CN114362880B - 可重构遥测采编通用协议设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可重构遥测采编通用协议设计方法，该可重构遥测采编通用协议设计方法包括：在上位机和采编模块间通用协议中设计遥测码速率、帧结构、数字量波特率、开关量处理方式和波道控制码；设计上位机和采编模块间通用协议的注入格式；在采编模块与通用数据模块间通信协议中设计时序控制信号、波道控制码信号和数据信号以完成可重构遥测采编通用协议的设计。应用本发明的技术方案，能够解决现有技术中遥测采编协议无法实现通用和可重构的技术问题。

Description

可重构遥测采编通用协议设计方法

技术领域

本发明涉及测控技术领域，尤其涉及一种可重构遥测采编通用协议设计方法。

背景技术

不同项目对测控系统的遥测数据采集需求不尽相同，比如有的项目传感器布设数量少，没有总线、图像等数据的采集需求，因此遥测码速率较低，如1.6384Mbps，2.56Mbps；而有的项目传感器布设较多，有总线、图像等数据的采集需求，码速率可以达到8.192Mbps；有的项目在研制途中则可能变更需求，比如新增加传感量或模拟量，或者将数字量的波特率提高等，需要遥测采编设备能够立即响应以保障项目的研制进度。以往的遥测采编设备均为定制化产品，需要根据不同项目的需求重新设计硬件电路、软件，而且当项目出现更改需求时，需要按照新研设备的流程和周期进行。在项目整体研制周期缩短、研制成本降低等各种压力下，传统的设计研发手段已无法满足使用要求，迫切需要设计通用的、可重构的遥测采编设备。而通用的遥测采编协议则是实现遥测采集设备通用化、可重构的核心。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明提供了一种可重构遥测采编通用协议设计方法，该可重构遥测采编通用协议设计方法包括：在上位机和采编模块间通用协议中设计遥测码速率、帧结构、数字量波特率、开关量处理方式和波道控制码；设计上位机和采编模块间通用协议的注入格式；在采编模块与通用数据模块间通信协议中设计时序控制信号、波道控制码信号和数据信号以完成可重构遥测采编通用协议的设计。

进一步地，在上位机和采编模块间通用协议中设计帧结构包括：设计子帧长度、副帧长度、子帧同步码和副帧同步码。

进一步地，数字量波特率的个数根据通用硬件支持的数字量接收路数设计。

进一步地，开关量处理方式包括：按指令字模式对开关量进行采集输出或按单字节开关量模式对开关量进行采集输出。

进一步地，波道控制码由波道表数字化处理后生成，用于标识该波道对应的遥测数据。

进一步地，设计上位机和采编模块间通用协议的注入格式包括：在上位机与可重构采编模块的存储电路之间的注入与反馈接口和可重构采编模块的存储电路和采编电路之间的握手、通用协议装订和反馈接口处设计上位机和采编模块间通用协议的注入格式。

进一步地，通用协议的注入格式包括：通信协议的内容所占位宽、所在字节位置、以及不同的数值表征的含义。

进一步地，时序控制信号包括读写使能信号和读写时钟信号，在读写使能信号的高电平期间进行波道控制码和数据的交互，在读写使能信号的低电平期间禁止通信；在读写时钟信号的上升沿，采编模块向通用数据采集模块发送波道控制码，通用数据采集模块向采编模块发送数据；在读写时钟信号的下降沿，通用数据采集模块提取波道控制码，采编模块提取数据。

进一步地，波道控制码信号的设计包括波道控制码位宽的设计。

进一步地，数据信号的设计包括数据信号位宽的设计。

应用本发明的技术方案，提供了一种可重构遥测采编通用协议设计方法，该可重构遥测采编通用协议设计方法通过设计上位机和采编模块间通用协议、通用协议的注入格式和采编模块与通用数据模块间通信协议，能够与通用的硬件和软件相配合，根据任务需求通过上位机定义通用遥测采编设备的不同功能状态，赋予通用化遥测采集设备可重构采集功能，缩短研制周期和成本，提高遥测产品可靠性。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中遥测采编协议无法实现通用和可重构的技术问题。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的可重构遥测采编通用硬件的结构示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的存储电路与采编电路接口时序图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的板间总线通信时序图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的通用协议注入流程图；

图5示出了根据本发明的具体实施例提供的帧结构补零示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

根据本发明的具体实施例提供了一种可重构遥测采编通用协议设计方法，该可重构遥测采编通用协议设计方法包括：在上位机和采编模块间通用协议中设计遥测码速率、帧结构、数字量波特率、开关量处理方式和波道控制码；设计上位机和采编模块间通用协议的注入格式；在采编模块与通用数据模块间通信协议中设计时序控制信号、波道控制码信号和数据信号以完成可重构遥测采编通用协议的设计。

应用此种配置方式，提供了一种可重构遥测采编通用协议设计方法，该可重构遥测采编通用协议设计方法通过设计上位机和采编模块间通用协议、通用协议的注入格式和采编模块与通用数据模块间通信协议，能够与通用的硬件和软件相配合，根据任务需求通过上位机定义通用遥测采编设备的不同功能状态，赋予通用化遥测采集设备可重构采集功能，缩短研制周期和成本，提高遥测产品可靠性。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中遥测采编协议无法实现通用和可重构的技术问题。

在本发明中，可重构遥测采编通用协议设计方法旨在通过设计通用的协议，将多样化的遥测采编需求标准化和格式化，在上位机中按照标准化的协议格式，根据遥测采编需求生成协议文件，上位机向采编模块按照标准格式注入协议文件，采编模块向上位机按照标准格式反馈注入结果，采编模块与各通用化数据采集模块之间按照通用协议要求完成协议文件内容的交互进而完成不同需求的遥测数据采编。

遥测码速率是遥测系统的主要技术指标，所有遥测采编工作均同步于遥测码同步时钟信号。遥测码速率可调是可重构遥测采编的基本要求，因此上位机和采编模块间通用协议的内容项中应包含遥测码速率。

作为本发明的一个具体实施例，遥测码速率值采用十六进制。遥测码速率值由十进制转换为十六进制表示，单位为bps。假设遥测码速率的最大值为10Mbps，则其位宽为三个字节。因此可用三个字节表示遥测码速率，高位补零。

在通用硬件设计中，采编模块中设计有可编程时钟发生器，如图1所示。采编模块根据遥测码速率对可编程时钟发生器进行配置，从而输出满足要求的遥测采编工作时钟。为使用方便，可编程时钟发生器输出的时钟信号频率可设置为遥测码速率的整数倍，在采编软件中进行分频使用。通用采编软件内对可编程时钟发生器输出的时钟进行固定的分频使用。

进一步地，在本发明中，在上位机和采编模块间通用协议中设计帧结构包括：设计子帧长度、副帧长度、子帧同步码和副帧同步码。在本发明中，遥测帧结构设计是遥测系统主要设计工作之一，遥测采编工作按满足要求的遥测帧结构循环进行。在帧结构的格式设计中，应充分考虑存储芯片资源、FPGA存储资源等因素，同时结合系统实际要求，尽量优化帧结构。统筹考虑资源与项目需求，可设置最大子帧长度和最大副帧长度，实际需要的帧结构一般小于该最大规模，由通用协议做补零处理，以此实现帧结构的标准化和格式化。

作为本发明的一个具体实施例，可设计子帧长度最大值为128，副帧长度最大值为128，因此子帧长度和副帧长度用1个字节表示，子帧同步码的位宽最大值为4个字节，副帧同步码位宽最大值为4个字节。如果需要的帧结构小于该最大规模，通用协议将会做补零处理，如图5所示。

帧格式按照最大规模128*128来存储，但是通用采编软件会识别设置的子帧长度和副帧长度，按照此种帧结构循环采集。

此外，在本发明中，数字量波特率的个数根据通用硬件支持的数字量接收路数设计。数字量信号波特率是遥测系统可靠接收其它分系统数字量数据的基本保障，通用协议的内容项中应包含数字量波特率。通用协议中可设置N个数字量波特率，N与通用硬件支持的数字量接收路数相同。一般对数字量信号的接收解调由异步时钟对数据信号进行过采样实现，考虑到数字量波特率在使用时的方便，由上位机根据数字量波特率和采样时钟频率计算出对应的波特率周期采样时钟个数，因此通信协议中的数字量波特率的值实际为波特率周期采样时钟个数的值。计算公式为：通过此种设计，通用采编软件中无需在对波特率进行处理，只需要提取数字量波特率和半波特率并使用它对输入的数字量进行采样即可，由此实现了数字量采集的通用化。

进一步地，在本发明中，开关量处理方式包括：按指令字模式对开关量进行采集输出或按单字节开关量模式对开关量进行采集输出。遥测系统设计中，有时需要按指令字模式(字节中每个比特表示一个开关量)对开关量进行采集输出，有时需要按单字节开关量模式(一个字节表示一个开关量)对开关量进行采集输出，因此通用协议的内容项中应包含开关量处理方式。

此外，在本发明中，波道控制码由波道表数字化处理后生成，用于标识该波道对应的遥测数据。波道控制码设计应充分覆盖可能存在的多种遥测参数数据类型，以便实现可重构遥测采编。波道控制码各个信息段的含义及所占位宽可结合实际情况进行设计。

进一步地，在本发明中，在完成上位机和采编模块间通用协议中遥测码速率、帧结构、数字量波特率、开关量处理方式和波道控制码的设计后，设计上位机和采编模块间通用协议的注入格式。作为本发明的一个具体实施例，如图1所示，在上位机与可重构采编模块的存储电路之间的注入与反馈接口和可重构采编模块的存储电路和采编电路之间的握手、通用协议装订和反馈接口处设计通用协议的注入格式。在上述接口处，需要设计上位机和采编模块间通用协议的注入格式，明确通用协议以何种格式传输和解析。在该实施例中，通用协议的注入格式应明确通信协议的内容所占位宽、所在字节位置、以及不同的数值表征何种含义，以便于采编软件解析和运用。

此外，在本发明中，在完成上位机和采编模块间通用协议的注入格式的设计后，在采编模块与通用数据模块间通信协议中设计时序控制信号、波道控制码信号和数据信号以完成可重构遥测采编通用协议的设计。

通用数据采集模块负责完成不同类型遥测数据的采集，如模拟量、传感量、开关量、1553B总线数据和图像数据等，如此可以根据任务需求配备不同的模块实现快速灵活重构。采编模块与通用数据采集模块间通过板间总线通信，采编模块将通用协议中的波道控制码依次发给各个通用数据采集模块，各个通用数据采集模块对波道控制码进行解析，根据通用协议要求处于静默状态或是激活状态，在激活状态下对采编模块输出采集的数据。采编模块与通用数据采集模块间通信协议应包括时序控制信号、波道控制码信号和数据信号。

进一步地，在本发明中，时序控制信号包括读写使能信号和读写时钟信号，在读写使能信号的高电平期间进行波道控制码和数据的交互，在读写使能信号的低电平期间禁止通信；在读写时钟信号的上升沿，采编模块向通用数据采集模块发送波道控制码，通用数据采集模块向采编模块发送数据；在读写时钟信号的下降沿，通用数据采集模块提取波道控制码，采编模块提取数据。时序控制信号的主要作用为采编模块与通用数据采集模块之间数据收发同步。如果波道控制码和遥测数据的位宽较宽，而并行总线位数有限，可考虑在同一个使能周期内，采用多个时钟完成发送。

此外，在本发明中，采编模块与通用数据采集模块间通信协议中波道控制码信号的设计包括波道控制码位宽的设计。波道控制码信号设计的关键是位宽的确定，波道控制码位宽下限为1bit，即为串行发送；上限为波道控制码位宽，一个时钟即可发送完毕。可根据实际板间总线可用位宽和波道控制码位宽进行折中设计，当波道控制码位宽与并行总线位宽之比不为整数时，可对波道控制码进行高位补零处理，使二者比值为整数N，通过N个时钟完成发送。

进一步地，在本发明中，采编模块与通用数据采集模块间通信协议中数据信号的设计包括数据信号位宽的设计。数据信号的位宽设计与波道控制码的位宽设计相同，数据信号位宽下限为1bit，即为串行发送；上限为数据信号位宽，一个时钟即可发送完毕。

本发明通过设计可重构遥测采编通用协议，根据任务需求通过上位机定义通用遥测采编设备的不同功能状态，赋予通用化遥测采集设备可重构采集功能，缩短研制周期和成本，提高遥测产品可靠性。

本发明的可重构遥测采编通用协议设计方法，提高了遥测设备的通用化程度。采用通用协议后，与通用的硬件设计和通用的软件设计配合使用，在项目研制途中需要更改遥测采集需求时，通过上位机更改通信协议中相应位置的值重新生成协议文件后，再次注入通用遥测采编设备中即可完成更改，全程用时约10分钟，且无额外的成本开销，缩短研制周期和成本，提高遥测产品可靠性。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图5对本发明的可重构遥测采编通用协议设计方法进行详细说明。

遥测组合是遥测系统的数据采集设备，也是可重构遥测采编通用协议设计方法的实现平台，下面以遥测组合为例进行详细说明。

步骤一，在上位机和采编模块间通用协议中设计遥测码速率、帧结构、数字量波特率、开关量处理方式和波道控制码。

其中，波道控制码协议设计为：0000_AAA_BBBB_CCCCC，共16位，其中：

(1)bit15～bit12为备用位，现阶段取值0000B；

(2)Bit11～bit9(AAA)表示数据类型，包括数字量数据、模拟量、传感量数据等；

(3)Bit8～bit5(BBBB)表示通用数据采集模块的地址，同时可接入16块同一类型的数据采集模块；

(4)Bit4～bit0(CCCCC)表示通用数据采集模块内参数地址，每1个功能模块最多可测量32个参数。

步骤二，设计上位机和采编模块间通用协议的注入格式。

本实例中通信协议注入的行为分为两个阶段，第一个阶段适用于生产调试阶段，通过上位机向遥测组合采编模块注入通用协议。遥测组合的存储电路为ARM芯片的片上FLASH，采编模块将该通用协议存储在ARM芯片的片上FLASH中；另一个阶段是每次遥测组合上电后，由存储电路向采编电路注入存储于FLASH芯片中的通用协议。通用协议注入流程如图4所示。

在第一个阶段中，来自上位机的通用协议通过UART串行接口传递给ARM芯片，由ARM芯片完成通用协议存储。在第二个阶段中，存储电路通过GPIO接口和采编电路实现握手，用UART串行接口向采编电路注入通用协议。

遥测组合存储电路(ARM)与采编电路(FPGA)之间共包含两个GPIO信号，GPIO0信号方向为FPGA到ARM，用于指示FPGA的配置状态，拉低有效；GPIO1信号方向为ARM到FPGA，当ARM检测到GPIO0拉低时，将GPIO1拉低，通过UART串行接口将通用协议发送完毕后将GPIO1拉高；FPGA检测到GPIO1拉高后，将GPIO0拉高。存储电路与采编电路接口时序图如图2所示。

上位机向存储电路注入通用协议，其格式包含1帧通用协议帧和256帧波道控制码帧，通用协议帧格式如表2所示，波道控制码帧格式如表3所示。

表2通用协议帧协议

表3波道控制码帧协议

序号	名称	内容	备注
				0-1	帧头	D9A7H
2	类型	B2H	波道控制码帧
				3-131	波道控制码
132	校验和

步骤三，在采编模块与通用数据模块间通信协议中设计时序控制信号、波道控制码信号和数据信号以完成可重构遥测采编通用协议的设计。

本实例中通用数据采集模块间通信通过板间总线实现。板间总线定义如下表4所示。

表4板间总线定义

板间总线上各信号间时序关系图如图3所示，CS信号高电平有效，在CS信号有效期间，采编软件在SCLK信号的上升沿发送波道控制码，在SCLK信号的下降沿接收通用数据采集模块发送的数据；通用数据采集模块在SCLK信号的上升沿发送数据，在SCLK信号的下降沿接收波道控制码。

本发明以通用的硬件平台、内嵌于通用硬件平台中的通用软件为基础，设计通用的遥测采编协议，根据任务需求，激活通用软件的不同工作状态，从而实现可重构遥测数据采集和编码。本发明中，通用的硬件平台指采编模块和通用化数据采集模块(如模拟量采集模块、传感量采集模块、开关量采集模块、1553B总线数据采集模块和图像数据采集模块等)；内嵌于通用硬件平台中的通用程序指采编模块中的主控程序、采编程序和通用化数据采集模块中的程序，如模拟量采集程序、传感量采集程序、开关量采集程序、1553B数据采集程序和图像数据采集程序等；通用的遥测采编协议包括上位机与采编模块之间的协议、采编模块与各通用化数据采集模块之间的协议。通过本发明可降低遥测采集任务需求和遥测采集设备软硬件设计之间的耦合性，提高遥测采集设备的通用性和可靠性，缩短研制周期，降低研发成本。

综上所述，本发明提供了一种可重构遥测采编通用协议设计方法，该可重构遥测采编通用协议设计方法通过设计上位机和采编模块间通用协议、通用协议的注入格式和采编模块与通用数据模块间通信协议，能够与通用的硬件和软件相配合，根据任务需求通过上位机定义通用遥测采编设备的不同功能状态，赋予通用化遥测采集设备可重构采集功能，缩短研制周期和成本，提高遥测产品可靠性。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中遥测采编协议无法实现通用和可重构的技术问题。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可重构遥测采编通用协议设计方法，其特征在于，所述可重构遥测采编通用协议设计方法包括：在上位机和采编模块间通用协议中设计遥测码速率、帧结构、数字量波特率、开关量处理方式和波道控制码；设计所述上位机和采编模块间通用协议的注入格式；在采编模块与通用数据模块间通信协议中设计时序控制信号、波道控制码信号和数据信号以完成可重构遥测采编通用协议的设计；

其中，设计上位机和采编模块间通用协议的注入格式包括：在上位机与可重构采编模块的存储电路之间的注入与反馈接口和可重构采编模块的存储电路和采编电路之间的握手、通用协议装订和反馈接口处设计上位机和采编模块间通用协议的注入格式；

所述通用协议的注入格式包括：通信协议的内容所占位宽、所在字节位置、以及不同的数值表征的含义；

所述时序控制信号包括读写使能信号和读写时钟信号，在所述读写使能信号的高电平期间进行波道控制码和数据的交互，在所述读写使能信号的低电平期间禁止通信；在所述读写时钟信号的上升沿，采编模块向通用数据采集模块发送波道控制码，通用数据采集模块向采编模块发送数据；在所述读写时钟信号的下降沿，通用数据采集模块提取波道控制码，采编模块提取数据。

2.根据权利要求1所述的可重构遥测采编通用协议设计方法，其特征在于，在上位机和采编模块间通用协议中设计帧结构包括：设计子帧长度、副帧长度、子帧同步码和副帧同步码。

3.根据权利要求1所述的可重构遥测采编通用协议设计方法，其特征在于，所述数字量波特率的个数根据通用硬件支持的数字量接收路数设计。

4.根据权利要求1所述的可重构遥测采编通用协议设计方法，其特征在于，所述开关量处理方式包括：按指令字模式对开关量进行采集输出或按单字节开关量模式对开关量进行采集输出。

5.根据权利要求1所述的可重构遥测采编通用协议设计方法，其特征在于，所述波道控制码由波道表数字化处理后生成，用于标识该波道对应的遥测数据。

6.根据权利要求1所述的可重构遥测采编通用协议设计方法，其特征在于，所述波道控制码信号的设计包括波道控制码位宽的设计。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的可重构遥测采编通用协议设计方法，其特征在于，所述数据信号的设计包括数据信号位宽的设计。