基于DM642的實時多協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)計

摘要：為了解決虛擬試驗系統(tǒng)中具有不同總線類型的各實物子系統(tǒng)互聯(lián)的實時性問題，設(shè)計了一種多協(xié)議轉(zhuǎn)換器。按協(xié)議高低優(yōu)先級分配軟硬件資源，硬件設(shè)計采用DM642+FPGA的結(jié)構(gòu)，使用FPGA實時匹配高優(yōu)先級協(xié)議，并對DM642分類返回不同中斷信息；軟件設(shè)計時，按地址分塊存儲協(xié)議以提高的協(xié)議的查找效率，并根據(jù)DSP／BIOS中各類線程的特點，合理分配任務(wù)并分類觸發(fā)不同任務(wù)，以加快數(shù)據(jù)處理速度并保證高優(yōu)先級協(xié)議實時性。
關(guān)鍵詞：多協(xié)議轉(zhuǎn)換器；實時性；DM642；DSP／BIOS

0 引言
    在虛擬試驗系統(tǒng)中，需要將不同總線類型和不同傳輸協(xié)議的各實物子系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，實物設(shè)備子系統(tǒng)常采用1553B，ARINC429，RS 232等總線，協(xié)議轉(zhuǎn)換的實時性對整個虛擬試驗系統(tǒng)試驗結(jié)果的真實性具有重要的影響，因此設(shè)計了基于DM642的實時多協(xié)議轉(zhuǎn)換器。
    協(xié)議轉(zhuǎn)換方法有過程控制級轉(zhuǎn)換和現(xiàn)場設(shè)備級實現(xiàn)。OPC(OLE for Process Control)為最常用控制級轉(zhuǎn)換方法，所有的工作全部在上位機中由軟件完成，簡單方便，但總線系統(tǒng)中節(jié)點間的通信較慢，實時性較差。采用現(xiàn)場設(shè)備級轉(zhuǎn)換方法的協(xié)議，如Profibus，DeviceNet等，需專門開發(fā)軟硬件，但可以實現(xiàn)差異較大協(xié)議總線間的轉(zhuǎn)換，可以滿足實時性要求。曾翠榮等采用現(xiàn)場設(shè)備級轉(zhuǎn)換方法，設(shè)計出通用報文格式和地址分配方法，簡單明了，但不同總線協(xié)議間的轉(zhuǎn)換必須借助于上位機和網(wǎng)絡(luò)，僅滿足傳輸延時小于20 ms。本文借鑒現(xiàn)場設(shè)備級轉(zhuǎn)換方法，設(shè)計了一種高實時多協(xié)議的轉(zhuǎn)換器。設(shè)計中，采用C6000系列高速DSP，將協(xié)議分為高低優(yōu)先級，采用FPGA實時識別高優(yōu)先級協(xié)議，按地址塊存儲協(xié)議描述信息，使用了DSP／BIOS提供的不同類型線程，并采用觸發(fā)不同消息的方法跳轉(zhuǎn)線程，有效地保證了實時性。

1 協(xié)議傳輸格式及描述方法
    虛擬試驗系統(tǒng)中不同總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流通常按如圖1所示的方式傳輸，一幀數(shù)據(jù)由幀頭、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)體、幀尾、數(shù)據(jù)校驗等組成，幀頭標(biāo)志不同協(xié)議，幀尾或幀長標(biāo)志該幀數(shù)據(jù)流的長度，幀頭和幀尾可以是1個、2個或者4個數(shù)據(jù)字，數(shù)據(jù)體由多個數(shù)據(jù)字組成。但協(xié)議以數(shù)據(jù)元素作為基本單位進(jìn)行編解碼，數(shù)據(jù)元素由一個或多個數(shù)據(jù)字組成，有具體的物理含義，可以表示一個具體的物理量，也可以按位表示多個不同的工作狀態(tài)。協(xié)議解碼時，先根據(jù)幀頭識別出協(xié)議類型，然后根據(jù)數(shù)據(jù)長度或幀尾提取出數(shù)據(jù)體，再按協(xié)議提取出數(shù)據(jù)元素，將數(shù)據(jù)元素乘以或加上特定系數(shù)轉(zhuǎn)換為具體物理意義數(shù)據(jù)，或提取出每一狀態(tài)位；編碼過程為解碼的逆過程。

    為便于協(xié)議的識別、編解碼，建立由數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)元素、數(shù)據(jù)位三級描述結(jié)構(gòu)體組成的協(xié)議描述表，各級協(xié)議描述結(jié)構(gòu)體所描述的信息如圖2所示。

2 硬件設(shè)計
    本系統(tǒng)采用如圖3所示的DM642+FPGA的設(shè)計方式，實現(xiàn)了雙通道RS 232總線、雙通道ARINC429，單通道雙冗余1553B總線以及LAN總線的通信。DM642為TI公司的C6000系列高速DSP，其主頻最高可達(dá)720 MHz，數(shù)據(jù)處理能力達(dá)4 800 MIPS，其收發(fā)通道獨立的EMAC和MDIO可以很好的支持10 Mb／s和100 Mb／s以太網(wǎng)。DM642還擴展32 MB SDRAM和8 MB FLASH，用于緩存數(shù)據(jù)和存儲協(xié)議。FPGA選擇Altera公司的EP3C55F4 84，其LE單元、儲存單元、可用I／O均比較豐富。DM642實現(xiàn)以太網(wǎng)接口，控制系統(tǒng)并完成協(xié)議的編解碼。FPGA中的總線單元實現(xiàn)RS 232等總線的物理層收發(fā)，總線管理單元協(xié)調(diào)DM642與各總線單元間的通信。采用專業(yè)芯片實現(xiàn)各總線的電氣轉(zhuǎn)換。

    總線管理單元管理各總線，并協(xié)調(diào)各總線與DM642的通信。為防止總線沖突，總線管理單元中記錄DM642及RS 232等總線單元的工作狀態(tài)。1553B總線與RS 232總線和ARINC429總線不同，其收發(fā)是相關(guān)的，無論其收發(fā)數(shù)據(jù)時，總線管理單元都視其被占用。當(dāng)DM642處理高優(yōu)先級協(xié)議時，總線管理單元將對DM642屏蔽低優(yōu)先級協(xié)議產(chǎn)生的中斷，直至DM642完成相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。對為了防止總線被“鎖死”，總線管理單元對超過一定時長處于忙狀態(tài)而未被使用的總線復(fù)位，并對DM642產(chǎn)生總線異常中斷。

    每個總線單元都采用如圖4所示的結(jié)構(gòu)，“總線收發(fā)”實現(xiàn)相應(yīng)總線物理層收發(fā)。在總線單元中實現(xiàn)8個幀頭識別單元和一個幀尾識別單元，實時匹配和提取協(xié)議。幀頭識別單元記錄有高優(yōu)先級協(xié)議的幀頭、幀尾、幀長等信息，DM642在識別出低優(yōu)先級協(xié)議后，將該協(xié)議的幀尾、幀長等信息寫入幀尾識別單元。無論是DM642還是任一幀頭幀尾識別單元協(xié)議匹配成功后，幀頭幀尾識別管理單元都將使其它幀頭幀尾識別單元處于非工作狀態(tài)，在該幀頭幀尾識別單元根據(jù)幀尾或幀長提取完協(xié)議后，其它幀頭幀尾識別單元將再次使能。幀頭幀尾識別管理單元在識別出協(xié)議和完成協(xié)議提取時，將向總線管理單元產(chǎn)生不同中斷。總線發(fā)送FIFO由非空變?yōu)榭?，也產(chǎn)生發(fā)送完成中斷。

3 軟件設(shè)計
3．1 協(xié)議存儲、加載方法
    為了使上電復(fù)位后無需重新加載協(xié)議，將協(xié)議描述表存儲于FLASH中，F(xiàn)LASH的分配方法的存儲空間分配方法如圖5所示。

    8 MB存儲空間的前128 KB存儲空間用于存儲DSP程序，剩余的空間劃分為252個32 KB大小的數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊用于存儲一條協(xié)議的所有信息；每個32 KB大小數(shù)據(jù)塊在劃分為512個64 B大小的次級數(shù)據(jù)塊，第1個次級數(shù)據(jù)塊用于存儲數(shù)據(jù)幀描述表，后511個次級數(shù)據(jù)塊存儲數(shù)據(jù)元素的相關(guān)信息；64 B存儲空間的前32 B用于存儲數(shù)據(jù)元素描述表，后32 B用于存儲數(shù)據(jù)位描述表，同一個數(shù)據(jù)元素最多支持8個數(shù)據(jù)位操作。采用這種協(xié)議存儲方法的好處是，方便了協(xié)議的加載及修改，DM642很容易計算出每個數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)元素、數(shù)據(jù)位描述表的地址，加快了協(xié)議信息的查找，但對存儲空間的浪費也比較大。
3．2 DSP程序設(shè)計
    軟件程序調(diào)用CCS 2提供實時操作系統(tǒng)DSP／BIOS，DSP／BIOS采用搶先式多任務(wù)內(nèi)核，支持硬件中斷、軟件中斷、任務(wù)、后臺線程等4種線程，并提了同步機制。在DSP／BIOS下調(diào)用NDK的函數(shù)庫進(jìn)行TCP／IP協(xié)議編程時，需配置EMAC并開啟線程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)接口，參考文獻(xiàn)詳細(xì)介紹了DSP／BIOS下的TCP／IP協(xié)議編程，這里把網(wǎng)絡(luò)總線視為普通接口。
    為了保證系統(tǒng)實時性，需合理使用DSP／BIOS提供的不同類型線程，并協(xié)調(diào)好各線程間的通信。協(xié)議及各總線的配置數(shù)據(jù)均存儲于FLAS-H，也上電后通過以太網(wǎng)在線動態(tài)加載至DM642。在主線程中對DM642和FPGA進(jìn)行初始化配置。硬件中斷的實時性最高，監(jiān)控各總線狀態(tài)，并根據(jù)從FPGA讀回的中斷信息，生成相應(yīng)消息并觸發(fā)軟件中斷和線程。硬件中斷的流程如圖6所示，依次掃描各總線中斷信息，根據(jù)中斷信息觸發(fā)總線異常、接收數(shù)據(jù)、幀頭識別、協(xié)議接收完成、發(fā)送完成等中斷的處理程序。

    在接收數(shù)據(jù)所遵從的傳輸協(xié)議未知時，先觸發(fā)軟件中斷識別協(xié)議類型，在傳輸協(xié)議已知時，直接觸發(fā)總線管理線程。任務(wù)可以被阻塞和掛起，支持動態(tài)內(nèi)存分配等API函數(shù)，對以太網(wǎng)及RS 232等總線建立線程分別建立總線管理線程。各總線管理線程的流程如圖7所示，根據(jù)觸發(fā)的消息類型，建立和釋放緩沖區(qū)，編解碼協(xié)議，觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送總線，監(jiān)控總線狀態(tài)，協(xié)調(diào)總線發(fā)送通道的使用。在識別出傳輸協(xié)議為高優(yōu)先級協(xié)議時，總線管理線程會調(diào)用API函數(shù)提高自身優(yōu)先級，以達(dá)到搶占CPU的目的，處理完協(xié)議后會再次恢復(fù)以前的優(yōu)先級。軟件中斷優(yōu)先級低于硬件中斷，對堆棧要求小，用于低優(yōu)先級協(xié)議的幀頭識別。采用觸發(fā)跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)處理程序的方法可以加快數(shù)據(jù)處理，保證高優(yōu)先級協(xié)議的實時性。各級線程都會盡量在等待數(shù)據(jù)或資源時跳轉(zhuǎn)至阻塞狀態(tài)，以便釋放CPU。

4 結(jié)語
    本設(shè)計采用以下幾個方法保證多協(xié)議轉(zhuǎn)換實時性：采用高速DSP加快數(shù)據(jù)處理速度；將協(xié)議分為高低優(yōu)先級，采用FPGA實時識別高優(yōu)先級協(xié)議，大大提高了高優(yōu)先級協(xié)議匹配速度；按地址將協(xié)議的幀描述表、數(shù)據(jù)元素描述表、數(shù)據(jù)位描述表等信息存儲與FLAsH，提高了協(xié)議信息的查找效率；使用了DSP／BIOS提供的不同類型線程，并采用觸發(fā)不同消息的方法跳轉(zhuǎn)線程，提高了數(shù)據(jù)處理效率，并保證了高優(yōu)先級協(xié)議優(yōu)先編解碼。FPGA識別協(xié)議、DM642編解碼、線程轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的延時均為微秒級至幾十微秒級，因此本設(shè)計在一定程度上可以保證對高優(yōu)先級協(xié)議單個數(shù)據(jù)元素的編解碼延時小于1 ms，但在支持協(xié)議的通用性上可以進(jìn)一步研究。