“嫦娥四號”載荷通信管理的時間片模式方案

習(xí)穎慧，滕學(xué)劍

（中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京100019）

0 引言

“嫦娥四號”巡視器有效載荷研制在探月工程實施以來首次開展了國際合作，引入中性原子探測儀（ASAN 探測儀）。該儀器系目前國際上首個在月球表面開展中性原子探測的儀器，其主要功能是探知太陽風(fēng)與月球表面的作用機制以及二者相互作用對月球環(huán)境的影響。為適應(yīng)月面環(huán)境要求，ASAN 探測儀的工作時段為月晝上午和月晝下午，每次工作時間不超過1小時，科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)生率最高不超過1 kbit/s；月午和月夜時段則關(guān)機。該探測儀屬艙內(nèi)設(shè)備，為降低系統(tǒng)集成復(fù)雜度，減少載荷管理開銷，提高可靠性，探測儀與有效載荷電控箱之間通過RS422 串行總線進行通信。

RS422總線具有傳輸距離長、波特率可調(diào)、速度快、抗干擾能力強等諸多特點，在航空航天以及工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。“嫦娥四號”有效載荷電控箱與ASAN 探測儀的RS422串行總線通信采用軟件管理RS422接口單元方式[2]，RS422通信約定為主從結(jié)構(gòu)——載荷電控箱是主機，ASAN探測儀是從機；每次通信都是由主機發(fā)起命令，從機應(yīng)答命令或數(shù)據(jù)。

圖1 外部RS422總線消息傳輸格式Fig.1 External RS422 bus message transfer format

RS422消息指令類型多樣，傳輸格式、性能參數(shù)以及傳輸和響應(yīng)要求各不相同，主機一方面要保持正常的總線通信，另一方面要對消息通信結(jié)果做出實時處理并反饋。因此RS422總線消息通信具有復(fù)雜多樣性及嚴(yán)格實時性[3]，合理設(shè)計RS422的消息通信模式，成為衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的重要因素。

本文提出一種基于RS422時間片管理機制的通信模式，以滿足有效載荷電控箱與ASAN 探測儀之間的通信時間響應(yīng)要求，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行蚝陀行浴?/p>

1 RS422通信概述

RS422通信的波特率為115.2 kbit/s，消息傳輸格式見圖1。

RS422總線通信中包括的消息類型為：

1）工作模式指令發(fā)消息以及接收的應(yīng)答消息，工作模式消息指令有6種，均為隨機消息，在收到消息后2 s之內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)即可；

2）周期工程采集指令消息以及接收的工程參數(shù)幀消息，消息周期為4 s；

3）周期科學(xué)數(shù)據(jù)采集指令消息以及接收的科學(xué)數(shù)據(jù)幀消息，消息周期為4 s；

4）周期校時指令消息以及接收的校時消息應(yīng)答，消息周期為300 s。

2 問題分析

在多條RS422消息指令通信的情況下，目前的嵌入式系統(tǒng)RS422總線通信模塊中一般使用一問一答的模式。從消息開始組織，寫入RS422接口模塊，由RS422總線發(fā)送后，必須等待相對應(yīng)的應(yīng)答接收結(jié)束后才能交出RS422總線控制權(quán)，稱為“一對一法”。定義消息通信過程中獨占RS422總線消耗的時間為TP，每種消息可允許的時間為TS。通信過程見圖2。

圖2 傳統(tǒng)RS422通信模式圖Fig.2 Diagram of traditional RS422 communication mode

等待接收數(shù)據(jù)的方式有2種，輪流查詢指令接收緩沖區(qū)狀態(tài)或者中斷處理方式。查詢方式控制簡單但效率低，中斷處理方式實時性高但占用FPGA資源。嵌入式實時控制系統(tǒng)應(yīng)盡量減少中斷的使用，故在查詢接收滿足通信要求且不影響實時性的情況下，盡量采用查詢方式接收數(shù)據(jù)[4]。

巡視器有效載荷電控箱與ASAN 探測儀RS422之間的通信特性：

1）ASAN回送的科學(xué)數(shù)據(jù)幀變長，最大長度為4096字節(jié)，且大部分情況下ASAN 回送的科學(xué)數(shù)據(jù)的長度為4096字節(jié)，傳輸數(shù)據(jù)量大；

2）科學(xué)數(shù)據(jù)幀傳輸時間長，僅傳輸數(shù)據(jù)時間就需要大約284 ms；

3）消息類型多樣，包括隨機消息以及周期消息，且周期消息既有同步的也有異步的；

4）隨機消息與周期消息，周期消息與周期消息之間發(fā)生碰撞的概率很大，消息處理復(fù)雜耗時。

以最簡單情況來分析，本系統(tǒng)有Msg1（工作模式）、Msg2（工程參數(shù)）、Msg3（科學(xué)數(shù)據(jù)）和Msg4（校時）4種類型的消息，均使用RS422總線進行通信。Msg1是隨機消息，Msg2、Msg3、Msg4是周期消息，Msg2、Msg3周期同步。在系統(tǒng)某時刻，Msg1、Msg2、Msg3、Msg4消息同時時間到，處于就緒狀態(tài)，每個消息發(fā)送前若檢測到總線忙碌便處于等待狀態(tài)。等待時間取決于TP，TP越大等待時間越長，消息執(zhí)行發(fā)送的時間就越晚，會導(dǎo)致不能及時響應(yīng)消息請求。而“一對一法”適用于消息數(shù)據(jù)量小，消息等待以及數(shù)據(jù)接收時間短的系統(tǒng)，顯然不適合本系統(tǒng)的RS422總線通信。

本系統(tǒng)CPU 采用單片機（型號為80C32）、單線程，由FPGA 實現(xiàn)的RS422接口單元只提供1個RS422發(fā)送FIFO，1個RS422接收FIFO；且RS422通信無法實現(xiàn)并發(fā)設(shè)計，必須對發(fā)送進行有序控制，才能保證數(shù)據(jù)接收的有效性和完整性。因此，需要重新設(shè)計支持大數(shù)據(jù)量傳輸、等待時間充足、并發(fā)處理能力好的RS422通信方案。

3 時間片模式方案

針對巡視器電控箱與載荷ASAN探測儀之間RS422通信的特殊性，提出時間片通信模式方案。

3.1 總體設(shè)計思路

RS422總線是主從結(jié)構(gòu)，任何時候都是主機發(fā)起通信，從機應(yīng)答，任何時刻只能有1種消息類型得到RS422的控制權(quán)，即消息只能互斥使用RS422總線。為優(yōu)化起見，借鑒幀的組織方式以及操作系統(tǒng)時間片調(diào)度策略，提出一種隨機多周期消息時間片排布架構(gòu)[5-6]。以整個RS422時間作為1個大時間片（時間周期），大時間片再以小時間片方式分配給各消息發(fā)送接收使用。

首先，在系統(tǒng)中如何確定恰當(dāng)?shù)腞S422時間片（時間周期），是保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足系統(tǒng)性能要求，確保系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵；其次，如何劃分小時間片確保各消息發(fā)送接收的準(zhǔn)時完成，需要采取適當(dāng)?shù)恼{(diào)用策略；最后，如何減小周期消息碰撞的概率，減輕數(shù)據(jù)接收處理模塊的壓力，提高總線處理能力和CPU 效率，也是本設(shè)計的意義所在。

3.2 時間片原理

時間周期設(shè)置太短，會導(dǎo)致過多的RS422消息交互，占用資源，降低CPU 效率，無法滿足大量RS422消息傳輸?shù)臅r間要求；而時間周期設(shè)置太長，又可能引起對短的交互請求的響應(yīng)變差。本系統(tǒng)隨機指令的最小發(fā)送間隔為2 s，3種周期指令最小間隔為4 s，因此將時間周期定為2 s是比較合理的折中選擇。

RS422大時間片確定后，RS422通信采用時間周期的方法。2 s的時間周期到，時間周期前半段（180 ms）進行總線切換、維護以及所有時間周期到的指令發(fā)送操作；中間設(shè)置1 s的等待時間；后半段設(shè)置數(shù)據(jù)接收處理標(biāo)識，主循環(huán)中查詢此標(biāo)識并統(tǒng)一處理接收到的數(shù)據(jù)，此處理時間預(yù)留820 ms。本設(shè)計中的時間片設(shè)置見圖3。

圖3 RS422時間片劃分Fig.3 RS422 timeslice partition map

2 s時間周期大體劃分為4個時間片：Tm為總線維護時間片；Tx為消息發(fā)送時間片，按照系統(tǒng)最大負(fù)荷量并預(yù)留足夠的硬件處理時間；Tw為消息等待接收時間片；TR為接收處理時間片。

Tx時間片要處理的消息類型有數(shù)據(jù)注入消息、工程參數(shù)消息、科學(xué)數(shù)據(jù)消息和時間碼消息4種。如何安排消息的發(fā)送通信時間片，保證各類型消息通信的時間度，保證消息通信的一致性、無差錯性是確保系統(tǒng)工作的關(guān)鍵。

本系統(tǒng)的消息類型包括隨機消息（事件驅(qū)動型消息）和周期消息[7-8]。

事件驅(qū)動型消息安排：地面數(shù)據(jù)注入產(chǎn)生的工作模式消息。每當(dāng)?shù)孛嬗袛?shù)據(jù)注入消息以及工作模式指令發(fā)送錯誤并重試時產(chǎn)生消息，這類隨機消息會被立即存入工作模式指令循環(huán)緩沖指令隊列，利用指令隊列的先進先出特性，避免消息數(shù)量大時丟失指令。RS422時間周期到，立即安排這種類型消息指令的發(fā)送，其消息指令優(yōu)先級為最高。

同周期、不同周期消息安排：通過參考周期任務(wù)調(diào)度的速率單調(diào)調(diào)度（RMS）算法[9]，根據(jù)消息的周期設(shè)置消息優(yōu)先級，周期越短優(yōu)先級越高。本系統(tǒng)中，工程參數(shù)與科學(xué)數(shù)據(jù)消息周期同步，周期為4 s；校時消息周期為5 min。故優(yōu)先級由高到低的安排是工程參數(shù)、科學(xué)數(shù)據(jù)、校時消息?？紤]到同周期消息每個時間周期勢必會碰撞（同時滿足時間條件，處于就緒狀態(tài)），為減少同一個時間周期內(nèi)待發(fā)送消息的數(shù)量，降低時間周期總線的強度，減輕接收模塊處理壓力，提高RS422通信效率，本系統(tǒng)采用了乒乓設(shè)計方法，即將工程參數(shù)和科學(xué)數(shù)據(jù)消息采集的起始點錯開，使得這2類消息分布在不同的時間周期，見圖4。

圖4 乒乓設(shè)計方法Fig.4 Ping-pong design diagram

綜上，對于隨機消息和周期消息，按照優(yōu)先級的設(shè)置形成隊列，當(dāng)RS422時間片周期到的時候，再把RS422控制權(quán)分配給就緒的指令，并令其占用1個時間片。時間片的大小是可調(diào)整的，一般是根據(jù)消息指令的發(fā)送以及傳輸字節(jié)數(shù)的時間來定，并預(yù)留足夠的硬件發(fā)送指令的時間。當(dāng)時間片用完時，通過計時器的中斷計數(shù)，停止該類型消息指令的RS422控制權(quán)，保留當(dāng)前指令信息狀態(tài)，切換到下一種類型消息指令。這樣可保證所有就緒的指令在給定的時間內(nèi)均能得到處理。

3.3 實現(xiàn)

利用單片機定時器中斷，設(shè)置其步長為20 ms，產(chǎn)生1個2 s 的RS422時間周期。定時器采用自動裝載模式，可避免定時器翻轉(zhuǎn)手動重新裝載數(shù)據(jù)造成的精度誤差。時間周期中的小時間片區(qū)是通過定時器20 ms步長的計數(shù)實現(xiàn)的。

本文中RS422時間片模式實現(xiàn)的數(shù)據(jù)發(fā)送以及等待功能都在中斷中實現(xiàn)，保證了數(shù)據(jù)的實時性和完整性。1個RS422時間周期中，數(shù)據(jù)接收時間片中的數(shù)據(jù)接收處理是在主循環(huán)中完成的，主循環(huán)1次運行最長時間為300 ms，軟件預(yù)留了820 ms的接收處理時間片，完全能保證該周期中接收數(shù)據(jù)的處理，不會因為下一周期時間片消息發(fā)送而影響數(shù)據(jù)的完整性。軟件架構(gòu)及流程見圖5。

圖5 時間片管理流程Fig.5 Flow chart of time slice management

4 結(jié)束語

經(jīng)過實踐，時間片通信模式的新設(shè)計，對“嫦娥四號”載荷ASAN 探測儀的RS422總線通信時間片進行了恰當(dāng)?shù)膭澐?，并增加了乒乓的可靠性設(shè)計方案，確保了各類型消息的準(zhǔn)時準(zhǔn)確發(fā)送以及完整性接收，滿足了目前RS422總線通信的時間響應(yīng)要求，保證了系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，取得了良好的效果。