旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)中導(dǎo)電滑環(huán)、集流器等接觸式電信號傳輸機構(gòu)的磨損、信號漂移及可靠性低等問題,提出一種利用電容耦合的非接觸信號傳輸新方法[13];胡國強等人同樣面對該類問題,從系統(tǒng)層面對無線通信系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的功能描述[14]。 綜上所述,在航天器短距離無線通信總線技術(shù)領(lǐng)域,近些年已經(jīng)有一定的研究基礎(chǔ),但是針對將有線的總線傳輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線總線方案后,面臨宇航應(yīng)用領(lǐng)域高可靠傳輸以及類比有線傳輸時極低時延的新問題,沒有類似提出過具體的解決方案和詳細(xì)方法。

本文立足工程化實踐,對目前正在應(yīng)用或短期內(nèi)具有應(yīng)用價值的航天器短距離無線傳輸場景進(jìn)行了研究,同時專門針對傳統(tǒng)485 總線的無線化應(yīng)用模式展開了研究,從系統(tǒng)層面提出了一套可以實現(xiàn)無線485 總線傳輸?shù)牧骺胤桨?同時設(shè)計了一套避免由于無線傳輸時延增大導(dǎo)致系統(tǒng)應(yīng)用異常的方法,最后,給出了研究結(jié)論。

1 應(yīng)用場景分析

近兩年,航天器短距離無線傳輸?shù)膽?yīng)用正在得到廣泛關(guān)注。 各種轉(zhuǎn)動機構(gòu)(導(dǎo)電滑環(huán))、伸展機構(gòu)(太陽翼帆板)之間的通信需求逐漸增加,航天器內(nèi)點對點的無線傳輸系統(tǒng)正逐步得到應(yīng)用。 另外,基于點對多點以及多點對多點的無線網(wǎng)正在得到廣泛研究,用以替代復(fù)雜的有線連接。

采用無線傳輸實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)之間數(shù)據(jù)傳輸方案如圖1 所示。 其他新應(yīng)用場景還常見于展開機構(gòu)與航天器本體之間的無線數(shù)據(jù)傳輸如圖2 所示。

圖1 航天器旋轉(zhuǎn)機構(gòu)場景下的無線傳輸應(yīng)用Fig.1 Application of wireless transmission in the scene of rotary mechanism

圖2 航天器伸展機構(gòu)場景下的無線傳輸應(yīng)用Fig.2 Application of wireless transmission in the scene of extension mechanism

航天器內(nèi)部不同艙之間不便于有線傳輸?shù)膱鼍?如圖3 所示。

圖3 航天器艙間場景下的無線傳輸應(yīng)用Fig.3 Application of wireless transmission in the scene of different cabins

2 無線RS485 通信系統(tǒng)分析

2.1 傳統(tǒng)有線RS485 通信系統(tǒng)

對于傳統(tǒng)采用RS485 總線實現(xiàn)主、從設(shè)備之間通信的系統(tǒng),通常主、從設(shè)備間的連線關(guān)系如圖4 所示。

圖4 RS485 應(yīng)用模式Fig.4 Application mode of RS485

而對于例如上面旋轉(zhuǎn)機構(gòu)場景下的RS485 系統(tǒng),需要借助滑環(huán)等實現(xiàn)運動過程中的有線通信,例如主設(shè)備與某一從設(shè)備之間實現(xiàn)單點的主從連接,二者可以通過轉(zhuǎn)動機構(gòu)實現(xiàn)相對運動;而該從設(shè)備與其他從設(shè)備實現(xiàn)總線相連,他們之間保持靜止,從而完成主設(shè)備與所有從設(shè)備之間的總線連接。 主、從設(shè)備間的連線關(guān)系如圖5 所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)場景下的RS485 應(yīng)用模式Fig.5 Application mode of RS485 in the rotating mechanism scene

2.2 無線RS485 通信系統(tǒng)

相對運動會導(dǎo)致有線連接的不可靠,例如接頭松動、線纜扭絞、轉(zhuǎn)動機構(gòu)磨損等,小則導(dǎo)致信號時有時無,大則影響整個通信過程,甚至造成重大安全隱患,因此提出如下支持RS485 總線的無線通信系統(tǒng)方案。 典型的無線RS485 通信系統(tǒng)如圖6 所示,無線RS485 通信系統(tǒng)相對有線系統(tǒng)主要增加了兩臺無線通信設(shè)備。 在傳統(tǒng)有線RS485 通信系統(tǒng)中,線纜作為信號傳輸?shù)慕橘|(zhì),只負(fù)責(zé)傳遞信號,傳輸時延極小;而在無線傳輸系統(tǒng)中,需要完成對半雙工總線的收發(fā)控制以及低時延傳輸,即需要對引入無線通信設(shè)備后的系統(tǒng)帶來的變化降到最低,并對應(yīng)用場景幾乎無感。

圖6 無線RS485 通信系統(tǒng)Fig.6 Wireless RS485 communication system

3 無線RS485 系統(tǒng)方案設(shè)計

無線通信設(shè)備的引入要滿足原有主、從設(shè)備的應(yīng)用無感,因此,對整個傳輸?shù)目刂铺岢隽朔浅?yán)格的要求,主要體現(xiàn)下面三個方面的控制上:1)傳輸?shù)牡蜁r延;2)設(shè)備間控制的同步性;3)RS485 總線收發(fā)切換的控制。

為滿足傳輸?shù)牡蜁r延,采用如下設(shè)計思路:

首先總線接收數(shù)據(jù)的最小單位為字節(jié),為盡可能降低時延,以字節(jié)為基本傳輸單元;其次每一接收字節(jié)的協(xié)議解析和發(fā)送同時進(jìn)行,當(dāng)前字節(jié)解析的正確與否不影響該字節(jié)的發(fā)送;最后選擇低時延、短信息位的編譯碼作為信道編碼。

通過對上面設(shè)計思路的梳理,整理出為了實現(xiàn)基于485 總線的收發(fā)控制,至少需要下面的幾個基本功能模塊:1)總線數(shù)據(jù)接收;2)總線數(shù)據(jù)發(fā)送;3)接收協(xié)議解析;4)發(fā)送協(xié)議解析;5)收發(fā)控制。RS485 無線通信系統(tǒng)方案如圖7 所示,整個控制過程由上面五個模塊配合完成,其中所有控制由“收發(fā)控制”模塊統(tǒng)一完成。

圖7 無線RS485 通信系統(tǒng)設(shè)計方案Fig.7 Design scheme of wireless RS485 communication system

3.1 總線數(shù)據(jù)接收

“總線數(shù)據(jù)接收”功能主要完成對485 總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收,實現(xiàn)串行總線數(shù)據(jù)到并行字節(jié)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化,便于后續(xù)編碼調(diào)制等處理。 在設(shè)計上,為了總線接收的可靠性,增加了起始位的毛刺過濾處理和后續(xù)位的三模冗余判決。 具體的接收流程如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)接收流程Fig.8 Data receiving process

3.2 總線數(shù)據(jù)發(fā)送

“總線數(shù)據(jù)發(fā)送”功能主要完成對接收機接收數(shù)據(jù)的發(fā)送。 在發(fā)送過程中,注意需要提供停止位的發(fā)送完成標(biāo)識,該標(biāo)識在“收發(fā)控制”中有重要作用。 “總線數(shù)據(jù)發(fā)送”功能流程如圖9 所示。

圖9 數(shù)據(jù)發(fā)送流程Fig.9 Data sending process

3.3 接收協(xié)議解析

“接收協(xié)議解析”功能主要完成對“總線數(shù)據(jù)接收”送出的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議的解析,解析的目的就是判斷是否需要完成總線的收發(fā)切換。 “接收協(xié)議解析”功能主要流程如圖10 所示。

圖10 接收協(xié)議解析流程Fig.10 Analysis process of receiving protocol

3.4 發(fā)送協(xié)議解析

“發(fā)送協(xié)議解析”功能主要完成對接收機接收數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析,目的是判斷是否需要完成總線的收發(fā)切換。 具體的發(fā)送協(xié)議解析流程如圖11 所示。

圖11 發(fā)送協(xié)議解析流程Fig.11 Analysis process of sending protocol

3.5 收發(fā)控制

“收發(fā)控制”功能主要完成整個無線通信設(shè)備A 和無線通信設(shè)備B 的485 總線收發(fā)狀態(tài)進(jìn)行控制,可靠、低時延地實現(xiàn)主設(shè)備和從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸,保證對有線RS485 功能的有效替代。 具體的數(shù)據(jù)流控制機制將在下一部分重點介紹。

4 低時延流控機制設(shè)計

4.1 流控思路

無線通信設(shè)備A、B 之間采用協(xié)同控制的方式實現(xiàn)整個無線傳輸系統(tǒng)的總線收發(fā)切換。 無線通信設(shè)備A 作為連接主設(shè)備的端機,需要將控制信息通過無線鏈路傳給無線通信設(shè)備B。

采用無線傳輸鏈路傳輸控制信息,面對可能的傳輸異常,需要考慮提高可靠性的方式。

4.2 控制信息的獲取

對于無線通信設(shè)備A 和無線通信設(shè)備B,數(shù)據(jù)的來源均為兩種,即總線接收到的來自主、從設(shè)備的數(shù)據(jù),或自身接收機接收到的對方無線通信設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。

對于無線通信設(shè)備A,“接收協(xié)議解析”的輸入數(shù)據(jù)的來自“總線數(shù)據(jù)接收”,而對于無線通信設(shè)備B,“接收協(xié)議解析”的輸入數(shù)據(jù)來自接收機接收到的數(shù)據(jù)。

在系統(tǒng)方案設(shè)計中,無線通信設(shè)備A 需要“接收協(xié)議解析”和“發(fā)送協(xié)議解析”模塊,而無線通信設(shè)備B 受無線通信設(shè)備A 控制,因此原則上不需要進(jìn)行協(xié)議解析,但由于系統(tǒng)中主設(shè)備也需要實現(xiàn)對無線通信設(shè)備B 的控制,因此無線通信設(shè)備B 也需要 “接收協(xié)議解析”,而不需要“發(fā)送協(xié)議解析”。

4.3 控制信息的使用

對控制信息的使用,無線傳輸設(shè)備A 和無線傳輸設(shè)備B 有所不同,如圖12 所示。

圖12 基于RS485 總線的低時延流控Fig.12 Low-latency flow control process based on RS485

4.3.1 無線通信設(shè)備A

從“接收協(xié)議解析”模塊可以得到協(xié)議驗證是否成功的標(biāo)識信號和對無線通信設(shè)備的控制信號。其中,該標(biāo)識信號直接影響收發(fā)狀態(tài)的切換。 如果驗證成功,則表明設(shè)備要實現(xiàn)從“初始態(tài)”到“切換態(tài)”的轉(zhuǎn)變。 對于無線通信設(shè)備A,將“初始狀態(tài)”下的總線接收,轉(zhuǎn)換為“切換態(tài)”下的總線發(fā)送;切換的同時產(chǎn)生計時信號,該計時信號用于“超時”情況下,將無線通信設(shè)備A 的總線收發(fā)狀態(tài)恢復(fù)到“初始狀態(tài)”的接收。

從“發(fā)射協(xié)議解析”模塊可以得到協(xié)議驗證是否成功的標(biāo)識信號以及接收機的輸出數(shù)據(jù)。 接收機的輸出數(shù)據(jù)直接送給“數(shù)據(jù)發(fā)送”完成最終的總線輸出。

對于無線通信設(shè)備A,如果驗證成功,表明設(shè)備要進(jìn)入“初始態(tài)”;如果驗證還未成功,需要判斷此時是否“超時”,若沒有,繼續(xù)等待驗證,若超時,則按照上一點說明進(jìn)行狀態(tài)初始化。 假設(shè)這里驗證成功,無線通信設(shè)備A 切換為“初始態(tài)”的接收需要等待所有數(shù)據(jù)完成總線發(fā)送,完成的依據(jù)就是發(fā)送模塊輸出的當(dāng)前字節(jié)發(fā)送結(jié)束標(biāo)志和接收機送出的末字節(jié)標(biāo)識,兩者同時滿足的情況下,表明所有發(fā)送數(shù)據(jù)均完成發(fā)送,此時可以正常進(jìn)行總線收發(fā)切換。

4.3.2 無線通信設(shè)備B

對于無線通信設(shè)備B,從接收機得到的數(shù)據(jù)包含“總線收發(fā)切換信息”,該信息的設(shè)計就是為了無線通信設(shè)備A 和無線通信設(shè)備B 的收發(fā)切換聯(lián)動。具體而言,無線通信設(shè)備A 的“接收協(xié)議解析”模塊產(chǎn)生“切換態(tài)”的控制信息,將其加入到物理層傳輸幀格式中,聯(lián)同數(shù)據(jù)一起傳給無線通信設(shè)備B,無線通信設(shè)備B 收到該信息則表明其將要由“初始態(tài)”的發(fā)送進(jìn)入“切換態(tài)”的接收。 同樣的,無線通信設(shè)備A 的“發(fā)射協(xié)議解析”模塊會產(chǎn)生“初始態(tài)”的控制信息,將其加入到傳輸幀格式中送給無線通信設(shè)備B,該信息表明無線通信設(shè)備B 將要由“切換態(tài)”的接收進(jìn)入“初始態(tài)”的發(fā)送。 為了提高可靠性,設(shè)置如果未能連續(xù)多次收到同一狀態(tài),則清零重新計數(shù)。 這里無線通信設(shè)備B 由“初始態(tài)”發(fā)射向“切換態(tài)”接收的切換也需要保證發(fā)送數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)完整發(fā)送出去之后再進(jìn)行。

4.4 傳輸控制幀格式設(shè)計

對傳輸?shù)膸袷竭M(jìn)行了該應(yīng)用場景下的特殊設(shè)計,如圖13 所示。

圖13 傳輸控制幀設(shè)計Fig.13 Design of transmission control frame structure

要點在于:

1)保證無線傳輸設(shè)備A/B 的收發(fā)切換實時聯(lián)動,幀結(jié)構(gòu)中設(shè)計了收發(fā)控制信息和末字節(jié)標(biāo)識;

2)幀格式的設(shè)計需要保證以字節(jié)為單位完成數(shù)據(jù)的發(fā)送,這就需要結(jié)合編譯碼進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計;

3)總線數(shù)據(jù)的發(fā)送形式為突發(fā)方式,如果采用僅在無線傳輸設(shè)備A 給B 的有效數(shù)據(jù)末尾添加收發(fā)切換控制信息,則無線傳輸設(shè)備B 最多收到一次該信息,影響系統(tǒng)可靠性,因此幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計考慮這種情況下的可靠使用,增加了測試幀,用于連續(xù)傳輸該信息。

5 結(jié)論

本文使用無線通信結(jié)合RS485 總線的方式,取代傳統(tǒng)有線RS485 通信系統(tǒng),主要解決需要采用類似RS485 總線實現(xiàn)設(shè)備間交互,但不便于使用有線傳輸方式或存在安全隱患的場景。

本文提出了一種基于RS485 總線的無線通信系統(tǒng),設(shè)計了一套完整的、可靠性高的低時延流控機制,并針對關(guān)鍵控制信息的傳輸提出了合適的物理層傳輸幀結(jié)構(gòu)。 主要取得以下成果:

1)從系統(tǒng)應(yīng)用角度考慮,設(shè)計出了一種快速響應(yīng)的總線控制方法,提高了無線RS485 系統(tǒng)中對總線控制的響應(yīng)速度,增強了控制方法的可靠性,將復(fù)雜的控制流程清晰化、精簡化,降低了工程實現(xiàn)的難度。

2)對于485 總線的流控方法,包括所采用的控制信號和控制流程均是特別針對無線RS485 應(yīng)用場景的設(shè)計,不僅可以提供低時延的傳輸方案,更保證485 總線傳輸系統(tǒng)的可靠性。

3)提出了一種高效率的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計,該幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計從傳輸鏈路的連續(xù)性、低時延性、設(shè)備間協(xié)同控制穩(wěn)定性等多角度考慮,實現(xiàn)了一種高幀效率、高實時性、高可靠性的無線通信幀結(jié)構(gòu)設(shè)計。