基于環形緩存技術的無人機數據接口設備設計

蔡 偉，周乃恩

(中國航天空氣動力技術研究院,北京100074)

無人機在飛行時，地面控制站發送上行指令通過遙控信道到達機載設備,機載設備產生的下行數據通過遙測信道到達地面控制站。一般設計為上行指令與下行數據在某一機載設備上(如設備 1)匯集，經處理后發送到其他的設備中。但該設備同時還有其他任務需完成，當數據量過大時會對設備造成負擔，甚至影響飛行安全。為此本文設計了一個專用數據接口設備，用于無人機的數據交換。全系統框圖如圖1所示。

1 系統硬件設計

數據接口設備硬件主要由PC104嵌入式計算機組成，主要組成部分有：(1)PC104總線型 CPU板，最高運行速度可達300 MHz；(2)PM504型串口擴展板；(3)32 MB DOC(閃存，Disk On Chip)；(4)系統電源板。 其中,PM504串口擴展板實現PC104總線的串口擴展，共擴展4個RS422總線的UART(通用異步接收/發送裝置);32 MB DOC用于存儲操作系統以及開發程序;系統電源板采用Ericsson的PKF系列電源模塊，用于提供系統電源，主要為5 V和12 V。

2 軟件設計

如圖1所示，數據接口設備與機載設備的數據交換分為全雙工方式與半雙工兩種方式。數據交換分為上行指令分發和下行數據融合兩部分。

2.1 上行指令分發

上行指令分發指數據接口設備接收到機載收發組合的數據后，發送到相應的設備中去。上行指令采用統一的幀格式，如表1所示。

表1 上行指令幀格式

其中，A為同步碼 0xFF，B為幀識別符 (設備 1為0X11，設備 2為 0X22，設備 3為 0X33)。數據接口設備首先判斷數據是否為同步碼，如果是則存入接收數組中，接收剩余的28 B數據。然后，根據幀識別符B，發送該幀數據到相應的端口。

2.2 下行數據發送

下行數據發送指接口設備將機載設備產生的數據信息發送到收發組合中。每個機載設備的數據發送速率各不相同，為保證數據準確性和實時性，程序分別建立了相應的環形接收緩存。接口設備定時從環形緩存中取出數據組合后送到收發組合中。

以接口設備接收機載設備1數據建立的環形緩存為例，該緩存分為6個分區，如圖2所示。程序開辟兩個線程：接收線程和發送線程，同時生成兩個跟蹤變量，即接收數據當前分區索引號IndexIn和發送數據當前分區索引號IndexOut,并且初始化為零，指向第一個分區。

圖3給出了環形緩沖接收數據流程圖。接收流程完成創建并初始化緩存工作后，開始接收設備1發送的數據。當接收完一幀數據后，接收索引IndexIn指向下一接收分區。

圖3 環形緩沖接收數據流程

圖4給出了發送數據流程圖。數據發送為定時模式，定時時間到后，建立發送數組并初始化，程序首先判斷接收索引IndexIn與發送索引IndexOut是否相等，如果相等，則表明環形緩存中無數據，跳出發送流程，否則進入發送流程。取IndexOut指向的當前分區數據到發送數組，同時IndexOut指向下一分區。數據在接收和發送過程中，可能出現IndexIn與IndexOut相等的情況，因此在環形緩存中接收完一幀數據后判斷兩者是否相等，如果相等，則IndexOut自增 1，使得進入發送流程中后，兩者不相等，保證了發送的進行。

圖4 環形緩沖發送數據流程

當變量IndexIn和IndexOut指向緩存最后一個分區時，將兩變量重新賦初始值，分別進行下一循環的數據接收和發送。程序為接收設備1數據開辟6×32 B大小的緩存區，為設備3開辟2×80 B的緩存區。每次從存有設備1數據的緩存中取兩幀數據，從存有設備3數據的緩存中取一幀數據,組合后發送到機載收發組合。設備1的數據發送速率為38 400 b/s,而設備 3為19 200 b/s。因為數據接口設備主頻最高為300 MHz，所以不會出現緩存區開辟過小導致數據溢出的現象。

環形緩沖技術采用的線程機制實現了數據接收和發送的并行工作，通過對接收線程當前數據分區索引號IndexIn和發送線程當前數據處理分區索引IndexOut的有效控制，可以跟蹤并且及時處理緩存中的分區數據，避免緩存區數據覆蓋和數據的漏移。

3 試驗驗證

根據上述流程框圖編寫好軟件后，下載到PC104主板上的DOC中。啟動路徑指向當前程序所在位置，設備上電后自動運行程序。試驗在兩臺PC機上進行，一臺模擬收發組合，另一臺模擬設備1、2和3。因為PC機上串口有限，采用MOXA卡進行了串口擴展。數據的發送和接收采用串口精靈軟件。試驗過程中沒有出現數據丟失現象，表明設備性能良好，可以正常工作。

本文介紹了一種采用環形緩存技術的數據接口設備。經在無人機上驗證，該設備可以很好地完成數據接收和發送任務，避免數據丟失現象。產品可擴展性強，可以用于其他無人機系統，具有廣泛的應用前景。

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