0 引言

    民用無人機(jī)系統(tǒng)集成時，除了飛控需要與地面站通信外，部分機(jī)載設(shè)備也需要與地面系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行通信。如采用相對差分GPS技術(shù)來提高無人機(jī)導(dǎo)航精度時，地面端差分基站需要上傳差分導(dǎo)航電文給機(jī)載移動站接收機(jī)^[1]；任務(wù)載荷需要與其配套的地面控制終端傳輸狀態(tài)與指令數(shù)據(jù)等。如何解決空地多路設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸成為系統(tǒng)集成的關(guān)鍵問題。

    現(xiàn)有的解決方法主要包括：(1)采用多對數(shù)傳電臺或多通道電臺分別傳輸各路設(shè)備的數(shù)據(jù)；(2)由飛控和地面站轉(zhuǎn)發(fā)多路數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過一對電臺實現(xiàn)無線傳輸^[2-3]。方法1體積重量增加，電磁兼容性差，且成本高。因此，方法2成為主要實現(xiàn)方法。但由于飛控需要完成復(fù)雜的導(dǎo)航控制解算任務(wù)，處理器資源有限，造成數(shù)據(jù)傳輸效率低，數(shù)據(jù)量大時容易發(fā)生數(shù)據(jù)阻塞的問題，影響無人機(jī)飛行安全。

    鑒于現(xiàn)有的無人機(jī)設(shè)備多采用串口通信方式，且空地間的通信呈現(xiàn)交換局域網(wǎng)特性，本文設(shè)計了一種應(yīng)用于無人機(jī)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的串口交換機(jī)，通過專用的鏈路層報文協(xié)議和基于RT-Thread實時操作系統(tǒng)的多線程通信程序，實現(xiàn)高效的多通道數(shù)據(jù)交換傳輸功能；利用操作系統(tǒng)基于線程優(yōu)先級的內(nèi)核調(diào)度方法實現(xiàn)輸出端口的優(yōu)先級隊列調(diào)度功能，確保高優(yōu)先級數(shù)據(jù)不因數(shù)據(jù)量大而發(fā)生通信阻塞，提高了交換傳輸系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與工作原理

    一對串口交換機(jī)分別安裝在無人機(jī)系統(tǒng)的機(jī)載端和地面端，連接機(jī)載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)的串口設(shè)備，如圖1所示。交換機(jī)端口分為1個節(jié)點端口和多個設(shè)備端口，節(jié)點端口連接數(shù)傳電臺，分時傳輸各設(shè)備的數(shù)據(jù)。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)交換機(jī)工作在OSI模型的數(shù)據(jù)鏈路層，各端口接收到鏈路層的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀后根據(jù)其中的目的MAC地址與端口地址映射表完成數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)^[4]。而在無人機(jī)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中，串口交換機(jī)接收到的是設(shè)備的應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)幀，不包含任何網(wǎng)絡(luò)連接信息，因此系統(tǒng)軟件為各設(shè)備端口分配唯一的端口地址，并根據(jù)鏈路層的報文協(xié)議和端口參數(shù)為設(shè)備數(shù)據(jù)幀添加地址等鏈路層封裝，通過端口尋址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，在端口輸出時去除封裝，實現(xiàn)各通道設(shè)備間虛連接的透傳功能。當(dāng)出現(xiàn)多路數(shù)據(jù)同時訪問節(jié)點端口時，則根據(jù)通道優(yōu)先級依次輸出各路數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的無線傳輸功能。

2 系統(tǒng)需求分析與硬件方案

    結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用需求分析，無人機(jī)空地數(shù)據(jù)鏈包括飛控數(shù)據(jù)鏈、差分導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)鏈、載荷數(shù)據(jù)鏈等。因此，將串口交換機(jī)的端口數(shù)定為5個，分為1個節(jié)點端口和4個設(shè)備端口，在實現(xiàn)常用的3通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上預(yù)留1路給其他擴(kuò)展設(shè)備。

    串口交換機(jī)的硬件組成包括單片機(jī)、電平轉(zhuǎn)換芯片、端口通信指示燈和開關(guān)電源。單片機(jī)采用ST公司的STM32F405RGT6，其內(nèi)核為ARM公司推出的Cotex-M4內(nèi)核，運(yùn)行時鐘達(dá)168 MHz，總共有6個串口外設(shè)，具有1 MB的Flash和192 KB的RAM，充足的運(yùn)行內(nèi)存為大容量通信提供足夠的緩沖區(qū)，單個芯片即可滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。

    電平轉(zhuǎn)換芯片由MAX3232和MAX3490分別將COMS/TTL電平轉(zhuǎn)為常用的RS-232和RS-422串口電平，以適應(yīng)不同接口的設(shè)備，如圖2所示。通信指示燈則用于顯示各端口的數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 鏈路層報文協(xié)議設(shè)計

    為實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)交換傳輸功能，首先定義了鏈路層報文交換協(xié)議。借鑒IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀格式定義^[5]，并結(jié)合無人機(jī)串口設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的特點和實際功能需求，設(shè)計了如表1所示的鏈路層報文協(xié)議。

    相較于以太網(wǎng)幀格式，上述定義的鏈路層報文協(xié)議存在以下特點：

    (1)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀最長為1 500 B，串口交換機(jī)的報文幀長由1 B表示，最長數(shù)據(jù)幀為255 B，該長度能夠滿足絕大部分的串口設(shè)備幀長。對于超長的數(shù)據(jù)幀，對其拆分成多個數(shù)據(jù)報文，由報文序號表示報文之間的拼接順序，避免超長數(shù)據(jù)幀占用鏈路時間過長而增加其他報文的等待延時；

    (2)報文攜帶端口的優(yōu)先級信息，在多個報文同時訪問一個輸出端口時能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)分服務(wù)功能，確保重要的設(shè)備數(shù)據(jù)優(yōu)先輸出；

    (3)協(xié)議除了用于數(shù)據(jù)通信外，還可向交換機(jī)發(fā)送指令報文，配置各個端口的優(yōu)先級和串口參數(shù)等，提高串口交換機(jī)應(yīng)用的靈活性。

3.2 多線程通信程序設(shè)計

    串口交換機(jī)的嵌入式通信程序要求能夠?qū)崟r處理5個串口外設(shè)的數(shù)據(jù)收發(fā)，同時還要完成各設(shè)備端口數(shù)據(jù)的鏈路層協(xié)議封裝、轉(zhuǎn)發(fā)、解封和端口輸出調(diào)度等任務(wù)。采用傳統(tǒng)單片機(jī)順序執(zhí)行的程序設(shè)計方法難以實現(xiàn)多個端口高效、實時的數(shù)據(jù)交換傳輸功能。

    本文在串口交換機(jī)的STM32處理器上移植了嵌入式實時操作系統(tǒng)RT-Thread^[6-7]，利用操作系統(tǒng)的多線程編程模型與運(yùn)行機(jī)制實現(xiàn)各端口通信程序模塊化編程和獨(dú)立運(yùn)行。利用系統(tǒng)提供的信號量、消息隊列等線程同步和通信對象實現(xiàn)各端口收發(fā)線程的同步與數(shù)據(jù)交換功能，極大地提高了程序設(shè)計的效率。

    首先，為了應(yīng)對多串口并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)的通信壓力，軟件底層設(shè)計了DMA傳輸和接收空閑中斷的串口驅(qū)動程序。端口接收設(shè)備的數(shù)據(jù)時，DMA控制器自動將數(shù)據(jù)存入底層接收緩沖區(qū)。當(dāng)數(shù)據(jù)幀結(jié)束時，串口產(chǎn)生空閑中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中計算接收數(shù)據(jù)長度，并釋放信號量通知上層的應(yīng)用程序讀取數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，直接將發(fā)送緩沖區(qū)的首地址和數(shù)據(jù)長度賦值給DMA控制器后，便掛起釋放CPU資源，底層由硬件自動執(zhí)行串口發(fā)送。該方法與常用的單字節(jié)接收中斷方法相比，極大地減少數(shù)據(jù)接收的中斷頻率，接收線程可在底層接收完一幀數(shù)據(jù)后才喚醒一次，統(tǒng)一對接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率和系統(tǒng)可靠性。

    上層應(yīng)用程序分別為每個端口創(chuàng)建接收處理線程和發(fā)送線程，由系統(tǒng)內(nèi)核根據(jù)線程狀態(tài)和線程優(yōu)先級調(diào)度執(zhí)行，達(dá)到并發(fā)運(yùn)行的效果。端口接收線程的執(zhí)行流程如圖3所示，首先讀取底層接收FIFO的數(shù)據(jù)。對于4個設(shè)備端口，對讀取的數(shù)據(jù)執(zhí)行透傳處理，即讀取端口目的地址等參數(shù)后對數(shù)據(jù)幀添加鏈路層協(xié)議封裝，形成鏈路層報文數(shù)據(jù)，最后通過操作系統(tǒng)提供的消息隊列將報文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點端口的發(fā)送線程。對于節(jié)點端口，其接收電臺發(fā)送過來的鏈路層報文數(shù)據(jù)，需要對報文進(jìn)行傳輸校驗，校驗通過后按照報文的目的端口信息將報文轉(zhuǎn)發(fā)到目的端口的發(fā)送線程。

    設(shè)備端口的發(fā)送線程在等待消息隊列的報文數(shù)據(jù)時處于掛起狀態(tài)。在獲得節(jié)點接收線程轉(zhuǎn)發(fā)過來的報文數(shù)據(jù)后，發(fā)送線程以高于接收線程的優(yōu)先級搶占CPU，讀取隊列中報文數(shù)據(jù)并根據(jù)鏈路層的報文協(xié)議去除封裝，提取數(shù)據(jù)內(nèi)容，執(zhí)行DMA發(fā)送，最后釋放CPU。該過程流程簡單，占用CPU時間少，使消息隊列中的報文及時輸出，避免隊列溢出。

3.3 基于線程優(yōu)先級的優(yōu)先隊列調(diào)度實現(xiàn)方法

    交換機(jī)連接電臺的節(jié)點端口任意時刻只能傳輸一個報文數(shù)據(jù)，當(dāng)多路報文同時訪問時，須在輸出隊列中排隊等待。不同數(shù)傳電臺的傳輸速率不同，造成后續(xù)報文排隊等待延時難以確定。設(shè)備增多，數(shù)據(jù)量變大時容易發(fā)生通信阻塞和緩沖區(qū)溢出的問題。

    考慮到不同的設(shè)備數(shù)據(jù)對實時性要求和無人機(jī)安全飛行的重要程度不同。為了確保無人機(jī)飛行安全，本文采用的策略是對端口進(jìn)行優(yōu)先級定義，形成不同優(yōu)先級的報文，并確保最高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)充分享有電臺的傳輸帶寬，不發(fā)生通信阻塞。一種易于實現(xiàn)的方法是嚴(yán)格優(yōu)先級隊列調(diào)度算法（Strict Priority，SP）^[8]，該算法的原理是在節(jié)點輸出端口設(shè)計一個隊列調(diào)度器和多級輸出緩沖隊列，如圖4所示。隊列調(diào)度器每次發(fā)送報文數(shù)據(jù)時，先發(fā)送最高優(yōu)先級隊列的報文數(shù)據(jù)，只有在最高優(yōu)先級隊列中無報文數(shù)據(jù)后，才從次優(yōu)先級中選擇報文發(fā)送，以此類推。

    通過分析比較，SP調(diào)度算法對隊列的調(diào)度策略與嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核基于線程優(yōu)先級的調(diào)度策略^[9]相似，因此采用線程優(yōu)先級的調(diào)度方法可快速實現(xiàn)SP隊列調(diào)度算法。具體實現(xiàn)方法是為圖4中的每個隊列創(chuàng)建一個發(fā)送線程，即將原來節(jié)點端口的1個發(fā)送線程擴(kuò)展為4個，線程的優(yōu)先級順序按照端口優(yōu)先級排序，且均高于其他端口線程的優(yōu)先級。每個發(fā)送線程對應(yīng)一個長度為20條消息的消息隊列，用于緩存待調(diào)度輸出的報文數(shù)據(jù)。在只有一個發(fā)送線程的消息隊列收到報文時，內(nèi)核直接調(diào)度執(zhí)行串口發(fā)送。當(dāng)多個發(fā)送線程同時處于就緒態(tài)時，內(nèi)核根據(jù)線程優(yōu)先級先執(zhí)行高優(yōu)先級的發(fā)送線程，發(fā)送完成后進(jìn)行下一次調(diào)度，每次調(diào)度都從就緒態(tài)中最高優(yōu)先級的發(fā)送線程開始。

    線程調(diào)度與隊列調(diào)度的一個區(qū)別在于內(nèi)核對線程實行全搶占式的調(diào)度方法，即高優(yōu)先級的線程能夠搶占低優(yōu)先級線程的執(zhí)行。為了避免高優(yōu)先級發(fā)送線程搶占發(fā)送數(shù)據(jù)，造成前一報文傳輸失敗，需在節(jié)點端口4個發(fā)送線程之間添加發(fā)送互斥鎖同步對象，使高優(yōu)先級的發(fā)送線程在收到報文后仍須等待當(dāng)前發(fā)送完成并釋放互斥鎖，才獲得執(zhí)行。

    通過上述方法，原有的隊列調(diào)度工作轉(zhuǎn)換為內(nèi)核對線程的調(diào)度工作，無需設(shè)計隊列調(diào)度器程序，由穩(wěn)定的系統(tǒng)內(nèi)核實現(xiàn)相同的功能，提高了運(yùn)行的可靠性，確保了高優(yōu)先級設(shè)備數(shù)據(jù)不因數(shù)據(jù)量大而發(fā)生通信阻塞，進(jìn)一步提高了無人機(jī)系統(tǒng)多路數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

    為了測試驗證系統(tǒng)軟件，排除電臺無線傳輸誤碼造成的報文丟失，測試時采用有線的方式連接一對串口交換機(jī)的兩個節(jié)點端口，節(jié)點端口的波特率設(shè)置為115 200 b/s。通過串口助手模擬設(shè)備通信，測試內(nèi)容分為2項：

    (1)測試各通道在不同波特率、不同數(shù)據(jù)頻率下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蛯崟r性。由兩個串口助手分別在傳輸通道的兩端，雙向同時發(fā)送字符串消息。測試結(jié)果表明，各通道獨(dú)立工作時均能完整、實時地傳輸數(shù)據(jù)。

    (2)測試在不同數(shù)據(jù)頻率下4個通道并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)時各通道數(shù)據(jù)的傳輸完整率。首先按端口序號定義4個設(shè)備端口的優(yōu)先級，數(shù)值越小優(yōu)先級越高，波特率統(tǒng)一配置為115 200 b/s。串口助手軟件同時向交換機(jī)的4個設(shè)備端口發(fā)送幀長為50 B的數(shù)據(jù)，發(fā)送頻率為50～100 Hz，以10 Hz遞增，各頻率下通信10 min，統(tǒng)計每個頻率下4個通道接收字節(jié)數(shù)占發(fā)送字節(jié)數(shù)的百分比，結(jié)果如圖5所示。

    在60 Hz頻率下，總的數(shù)據(jù)輸入速率為12 000 B/s，由于緩沖區(qū)的存在，即使略大于節(jié)點的輸出速率11 520 B/s，短時間內(nèi)仍然能夠完整地傳輸4個通道的數(shù)據(jù)，只存在少量誤碼丟包。當(dāng)數(shù)據(jù)頻率達(dá)到70 Hz時，輸入速率已經(jīng)大大超過節(jié)點輸出速率，此時最低優(yōu)先級的COM4端口數(shù)據(jù)開始得不到傳輸，COM3端口只傳輸了67.8%，而高優(yōu)先級的COM1、COM2仍然能夠得到完整的傳輸。繼續(xù)增加發(fā)送頻率，COM3的傳輸率繼續(xù)下降，但仍然不影響高優(yōu)先級的兩個端口。測試結(jié)果說明基于線程優(yōu)先級的SP隊列調(diào)度實現(xiàn)方法有效。

5 結(jié)論

    本文針對當(dāng)前民用無人機(jī)系統(tǒng)集成時出現(xiàn)的空地多路設(shè)備傳輸需求，將計算機(jī)局域網(wǎng)中以太網(wǎng)交換機(jī)的原理應(yīng)用于無人機(jī)系統(tǒng)串口設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了多串口交換機(jī)。通過專用的鏈路層協(xié)議和高效的多線程通信程序，實現(xiàn)了空地多通道數(shù)傳交換功能，并實現(xiàn)了端口的區(qū)分服務(wù)，確保高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的可靠傳輸，保障無人機(jī)飛行安全。該設(shè)計簡化了系統(tǒng)集成工作，降低了系統(tǒng)成本，對推動無人機(jī)在各領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

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作者信息:

盛  蔚，黃偉杰

（北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191）