CN107092574A - 一种适用于星载电子设备的多串口缓存复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于星载电子设备的多串口缓存复用方法，星载综合电子设备间为一主多从关系，主机根据上位机发送的指令向各从机发送数据内部控制命令，从机响应主机的内部控制命令，向主机返回相应的响应信息；或者主机定时向从机发送遥测采集命令，从机定期向主机回传遥测状态信息，主机从机之间采用串口进行信息交互，主机采用多时间片查询的方式进行数据收发处理，各从机时分复用主机的串口发送缓冲区和串口接收缓冲区。本发明解决了一主多从串口通信系统中主机资源有限无法满足多从机数据接收存储空间的问题，节约了系统资源，提高了代码效率。

Description

一种适用于星载电子设备的多串口缓存复用方法

技术领域

本发明涉及一种适用于星载电子设备的多串口缓存复用方法，属于卫星有效载荷嵌入式软件设计领域。

背景技术

星载电子设备主要是一类具有卫星综合管理控制单元功能的设备。该类星载电子设备主要功能是管理隶属分系统内部各个单机及模块的工作流程，依据卫星星务计算机发来的命令信息和工作参数，综合管理控制分系统内部单机开机、执行任务、关机、以及遥测遥控等。这一类电子设备属于分系统对外的接口单机，同时具备分系统任务管理综合控制功能，经常属于在轨长加电设备，通常会选用宇航级的MCU+FPGA组成硬件运行环境，所以形成了该类电子设备器件等级极高，硬件资源严重不足的特点。而要满足星载软件降额要求的条件下，完成分系统在轨工作任务执行管理以及与内部各个单机间的信息交互管理的任务，需要设计一种MCU+FPGA多串口缓冲复用的软件设计方法来弥补硬件资源不足的问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，解决星载电子设备硬件资源不足的问题，通过主机MCU程序主循环时间片切换查询结合FPGA开辟复用收发缓存区的方式，完成一对多的串口信息交互功能。

本发明的技术解决方案是：一种适用于星载电子设备的多串口缓存复用方法，所述复用方法包括如下步骤：

(1)、主机MCU程序进入主循环时接收外部指令，根据外部指令和时序，为主循环每个相等的时间片设置相应的发送数据标志；

(2)、主机MCU程序在主循环的每个时间片到来时，判断相应的发送数据标志是否有效，如果有效，则将这个时间片区应该向指定从机发送的数据内容放到MCU发送缓冲区里，并将该指定从机对应的发送片选地址写入FPGA中；同时，判断MCU接收缓冲区里是否有新的数据帧，如果有，则从FPGA接收缓冲区中提取数据帧，并对数据帧进行解析和处理，之后，将下一个时间片主机需要接收的数据帧对应的从机接收片选地址写入FPGA中；

(3)、主机就MCU中断程序将MCU发送缓冲区发送至FPGA的发送缓冲区，FPGA根据步骤(3)中MCU写入的发送片选地址，选通相应的从机接口将数据发送至相应的从机；

(4)、FPGA收到接收片选地址之后，根据步骤(3)中MCU写入的接收片选地址，选通相应的从机接口将相应的从机发送的数据存入接收缓冲区中。

所述主机MCU程序主循环分为N个时间片，所述N为通信协议中主机向所有从机发送数据帧的总数与接收数据帧总数的最大值。

所述主机FPGA接收缓冲区容量不低于通信协议中主机接收数据帧中最大的数据帧对应的字节数。

当中断周期为T_s、串口波特率Mbps、发送缓冲区宽度为W时，所述发送缓冲区的深度大于等于 为向上取整运算。

所述FPGA包括接收缓冲区、发送缓冲区、接收选通模块、发送选通模块，在MCU发送的接收片选指令控制下，接收选通模块选通一路从机串口发送的数据存入至接收缓冲区模块；在MCU发送的发送片选指令控制下，发送选通模块选通发送缓冲区模块与某一从机串口接收信号相连接，将缓冲区模块中的数据发送至某一个从机。

在MCU程序主循环中N个时间片内的代码段内设置最多一段代码用于向指定从机发送指定的一帧数据和/或一段代码用于接收指定的从机发送的数据帧。

所述每个代码段运行时间不超过相应的时间片。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明采用主机MCU程序主循环时间片切换查询、FPGA开辟复用接收缓存的方式，按顺序查询接收从机数据，最终完成多台从机设备的数据信息交互，解决了星载电子设备硬件资源不足的问题；

(2)、本发明深入分析主机与从机之间的通信协议，通过时间复合复算科学地分配硬件资源，提高了代码效率，解决星载电子设备MCU处理速度慢外部中断资源不足的问题；

(3)、由于无法为每个从机开辟串口通信数据接收缓冲区，采用接收发送复用缓冲区的方式，解决FPGA硬件资源不足的问题。

附图说明

图1为本发明实施例综合接口与控制单元信息流示意图；

图2为本发明实施例FPGA串口部件原理示意图；

图3为本发明实施例MCU主循环流程图；

图4为本发明实施例MCU中断一对应的中断服务程序流程图；

图5为本发明实施例MCU中断0对应的中断服务程序流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

星载综合电子系统多设备间常采用一主多从关系通信串口进行信息交互，主机根据上位机发送的指令向各从机发送数据采集命令，从机响应主机的数据采集命令，向主机返回相应的数据，或者从机定期向主机发送数据，主机、从机之间采用串口进行信息交互。主机向各从机发出数据采集命令后，需为每个从机开辟一定空间的缓存以确保数据不丢失，但往往由于主机存储容量及资源有限，无法分别为各从机开辟独立缓存。

本发明主机采用MCU和FPGA实现串口数据收发，主机向从机发送数据时，MCU在主循环将要发送的数据存入内部数据缓冲区，中断程序将内部数据缓冲区的数据填入FPGA的发送缓冲区，由FPGA发送至相应的从机；主机接收从机数据时，从机将数据存入FPGA接收缓冲区中，MCU从FPGA接收缓冲区中提取数据。

所述FPGA包括接收缓冲区、发送缓冲区、接收选通模块、发送选通模块，接收缓冲区、发送缓冲区分别为串口接收缓冲区和串口发送缓冲区。在MCU发送的接收片选指令控制下，接收选通模块选通一路从机串口发送的数据存入至接收缓冲区模块；在MCU发送的发送片选指令控制下，发送选通模块选通发送缓冲区模块与某一从机串口接收信号相连接，将缓冲区模块中的数据发送至某一个从机。

本发明基于上述架构提供了一种适用于星载电子设备的多串口缓存复用方法，该方法各从机时分复用主机的串口发送缓冲区和串口接收缓冲区。具体包括如下步骤：

(1)、主机MCU程序进入主循环时接收外部指令，根据外部指令和时序，为主循环每个相等的时间片设置相应的发送数据标志；所述主机MCU程序主循环分为N个时间片，所述N为通信协议中主机向所有从机发送数据帧的总数与接收数据帧总数的最大值。例如，根据上位机指令输入内容以及与从机通信内容，规划时间片区。若从机数量X，第一个从机的发送数据帧共A个，第二个从机的发送数据帧共B个…第X个从机的发送数据帧共N个，那么,所有发送数据帧的总数为Send_sum＝SUM{A+B+…+N}；第一个从机的接收数据帧共a个，第二个从机的接收数据帧共b个…第X个从机的接收数据帧共n个，那么,所有接收数据帧的总数为Receiver_sum＝SUM{a+b+…+n}；比较Send_sum和Receiver_sum，取大值作为时间片区数量N；

(2)、主机MCU程序在主循环的每个时间片到来时，判断相应的发送数据标志是否有效，如果有效，则将这个时间片区应该向指定从机发送的数据内容放到MCU发送缓冲区里，并将该指定从机对应的发送片选地址写入FPGA中；同时，判断MCU接收缓冲区里是否有新的数据帧，如果有，则从FPGA接收缓冲区中提取数据帧，并对数据帧进行解析和处理，之后，将下一个时间片主机需要接收的数据帧对应的从机接收片选地址写入FPGA中；每个时间片应该完成的串口任务量包括：(a)、接收解包上个时间片区发送命令后从机返回的相应数据；(b)、将这个时间片区应该向从机发送的命令内容放到MCU缓冲区里，准备利用中断函数将字节发送出去。

所述主机FPGA接收缓冲区容量不低于通信协议中主机接收数据帧中最大的数据帧对应的字节数。可以根据n个从机返回数据量data1～datan的大小，选择最大值MAX{data1,data2…datan}作为接收缓冲区的深度；

所述FPGA发送缓冲区容量根据中断周期、串口波特率确定。当中断周期为T_s、串口波特率Mbps、发送缓冲区宽度为W时，所述发送缓冲区的深度大于等于 为向上取整运算。

(3)、主机就MCU中断程序将MCU发送缓冲区发送至FPGA的发送缓冲区，FPGA根据步骤(3)中MCU写入的发送片选地址，选通相应的从机接口将数据发送至相应的从机；

(4)、FPGA收到接收片选地址之后，根据步骤(3)中MCU写入的接收片选地址，选通相应的从机接口将相应的从机发送的数据存入接收缓冲区中。

在MCU程序主循环中N个时间片内的代码段内设置最多一段代码用于向指定从机发送指定的一帧数据和/或一段代码用于接收指定的从机发送的数据帧。所述每个代码段运行时间不超过相应的时间片。通常情况下，星载电子设备的遥测频率为1Hz，在MCU程序主循环中设置N个代码段，使用中断设置1/N秒定时标志，每个代码段的执行条件为定时标志有效，将相邻两次定时标志有效之间的时间称为一个时间片，每个时间片内的代码量需确保其运行时间最长不超过1/N秒。

实施例：

以某星载综合电子系统为例。综合接口与控制单元为主机，其控制软件是在MCU+FPGA硬件系统实现完成。综合接口与控制单元的上位机是数管控计算机，从机为编码调制器和跟踪控制单元。综合接口与控制单元主要完成与管控制计算机、编码调制器和跟踪控制单元的信息数据交互功能，同时要完成整个子系统的任务管理分配功能，以及对舱外天线及机构热控功能等。

如图1所示，数管控制计算机定期向综合接口与控制单元发送遥测采集命令，并要求综合接口与控制单元回传遥测数据响应信息；定期向综合接口与控制单元发送时间与姿轨控广播数据；不定期向综合接口与控制单元发送内部控制命令或注入数据命令；不定期向综合接口与控制单元发送内存下卸命令，并要求综合接口与控制单元回传下卸数据内容。综合接口与控制单元与编码调制器之间有定期状态查询命令和不定期发送工作参数设置命令两种，并要求编码调制器回复状态信息和响应信息。综合接口与控制单元与跟踪控制单元之间有定期工作状态查询命令，不定期工作参数设置命令和不定期指向数据包注入三种命令，并要求跟踪控制单元回复状态信息，工作参数设置命令响应信息和指向数据包注入响应信息。数管控制计算机的数据是整个软件系统的总输入，它定期或不定期地通过地面上注或其他方式向综合接口及控制单元发送指令，当综合接口与控制单元收到指令后，根据命令的类型和内容分别向从机发送指令，同时根据从机的响应状态判定是否需要重新发送。

MCU型号为80C32，工作频率22.1184MHz，片上RAM256Bytes，外部中断两个；FPGA为反熔丝系列，7.2万门，资源十分紧张。所以，当综合接口与控制单元软件需要完成上述功能时，必须经过严格的设计才能保证。本发明就是采用MCU软件主动控制程序配合FPGA内部的收发缓冲区复用的方式，实现星载电子设备多串口信息交互功能。

下面介绍星载电子设备的多串口缓存复用过程。

步骤一、根据需要完成的功能，设计MCU的主流程。

数管控制计算机作为指令的发出方，综合接口与控制单元必须保证与数管计算机之间数据接收的实时性和准确性。外部中断一用来接收数管控制计算机的数据，其处理流程如图；外部中断二是定时中断，用来发送所有的串口缓冲区数据。

综合接口与控制单元内部设置一套串口接收缓冲区和串口发送缓冲区，用来专门与数管控制计算机进行通信。综合接口与控制单元作为主机，综合接口与控制单元的从机为编码调制器和跟踪控制单元。综合接口与控制单元采用另外一套串口接收缓冲区和串口发送缓冲区与从机之间进行通信。

综合接口与控制单元与编码器的交互信息为两类，包括两个发送数据帧和两个接收数据帧；与跟踪控制单元的交互信息为三类，包括三个发送数据帧和三个接收数据帧；所以，主循环的时间片区应该划分为五个。

由上述介绍可以总结出，星载电子设备之间交互信息分为两大类：1.定期工作状态交互信息；2.不定期数据注入交互信息。

由于数管计算机会定期(1Hz)查询综合接口与控制单元的状态，所以综合接口与控制单元也定期(1Hz)查询编码调制器和跟踪控制单元的状态。状态查询的发送命令分在了时间片区1和时间片区4中，见流程图3。

在主循环中，MCU每个while循环都会解析数管计算机发来的指令信息，如果是编码调制器和跟踪控制单元的数据注入信息，MCU先将解帧后的注入数据利用三模冗余的方式存储在MCU片外的RAM中。然后在第2个时间片区，第3个时间片区和第5个时间片区，去判断是否有注入数据，若有数据则发送到相应的从机上。

这样的分配就保证了编码调制器与跟踪控制单元按照设计的时间片区向综合接口及控制单元返回信息，保证了数据流的正确性。

步骤二、设置FPGA缓冲区空间。

1.接收缓冲区空间设计

由于MCU的外部中断已经全部占用，所以接收编码调制器和跟踪控制单元的数据无法利用外部中断接收，所以只能在FPGA中开辟缓冲区来接收全部返回帧。MCU在规划好的片区中处理相应的返回信息，进而判断从机接收状态并采取相应的错帧连发机制。当然，周期性的交互信息是不采用错帧连发机制的。

根据综合接口及控制单元与编码调制器和跟踪控制单元的串口通信协议，定出在FPGA中应开辟的缓冲空间大小。通常情况下，缓冲空间字节数为所有从机中返回数据中的最大值，同时要考虑协议中转义字节数。所谓转义字节，就是在一包数据中，由于帧头的特殊性，在数据字节中增加转义字节以区分数据区和帧头，这样会增加整包数据的长度，所以缓冲区的大小要把增加的长度考虑进去。表1给出了本系统中串口协议中的帧格式。

表1串口通信帧结构表

通过统计计算，跟踪控制单元返回的状态信息数据为最大帧长，所以按照跟踪控制单元返回的状态信息量在FPGA中开辟的公共缓冲接收区为32个字节。

2.发送缓冲区空间设计

本具体实施方案中，外部中断二为定时中断，其定时周期为500us。串口波特率为115200bps，每个字节按照11bits计算，每发送一个字节需要0.095ms,所以为了在规定的时间片区将数据发送完，就需要按连续发送设计来保证，所以500us的时间内最多发送5个字节，所以发送缓冲区深度设计为6个字节。

接着，设计FPGA串口收发模块

规定好每个时间片区应该执行的串口收发命令，并且计算好FPGA内部应该开辟的共用接收缓冲区和共用发送缓冲区深度后，设计FPGA串口收发模块。如图3所示。综合接口与控制单元对外的硬件接口均不是复用的，只有FPGA内部的FIFO模块是复用的。在FIFO之前设计了一个判断模块，这个模块的输入由MCU给出。FPGA会设计两个地址分别是*RS422_CHANGE_ADDR和*TS422_CHANGE_ADDR，当MCU分别给这两个地址写0时表示接收编码调制器数据和向编码调制器发送数据，当MCU分别向这两个地址写1时表示表示接收跟踪控制单元数据和向跟踪控制单元发送数据。FPGA软件中收发复用的串口模块示意图如图2所示。

步骤三、复核复算时间

时间复合复算需要验证两个方面。一，在每个时间片区内，接收处理缓存区数据的时间加上本时间片区其他任务内容时间之和不应该超过该时间片的时间，否则会影响整个流程控制时序；二，在中断里发送给从机的命令时间也要考虑进时间片区的总时间内，保证在每个时间片区内完成向规定的单机发送数据。

利用KEIL3.0软件，在仿真环境中配置相关参数，将设计好的程序进行时间仿真，可以得出每个片区的解算工作运行时间都控制在15ms以内，这样就保证了主流程控制时序的正确性。

在本方案的串口通信协议中，综合接口与控制单元向跟踪控制单元发送指向数据包为本方案中的最大发送帧长为253个字节，依据步骤二可得最长数据包的发送时间为24.035ms。

所以，通过以上方法，验证在每个200ms的时间片区可以同时完成接收数据包和发送数据包的功能。

依据上面的步骤完成了整个系统设计工作，并给出MCU软件流程框图，如图4所示。

(1)、首先程序复位，完成内部寄存器、程序变量以及IO输出量的初始化工作；

(2)、软件循环解析数管发来的数据，循环AD实时采样；

(3)、在第一个200ms的周期内从FPGA的接收复用缓冲区读取解析编码调制器参数返回的参数设置响应信息，根据响应帧的解析结果，置相应的编码参数发送标志。(如果返回参数响应帧正确，则标志清零；如果解帧错误，则标志置1)。将跟踪控制单元状态查询命令放入MCU内部的发送缓冲区2中；

(4)、在第二个200ms周期内从FPGA的接收复用缓冲区接收跟踪控制单元状态信息。判断是否有需要发送给跟踪控制单元的工作参数设置命令，如果有将这部分数据放入MCU内部的发送缓冲区2中；

(5)在第三个200ms周期内从FPGA的接收复用缓冲区接收跟踪控制单元返回的参数设置响应信息，根据响应帧的解析结果，置相应的跟踪参数发送标志位。判断是否有需要发送给跟踪控制单元的指向数据包命令，如果有将这部分数据放入MCU内部的发送缓冲区2中；

(6)在第四个200ms周期内从FPGA的接收复用缓冲区接收跟踪控制单元返回的指向数据响应信息，根据响应帧的解析结果，置相应的跟踪指向数据发送标志位。将需要发送给编码调制器的状态查询命令放入MCU内部的发送缓冲区1中；

(7)在第五个200ms周期内从FPGA的接收复用缓冲区接收编码调制器返回的工作状态信息。判断是否有需要发送给编码调制器的工作参数设置命令，如果有将这部分数据放入MCU内部的发送缓冲区1中；

(8)1HZ频率的主循环程序按照上述步骤2～7循环执行，直到程序重启或复位。

(9)、在主循环执行过程中，当有中断时，软件将挂起当前正在执行的程序，转而执行中断服务程序。为了防止数据发送出错，在主循环中往MCU发送缓冲区填数的过程不可被中断，由软件设计保证。

发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种适用于星载电子设备的多串口缓存复用方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、主机MCU程序进入主循环时接收外部指令，根据外部指令和时序，为主循环每个相等的时间片设置相应的发送数据标志；

(2)、主机MCU程序在主循环的每个时间片到来时，判断相应的发送数据标志是否有效，如果有效，则将这个时间片区应该向指定从机发送的数据内容放到MCU发送缓冲区里，并将该指定从机对应的发送片选地址写入FPGA中；同时，判断MCU接收缓冲区里是否有新的数据帧，如果有，则从FPGA接收缓冲区中提取数据帧，并对数据帧进行解析和处理，之后，将下一个时间片主机需要接收的数据帧对应的从机接收片选地址写入FPGA中；

(3)、主机就MCU中断程序将MCU发送缓冲区发送至FPGA的发送缓冲区，FPGA根据步骤(3)中MCU写入的发送片选地址，选通相应的从机接口将数据发送至相应的从机；

(4)、FPGA收到接收片选地址之后，根据步骤(3)中MCU写入的接收片选地址，选通相应的从机接口将相应的从机发送的数据存入接收缓冲区中。

2.根据权利要求1所述的一种适用于星载电子设备的多串口缓存复用方法，其特征在于所述主机MCU程序主循环分为N个时间片，所述N为通信协议中主机向所有从机发送数据帧的总数与接收数据帧总数的最大值。

3.根据权利要求1所述的一种适用于星载电子设备的多串口缓存复用方法，其特征在于所述主机FPGA接收缓冲区容量不低于通信协议中主机接收数据帧中最大的数据帧对应的字节数。

4.根据权利要求1所述的一种适用于星载电子设备的多串口缓存复用方法，其特征在于当中断周期为T_s、串口波特率Mbps、发送缓冲区宽度为W时，所述发送缓冲区的深度大于等于 为向上取整运算。

5.根据权利要求1所述的一种适用于星载电子设备的多串口缓存复用方法，其特征在于所述FPGA包括接收缓冲区、发送缓冲区、接收选通模块、发送选通模块，在MCU发送的接收片选指令控制下，接收选通模块选通一路从机串口发送的数据存入至接收缓冲区模块；在MCU发送的发送片选指令控制下，发送选通模块选通发送缓冲区模块与某一从机串口接收信号相连接，将缓冲区模块中的数据发送至某一个从机。

6.根据权利要求1所述的一种适用于星载电子设备的多串口缓存复用方法，其特征在于在MCU程序主循环中N个时间片内的代码段内设置最多一段代码用于向指定从机发送指定的一帧数据和/或一段代码用于接收指定的从机发送的数据帧。

7.根据权利要求1所述的一种适用于星载电子设备的多串口缓存复用方法，其特征在于所述每个代码段运行时间不超过相应的时间片。