機(jī)載計(jì)算機(jī)RS422A通訊的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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摘要 RS422A、RS485等異步串行通訊技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)載計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，提高了飛機(jī)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。為使其穩(wěn)定工作，不僅需要可靠硬件平臺(tái)，還需嚴(yán)密的軟件算法°文中描述了某機(jī)載計(jì)算機(jī)為實(shí)現(xiàn)與多個(gè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)異步串行通訊，設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，并根據(jù)每個(gè)設(shè)備不同的通訊協(xié)議，給出了不同的軟件算法，重點(diǎn)闡述了軟件設(shè)計(jì)及原理。根據(jù)該原理研制的產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、聯(lián)試和用戶使用，證明其工作可靠、性能良好。
關(guān)鍵詞 RS422A；RS485；通訊軟件設(shè)計(jì)
1 RS422A標(biāo)準(zhǔn)
RS422A是一種在工程中廣泛使用的接口標(biāo)準(zhǔn)，其采用差分傳輸方式，也稱為“平衡傳輸”，標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”。可見(jiàn)RS422A定義的是接口電路的電氣特性，而對(duì)數(shù)據(jù)格式未作定義。RS422A是全雙工通信，通信的雙方均含有一個(gè)發(fā)送、接收驅(qū)動(dòng)器。其中接收驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)平衡線連接端點(diǎn)定義為A和B，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)平衡線連接端點(diǎn)定義為Y和Z，通常使用平衡雙絞線將一端的Y和A、Z和B相連。通常發(fā)送驅(qū)動(dòng)器端Y、Z之間的正電平在2～6 V，代表正邏輯，負(fù)電平在-6～-2 V，代表負(fù)邏輯。在接收端，當(dāng)A、B之間有>+ 200 mV的電平時(shí)，輸出正邏輯電平-200 mV時(shí)，輸出負(fù)邏輯電平。RS422A最大傳輸距離為4 000英尺(約1 219 m)，最大傳輸速率為10 Mbit· s-1。其中平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100 kbit·s-1速率下，才可達(dá)到最大傳輸距離。只有在較短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100 m長(zhǎng)的雙絞線可獲取的最大傳輸速率為1Mbit·s-1。
2 硬件設(shè)計(jì)
對(duì)于RS422A、RS485等異步串行通訊的硬件設(shè)計(jì)，主要有兩種方式。
(1)采用協(xié)議芯片加接口驅(qū)動(dòng)芯片的方式。該方式技術(shù)較成熟，但使用的元器件較多，占用印制板的板面較大。
(2)采用SOC的方式，將協(xié)議芯片的邏輯功能在可編程邏輯器件FPGA中編程實(shí)現(xiàn)。該方式使用的元器件較少，但在FPGA中寫(xiě)出較完善的協(xié)議邏輯的難度較大。
本工程中采用第一種方式，用協(xié)議芯片16C552或16C554加接口驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行通訊。并設(shè)計(jì)回繞自測(cè)試電路。采用16C552芯片實(shí)現(xiàn)全雙工收發(fā)RS-422器功能，RS-422驅(qū)動(dòng)電路由DS26LS31MJ(4路RS-422發(fā)送器)、DS26LS32MJ(4路RS-422接收器)、終端匹配電路和保護(hù)電路組成。
3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 通訊協(xié)議的定義
RS422A標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定而不涉及協(xié)議，因此可定義自身的高層通信協(xié)議。在本設(shè)計(jì)方案中，在底層以Byte為單位通信，采用UART字的格式。在上層協(xié)議中采用數(shù)據(jù)包為單位通信。
通信協(xié)議中主要規(guī)定：(1)通訊雙方的傳送控制方式，即主從命令響應(yīng)方式或周期通訊方式等。(2)通訊周期。(3)通訊速率，即波特率。(4)通訊字格式。通訊的最小信息單位是UART字，每個(gè)UART字由11位二進(jìn)制數(shù)組成，如圖1所示。

第1位：起始位(邏輯“0”狀態(tài)為有效)；第2～9位：信息位；第10位：奇偶校驗(yàn)位(約定為偶校驗(yàn))；第11位：停止位(邏輯“1”狀態(tài)為有效)。每個(gè)UART字按低位到高位的先后順序串行傳送。對(duì)于16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)分成兩個(gè)UART字，按由低到高的先后順序傳送。(5)通訊包格式。通訊傳送的基本單位是通訊包，通訊包由包頭、包狀態(tài)、數(shù)據(jù)字和包尾組成，最后的包尾是校驗(yàn)和字，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

校驗(yàn)和字為通訊包中除校驗(yàn)和字外所有字累加和的補(bǔ)碼。校驗(yàn)和校驗(yàn)正確的依據(jù)為接收到的UART字塊中所有字的累加和等于0。
包頭通常規(guī)定為0xAA55或0x55AA，與數(shù)據(jù)字相同的概率較小。包頭一旦與數(shù)據(jù)字相同，則可能誤認(rèn)為該數(shù)據(jù)字為包頭，從而組包錯(cuò)誤。
通訊協(xié)議應(yīng)規(guī)定每個(gè)數(shù)據(jù)字中每一位的定義。若通訊協(xié)議中存在多種包長(zhǎng)或多種數(shù)據(jù)包定義，則應(yīng)在包狀態(tài)中說(shuō)明該包的包長(zhǎng)或包序號(hào)，由包序號(hào)可明確該包數(shù)據(jù)的詳細(xì)定義。
3．2 接收數(shù)據(jù)
首先，需確定接收數(shù)據(jù)的方式，即選擇查詢接收或是中斷接收。嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)應(yīng)盡量減少中斷的使用，在查詢接收可滿足通訊要求，且不影響實(shí)時(shí)性的情況下，盡量采用查詢的方式接收數(shù)據(jù)。
若通訊協(xié)議規(guī)定，要接收的數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度小于或等于硬件接收FIFO緩沖區(qū)的長(zhǎng)度，且兩包數(shù)據(jù)間的間隔時(shí)間大于或等于最小查詢周期，則可采用查詢的方式接收數(shù)據(jù)。否則需采用中斷的方式接收，才能保證數(shù)據(jù)不丟失。
采用查詢的方式接收數(shù)據(jù)時(shí)，以最小周期進(jìn)行反復(fù)查詢，若硬件接收FIFO緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)則收入軟件中設(shè)定的容量較大的先入先出隊(duì)列緩沖區(qū)。
采用中斷的方式接收數(shù)據(jù)時(shí)，硬件接收FIFO緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)則會(huì)引發(fā)中斷，中斷服務(wù)程序中將硬件接收FIFO緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)則收入軟件中設(shè)定的容量較大的先入先出隊(duì)列緩沖區(qū)。
而后，再以通訊協(xié)議規(guī)定的接收數(shù)據(jù)周期，從軟件隊(duì)列緩沖區(qū)中取數(shù)、找包頭、按包長(zhǎng)組包、算校驗(yàn)和。當(dāng)未收到完整數(shù)據(jù)包或校驗(yàn)和錯(cuò)時(shí)，進(jìn)行錯(cuò)誤計(jì)數(shù)。

上述分兩步接收數(shù)據(jù)的流程示意如圖3所示。以該方式，可無(wú)需消耗多余的時(shí)間，并確保數(shù)據(jù)不丟失。
3．3 發(fā)送數(shù)據(jù)
發(fā)送數(shù)據(jù)作為主動(dòng)的行為，盡量不使用中斷。當(dāng)需發(fā)送的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度小于或等于硬件發(fā)送FIFO緩沖區(qū)時(shí)，可直接發(fā)送。當(dāng)需發(fā)送的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度大于硬件發(fā)送FIFO緩沖區(qū)時(shí)，可分為多次發(fā)送。軟件將要發(fā)送的數(shù)據(jù)組織好后存入容量較大的先入先出隊(duì)列緩沖區(qū)。再以軟件運(yùn)行的最小周期，將隊(duì)列緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)分批裝入硬件發(fā)送FIFO緩沖區(qū)進(jìn)行發(fā)送。
4 數(shù)據(jù)組包的算法
以通訊協(xié)議規(guī)定的接收數(shù)據(jù)周期，從軟件隊(duì)列緩沖區(qū)中取數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)組包的算法是較為重要的，其保證了軟件采信數(shù)據(jù)的有效性和完整性。并和通訊協(xié)議密切相關(guān)。包長(zhǎng)固定時(shí)的流程如圖4所示，其主要步驟如下：

(1)確認(rèn)要接收的通道號(hào)是否合法。
(2)在軟件隊(duì)列緩沖區(qū)中，當(dāng)剩余字節(jié)數(shù)大于等于包長(zhǎng)時(shí)，才有可能取得新的一包完整數(shù)據(jù)。剩余字節(jié)數(shù)小于包長(zhǎng)則認(rèn)為無(wú)新的一包完整數(shù)據(jù)，等到下個(gè)周期再組包接收。
(3)在剩余字節(jié)數(shù)大于等于包長(zhǎng)的條件下，按照通訊協(xié)議中規(guī)定的包頭，從隊(duì)列中依次查找，非包頭則拋掉，直至找到包頭。
(4)以包頭為起始，按包長(zhǎng)取出一包數(shù)據(jù)，計(jì)算校驗(yàn)和。若校驗(yàn)和正確則得到一包有效數(shù)據(jù)。
(5)軟件隊(duì)列緩沖區(qū)中若還有足夠數(shù)據(jù)，則繼續(xù)查找包頭并組包，若有新的一包有效數(shù)據(jù)則采用最新數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)積壓。
用該算法，當(dāng)有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)，可檢查出錯(cuò)誤并丟棄出錯(cuò)的數(shù)據(jù)包，找出下一包正確的數(shù)據(jù)。不會(huì)因一包數(shù)據(jù)出錯(cuò)而影響后續(xù)多包數(shù)據(jù)。
要接收的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)變化時(shí)，通訊協(xié)議需規(guī)定，根據(jù)包頭后的包狀態(tài)字明確該包數(shù)據(jù)的包長(zhǎng)。先假定當(dāng)前要接收的是最短包，以緩沖區(qū)中剩余字節(jié)數(shù)大于或等于最短包長(zhǎng)，作為找包頭的前提條件。找到包頭后，根據(jù)包狀態(tài)字確定該包包長(zhǎng)，若緩沖區(qū)中剩余字節(jié)數(shù)小于該包包長(zhǎng)，則認(rèn)為數(shù)據(jù)未完成接收，將包頭和包狀態(tài)字仍留存在緩沖區(qū)中，等待下個(gè)周期補(bǔ)充新數(shù)據(jù)后再進(jìn)行組包接收。包長(zhǎng)變化時(shí)接收數(shù)據(jù)組包的流程較復(fù)雜，如圖5所示。


5 結(jié)束語(yǔ)
文中設(shè)計(jì)的算法充分考慮了傳輸過(guò)程可能出現(xiàn)的各種情況，分兩步完成數(shù)據(jù)接收，小周期或中斷僅進(jìn)行硬件緩沖區(qū)的接收，滿足實(shí)時(shí)性要求且保證數(shù)據(jù)不會(huì)因未及時(shí)接收而丟失；大周期進(jìn)行數(shù)據(jù)組包，并以最快捷的方式找到有效數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)與12個(gè)設(shè)備進(jìn)行RS422A或RS485通訊，經(jīng)驗(yàn)證，文中設(shè)計(jì)的算法綜合機(jī)載計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求。