0 引言

    民用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)集成時(shí),，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(duì)差分GPS技術(shù)來(lái)提高無(wú)人機(jī)導(dǎo)航精度時(shí),，地面端差分基站需要上傳差分導(dǎo)航電文給機(jī)載移動(dòng)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(wèn)題,。

    現(xiàn)有的解決方法主要包括：(1)采用多對(duì)數(shù)傳電臺(tái)或多通道電臺(tái)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(guò)一對(duì)電臺(tái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)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(shí)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(shí)容易發(fā)生數(shù)據(jù)阻塞的問(wèn)題,，影響無(wú)人機(jī)飛行安全。

    鑒于現(xiàn)有的無(wú)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(jì)了一種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的串口交換機(jī)，通過(guò)專(zhuān)用的鏈路層報(bào)文協(xié)議和基于RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多線(xiàn)程通信程序,，實(shí)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(xiàn)程優(yōu)先級(jí)的內(nèi)核調(diào)度方法實(shí)現(xiàn)輸出端口的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列調(diào)度功能，確保高優(yōu)先級(jí)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(duì)串口交換機(jī)分別安裝在無(wú)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(gè)節(jié)點(diǎn)端口和多個(gè)設(shè)備端口，節(jié)點(diǎn)端口連接數(shù)傳電臺(tái),，分時(shí)傳輸各設(shè)備的數(shù)據(jù),。在計(jì)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(wú)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(bào)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(guò)端口尋址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),，在端口輸出時(shí)去除封裝,，實(shí)現(xiàn)各通道設(shè)備間虛連接的透?jìng)鞴δ堋．?dāng)出現(xiàn)多路數(shù)據(jù)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)節(jié)點(diǎn)端口時(shí),，則根據(jù)通道優(yōu)先級(jí)依次輸出各路數(shù)據(jù),，最終實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)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(wú)人機(jī)空地?cái)?shù)據(jù)鏈包括飛控?cái)?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(gè),，分為1個(gè)節(jié)點(diǎn)端口和4個(gè)設(shè)備端口,，在實(shí)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(kāi)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(shí)鐘達(dá)168 MHz，總共有6個(gè)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(gè)芯片即可滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)

3.1 鏈路層報(bào)文協(xié)議設(shè)計(jì)

    為實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)交換傳輸功能，首先定義了鏈路層報(bào)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(wú)人機(jī)串口設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和實(shí)際功能需求，設(shè)計(jì)了如表1所示的鏈路層報(bào)文協(xié)議,。

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

    (1)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀最長(zhǎng)為1 500 B，串口交換機(jī)的報(bào)文幀長(zhǎng)由1 B表示,，最長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀為255 B,，該長(zhǎng)度能夠滿(mǎn)足絕大部分的串口設(shè)備幀長(zhǎng),。對(duì)于超長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀，對(duì)其拆分成多個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文,，由報(bào)文序號(hào)表示報(bào)文之間的拼接順序,，避免超長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀占用鏈路時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而增加其他報(bào)文的等待延時(shí)；

    (2)報(bào)文攜帶端口的優(yōu)先級(jí)信息,，在多個(gè)報(bào)文同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)輸出端口時(shí)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(bào)文,，配置各個(gè)端口的優(yōu)先級(jí)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(xiàn)程通信程序設(shè)計(jì)

    串口交換機(jī)的嵌入式通信程序要求能夠?qū)崟r(shí)處理5個(gè)串口外設(shè)的數(shù)據(jù)收發(fā),，同時(shí)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(jì)方法難以實(shí)現(xiàn)多個(gè)端口高效、實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT-Thread^[6-7],，利用操作系統(tǒng)的多線(xiàn)程編程模型與運(yùn)行機(jī)制實(shí)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(hào)量,、消息隊(duì)列等線(xiàn)程同步和通信對(duì)象實(shí)現(xiàn)各端口收發(fā)線(xiàn)程的同步與數(shù)據(jù)交換功能,，極大地提高了程序設(shè)計(jì)的效率。

    首先,，為了應(yīng)對(duì)多串口并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)的通信壓力,，軟件底層設(shè)計(jì)了DMA傳輸和接收空閑中斷的串口驅(qū)動(dòng)程序。端口接收設(shè)備的數(shù)據(jù)時(shí),，DMA控制器自動(dòng)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(shí)，串口產(chǎn)生空閑中斷,，在中斷服務(wù)函數(shù)中計(jì)算接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,，并釋放信號(hào)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(shí),，直接將發(fā)送緩沖區(qū)的首地址和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度賦值給DMA控制器后,，便掛起釋放CPU資源，底層由硬件自動(dòng)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(xiàn)程可在底層接收完一幀數(shù)據(jù)后才喚醒一次，統(tǒng)一對(duì)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(gè)端口創(chuàng)建接收處理線(xiàn)程和發(fā)送線(xiàn)程，由系統(tǒng)內(nèi)核根據(jù)線(xiàn)程狀態(tài)和線(xiàn)程優(yōu)先級(jí)調(diào)度執(zhí)行,，達(dá)到并發(fā)運(yùn)行的效果,。端口接收線(xiàn)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(duì)于4個(gè)設(shè)備端口,，對(duì)讀取的數(shù)據(jù)執(zhí)行透?jìng)魈幚恚醋x取端口目的地址等參數(shù)后對(duì)數(shù)據(jù)幀添加鏈路層協(xié)議封裝,，形成鏈路層報(bào)文數(shù)據(jù),，最后通過(guò)操作系統(tǒng)提供的消息隊(duì)列將報(bào)文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點(diǎn)端口的發(fā)送線(xiàn)程。對(duì)于節(jié)點(diǎn)端口,，其接收電臺(tái)發(fā)送過(guò)來(lái)的鏈路層報(bào)文數(shù)據(jù),，需要對(duì)報(bào)文進(jìn)行傳輸校驗(yàn)，校驗(yàn)通過(guò)后按照?qǐng)?bào)文的目的端口信息將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到目的端口的發(fā)送線(xiàn)程,。

    設(shè)備端口的發(fā)送線(xiàn)程在等待消息隊(duì)列的報(bào)文數(shù)據(jù)時(shí)處于掛起狀態(tài)。在獲得節(jié)點(diǎn)接收線(xiàn)程轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的報(bào)文數(shù)據(jù)后,，發(fā)送線(xiàn)程以高于接收線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)搶占CPU,，讀取隊(duì)列中報(bào)文數(shù)據(jù)并根據(jù)鏈路層的報(bào)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(guò)程流程簡(jiǎn)單,，占用CPU時(shí)間少,，使消息隊(duì)列中的報(bào)文及時(shí)輸出，避免隊(duì)列溢出,。

3.3 基于線(xiàn)程優(yōu)先級(jí)的優(yōu)先隊(duì)列調(diào)度實(shí)現(xiàn)方法

    交換機(jī)連接電臺(tái)的節(jié)點(diǎn)端口任意時(shí)刻只能傳輸一個(gè)報(bào)文數(shù)據(jù),，當(dāng)多路報(bào)文同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，須在輸出隊(duì)列中排隊(duì)等待,。不同數(shù)傳電臺(tái)的傳輸速率不同,，造成后續(xù)報(bào)文排隊(duì)等待延時(shí)難以確定。設(shè)備增多,，數(shù)據(jù)量變大時(shí)容易發(fā)生通信阻塞和緩沖區(qū)溢出的問(wèn)題,。

    考慮到不同的設(shè)備數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求和無(wú)人機(jī)安全飛行的重要程度不同。為了確保無(wú)人機(jī)飛行安全,，本文采用的策略是對(duì)端口進(jìn)行優(yōu)先級(jí)定義,，形成不同優(yōu)先級(jí)的報(bào)文，并確保最高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)充分享有電臺(tái)的傳輸帶寬，不發(fā)生通信阻塞,。一種易于實(shí)現(xiàn)的方法是嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)隊(duì)列調(diào)度算法（Strict Priority,，SP）^[8]，該算法的原理是在節(jié)點(diǎn)輸出端口設(shè)計(jì)一個(gè)隊(duì)列調(diào)度器和多級(jí)輸出緩沖隊(duì)列,，如圖4所示,。隊(duì)列調(diào)度器每次發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送最高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的報(bào)文數(shù)據(jù),，只有在最高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中無(wú)報(bào)文數(shù)據(jù)后,，才從次優(yōu)先級(jí)中選擇報(bào)文發(fā)送，以此類(lèi)推,。

    通過(guò)分析比較,，SP調(diào)度算法對(duì)隊(duì)列的調(diào)度策略與嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核基于線(xiàn)程優(yōu)先級(jí)的調(diào)度策略^[9]相似，因此采用線(xiàn)程優(yōu)先級(jí)的調(diào)度方法可快速實(shí)現(xiàn)SP隊(duì)列調(diào)度算法,。具體實(shí)現(xiàn)方法是為圖4中的每個(gè)隊(duì)列創(chuàng)建一個(gè)發(fā)送線(xiàn)程,，即將原來(lái)節(jié)點(diǎn)端口的1個(gè)發(fā)送線(xiàn)程擴(kuò)展為4個(gè)，線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)順序按照端口優(yōu)先級(jí)排序,，且均高于其他端口線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí),。每個(gè)發(fā)送線(xiàn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)長(zhǎng)度為20條消息的消息隊(duì)列，用于緩存待調(diào)度輸出的報(bào)文數(shù)據(jù),。在只有一個(gè)發(fā)送線(xiàn)程的消息隊(duì)列收到報(bào)文時(shí),，內(nèi)核直接調(diào)度執(zhí)行串口發(fā)送。當(dāng)多個(gè)發(fā)送線(xiàn)程同時(shí)處于就緒態(tài)時(shí),，內(nèi)核根據(jù)線(xiàn)程優(yōu)先級(jí)先執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)的發(fā)送線(xiàn)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(jí)的發(fā)送線(xiàn)程開(kāi)始,。

    線(xiàn)程調(diào)度與隊(duì)列調(diào)度的一個(gè)區(qū)別在于內(nèi)核對(duì)線(xiàn)程實(shí)行全搶占式的調(diào)度方法,，即高優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程能夠搶占低優(yōu)先級(jí)線(xiàn)程的執(zhí)行。為了避免高優(yōu)先級(jí)發(fā)送線(xiàn)程搶占發(fā)送數(shù)據(jù),，造成前一報(bào)文傳輸失敗,，需在節(jié)點(diǎn)端口4個(gè)發(fā)送線(xiàn)程之間添加發(fā)送互斥鎖同步對(duì)象，使高優(yōu)先級(jí)的發(fā)送線(xiàn)程在收到報(bào)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(guò)上述方法，原有的隊(duì)列調(diào)度工作轉(zhuǎn)換為內(nèi)核對(duì)線(xiàn)程的調(diào)度工作,，無(wú)需設(shè)計(jì)隊(duì)列調(diào)度器程序,，由穩(wěn)定的系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)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(jí)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(wú)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(cè)試結(jié)果與分析

    為了測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)軟件，排除電臺(tái)無(wú)線(xiàn)傳輸誤碼造成的報(bào)文丟失，測(cè)試時(shí)采用有線(xiàn)的方式連接一對(duì)串口交換機(jī)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)端口,，節(jié)點(diǎn)端口的波特率設(shè)置為115 200 b/s,。通過(guò)串口助手模擬設(shè)備通信，測(cè)試內(nèi)容分為2項(xiàng)：

    (1)測(cè)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?shí)時(shí)性,。由兩個(gè)串口助手分別在傳輸通道的兩端，雙向同時(shí)發(fā)送字符串消息,。測(cè)試結(jié)果表明,，各通道獨(dú)立工作時(shí)均能完整、實(shí)時(shí)地傳輸數(shù)據(jù),。

    (2)測(cè)試在不同數(shù)據(jù)頻率下4個(gè)通道并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)各通道數(shù)據(jù)的傳輸完整率,。首先按端口序號(hào)定義4個(gè)設(shè)備端口的優(yōu)先級(jí)，數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高,，波特率統(tǒng)一配置為115 200 b/s,。串口助手軟件同時(shí)向交換機(jī)的4個(gè)設(shè)備端口發(fā)送幀長(zhǎng)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(jì)每個(gè)頻率下4個(gè)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(diǎn)的輸出速率11 520 B/s,，短時(shí)間內(nèi)仍然能夠完整地傳輸4個(gè)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(shí),，輸入速率已經(jīng)大大超過(guò)節(jié)點(diǎn)輸出速率,，此時(shí)最低優(yōu)先級(jí)的COM4端口數(shù)據(jù)開(kāi)始得不到傳輸，COM3端口只傳輸了67.8%,，而高優(yōu)先級(jí)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(jí)的兩個(gè)端口。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明基于線(xiàn)程優(yōu)先級(jí)的SP隊(duì)列調(diào)度實(shí)現(xiàn)方法有效,。

5 結(jié)論

    本文針對(duì)當(dāng)前民用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)集成時(shí)出現(xiàn)的空地多路設(shè)備傳輸需求,，將計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)中以太網(wǎng)交換機(jī)的原理應(yīng)用于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)串口設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了多串口交換機(jī)。通過(guò)專(zhuān)用的鏈路層協(xié)議和高效的多線(xiàn)程通信程序,，實(shí)現(xiàn)了空地多通道數(shù)傳交換功能,，并實(shí)現(xiàn)了端口的區(qū)分服務(wù)，確保高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的可靠傳輸,，保障無(wú)人機(jī)飛行安全,。該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)集成工作，降低了系統(tǒng)成本,，對(duì)推動(dòng)無(wú)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）