基于Petri 網(wǎng)的遙測(cè)數(shù)據(jù)采集卡的建模分析研究

向 巧，周 強(qiáng)，劉亞斌

（北京航空航天大學(xué) 北京 100191）

目前對(duì)于遙測(cè)數(shù)據(jù)的采集、解碼與存儲(chǔ)大多采用高速I(mǎi)O卡來(lái)進(jìn)行。但這種方式的弊端很多，如實(shí)時(shí)性差、在采集過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)丟數(shù)、誤碼等問(wèn)題，而且由于其不具備針對(duì)性，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題過(guò)多，最后會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)期。基于此背景，開(kāi)發(fā)了一種基于CPCI總線的專(zhuān)用BMK遙測(cè)數(shù)據(jù)采集卡。

1 遙測(cè)數(shù)據(jù)采集卡簡(jiǎn)介

BMK遙測(cè)數(shù)據(jù)是一種典型的單向總線數(shù)據(jù)，典型傳輸率為1 Mbit/s。每幀遙測(cè)數(shù)據(jù)由256個(gè)字構(gòu)成，每個(gè)字都包含了8位地址和16位數(shù)據(jù)。幀間時(shí)間間隔的典型值為5 ms。由于遙測(cè)數(shù)據(jù)采用的是8位的地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線來(lái)傳輸，所以采用的分時(shí)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)地址和數(shù)據(jù)的傳輸，利用CS1、CS2和WRTI三條控制線來(lái)進(jìn)行狀態(tài)控制。當(dāng)WRTI為低電平時(shí)，接收設(shè)備對(duì)CS1和CS2進(jìn)行譯碼。當(dāng)CS1為高CS2為低時(shí)，當(dāng)前總線上的數(shù)據(jù)表示地址；當(dāng)CS1為低CS2位高時(shí)，當(dāng)前總線上的數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)高8位；當(dāng)CS1和CS2同時(shí)為低時(shí)，當(dāng)前總線上的數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)的低8位。

BMK遙測(cè)數(shù)據(jù)采集卡主要包括PCI-9054、FPGA、接收電路以及發(fā)送電路，如圖1所示。

圖1 遙測(cè)數(shù)據(jù)采集卡Fig.1 Remote telemetry data acquisition card

設(shè)計(jì)中的接收電路是利用高速光耦構(gòu)成典型回路，發(fā)送電路利用三極管陣列構(gòu)成OC門(mén)輸出電路，可以實(shí)現(xiàn)同一數(shù)據(jù)、遞增數(shù)據(jù)、遞減數(shù)據(jù)和隨機(jī)數(shù)據(jù)的發(fā)送。并通過(guò)Verilog編程實(shí)現(xiàn)了FPGA接收模塊中的雙RAM乒乓緩存和遙測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)解碼。

其中的雙RAM乒乓緩存是通過(guò)仲裁機(jī)模塊控制兩個(gè)RAM實(shí)現(xiàn)的，分別記為RAM1和RAM2。在上位機(jī)發(fā)出開(kāi)始發(fā)送指令后，F(xiàn)PGA里的接收模塊根據(jù)CS1、CS2和WRTI的組合邏輯對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼后得到數(shù)據(jù)和地址并隨機(jī)存入其中一個(gè)RAM中，如RAM1，此時(shí) ，RAM2則處于待讀狀態(tài)。當(dāng)一幀數(shù)據(jù)接收完成以后，仲裁機(jī)模塊切換兩個(gè)RAM的工作狀態(tài)，即RAM1切換至待讀狀態(tài)，RAM2進(jìn)入緩存接收狀態(tài)。同時(shí)，仲裁機(jī)會(huì)向上位機(jī)發(fā)送中斷請(qǐng)求。上位機(jī)接收到中斷請(qǐng)求之后，便采用DMA方式從RAM1中讀取緩存的一幀遙測(cè)數(shù)據(jù)。反復(fù)上述過(guò)程，便實(shí)現(xiàn)了所需要的連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間不丟幀數(shù)據(jù)采集。

2 Petri網(wǎng)建模與分析

2.1 Petri網(wǎng)建模概述

一個(gè) Petri網(wǎng)的結(jié)構(gòu)元素包括：庫(kù)所 （place）、變遷（transitions）和弧（arc）。庫(kù)所用于描述可能的系統(tǒng)局部狀態(tài)；變遷用于描述修改系統(tǒng)的事件；弧使用兩種方法規(guī)定局部狀態(tài)和事件之間的關(guān)系：引發(fā)事件能夠發(fā)生的局部狀態(tài)，由事件所引發(fā)的局部狀態(tài)轉(zhuǎn)換。另外，托肯（token）包含在位置中，它們?cè)谖恢弥械膭?dòng)態(tài)的變化表示系統(tǒng)的不同狀態(tài)。只有當(dāng)一個(gè)變遷的所有輸入庫(kù)所至少包含一個(gè)托肯時(shí)，這個(gè)變遷才可以實(shí)施。實(shí)施后的結(jié)果就是從它所有的輸入庫(kù)所中減去一個(gè)托肯，并在其輸出庫(kù)所中產(chǎn)生一個(gè)托肯（在狐的權(quán)重為1時(shí)成立）。

2.2 遙測(cè)數(shù)據(jù)采集卡的Petri網(wǎng)建模

對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行Petri網(wǎng)建模主要是：用庫(kù)所表示采集卡在運(yùn)行的時(shí)的各個(gè)狀態(tài)，用變遷表示各個(gè)功能模塊的操作，用庫(kù)所和變遷之間的弧表示整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)與操作之間的映射關(guān)系。

何北以陪何西相親為名，讓自己心安理得地又一次以“老媽生病”為由請(qǐng)了一次假。他們超市的人都知道何北媽媽是老年版林黛玉，動(dòng)不動(dòng)就住院，可何北他媽媽壓根就不在北京，在深圳給公司賣(mài)命呢。何北開(kāi)車(chē)帶著何西上花市去買(mǎi)百合，倆人正逛呢，接到何東電話，要陪何西相親，說(shuō)已把權(quán)箏送回家了。

假設(shè)遙測(cè)數(shù)據(jù)采集卡接收模塊通過(guò)計(jì)數(shù)方式來(lái)判別一幀遙測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)束，得到的模型如圖2所示。

圖2中所有庫(kù)所的含義如表1。

圖2中所有變遷的含義如表2。

圖中，P1表示接收模塊對(duì)接收到的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼之后得到的一個(gè)16位字，其托肯的初始值為m，表示初始時(shí)有一幀遙測(cè)數(shù)據(jù)。P3和P6分別代表FPGA中設(shè)置的用于實(shí)現(xiàn)乒乓緩存的RAM1和 RAM2，容量均為m，每當(dāng)變遷T1和T4實(shí)施一次，就往一個(gè)地址寫(xiě)入一個(gè)16位的字。P11表示存儲(chǔ)控制狀態(tài)，用來(lái)控制RAM1和RAM2實(shí)現(xiàn)乒乓操作，如圖所示，P11到T1有輸入弧，而到T4有禁止弧，表示T1和T4不可能同時(shí)實(shí)施，即輪流對(duì)RAM1和RAM2進(jìn)行寫(xiě)入操作，從而實(shí)現(xiàn)了乒乓操作。P2和P5分別表示對(duì)寫(xiě)入RAM和RAM2的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值設(shè)置為m，達(dá)到m表示一幀遙測(cè)數(shù)據(jù)接收完畢，接收完畢之后激活變遷T2和T5申請(qǐng)中斷。P8進(jìn)行中斷申請(qǐng)后，直到T7實(shí)施表示上位機(jī)響應(yīng)了申請(qǐng)的中斷。T3和T6每實(shí)施一次，就表示從RAM1或者RAM2中讀取一塊大小為m的數(shù)據(jù)。T8到P1的輸入弧表示遙測(cè)數(shù)據(jù)周期性輸入。

圖2 遙測(cè)數(shù)據(jù)采集卡的Petri網(wǎng)模型Fig.2 The Petri model of the acquisition card

表1 圖中各庫(kù)所所代表的含義Tab.1 The meaning of places in Fig2

表2 圖中各變遷所代表的含義Tab.2 The meaning of transitions in Fig2

設(shè)該petri網(wǎng)模型的初始標(biāo)識(shí)為M0=[P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9,P10,P11]=[m,0,0,0,0,0,0,0,0,1,m]。則遙測(cè)數(shù)據(jù)卡的工作過(guò)程可達(dá)樹(shù)如圖3所示。

圖3 遙測(cè)數(shù)據(jù)采集卡工作過(guò)程可達(dá)樹(shù)Fig.3 Reachability tree of acquisition card

2.3 模型理論分析

從有界性、活性、可達(dá)性和沖突性4個(gè)方面對(duì)該測(cè)試系統(tǒng)Petri網(wǎng)運(yùn)行模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1)有界性

從圖2所示的Petri網(wǎng)模型中可以看出，存在正整數(shù)m，使得

因此，圖2所示的Petri網(wǎng)是有界的。因?yàn)槊繋珺MK遙測(cè)數(shù)據(jù)以及采集卡的資源都是有限的，所以建立的Petri網(wǎng)模型也是有界的。

2)活性

在圖2所示的模型中，沒(méi)有從不引發(fā)的變遷，各個(gè)變遷至少引發(fā)一次。即對(duì)于?M∈R(M0)，都存在M′∈R(M)，使得M′[t＞。可知圖2的Petri網(wǎng)符合活性的定義，不會(huì)產(chǎn)生死鎖。也就是說(shuō)該模型不論運(yùn)行到何時(shí)，即在任意的可達(dá)標(biāo)識(shí)M′時(shí)，每個(gè)變遷都有可能通過(guò)一個(gè)變遷序列的發(fā)生而再次獲得發(fā)生權(quán)。與之對(duì)應(yīng)的，采集卡的所有模塊功能都可以實(shí)現(xiàn)。

3)可達(dá)性

利用圖3對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行模型性能進(jìn)行分析。可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)變遷序列的激發(fā)，模型的每個(gè)庫(kù)所中均會(huì)出現(xiàn)標(biāo)志（token），即它們均可達(dá)，所以該P(yáng)etri網(wǎng)模型滿足可達(dá)性要求。

4)沖突性

在圖 2 模型中，對(duì)?M∈R(M0)，?Ms∈R(M0)，?Mk∈R(M0)，?ti∈T，?tj∈T，都不存在 M[tj＞Mk→?Mk[ti＞且 M[ti＞Ms→?Ms[tj＞。因此能夠得出結(jié)論，圖2的Petri網(wǎng)能夠無(wú)沖突地運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)軟件

通過(guò)短接電纜將遙測(cè)數(shù)據(jù)卡的輸入輸出通道連接后，選通通道，利用輸入通道對(duì)其輸出通道輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，最后將接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果相同，則證明發(fā)送通道和接收通道均正常。自檢界面如圖4所示。

圖4 遙測(cè)數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)自檢界面Fig.4 The self-test software of acquisition card

如圖4可以看出，點(diǎn)擊開(kāi)始自檢按鈕以后，輸入通道接收到數(shù)據(jù)，并且與輸出通道發(fā)送的數(shù)據(jù)相同。

為了方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)自定義填寫(xiě)其他數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，也開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的測(cè)試軟件，如圖5所示為3次手動(dòng)模式接收的實(shí)例。其中發(fā)送數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)設(shè)置為100個(gè)，發(fā)送數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制數(shù)1到64，循環(huán)發(fā)送10次。接收數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)設(shè)置為100，并選擇異步接收。可以看出進(jìn)行三次采集后的數(shù)據(jù)均和發(fā)送的數(shù)據(jù)相同。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 利用測(cè)試軟件進(jìn)行手動(dòng)異步接收實(shí)驗(yàn)實(shí)例Fig.5 An example of using the test software

利用以上測(cè)試軟件對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)卡的每個(gè)通道進(jìn)行選通后均進(jìn)行了100次遞增數(shù)據(jù)、相同數(shù)據(jù)、隨機(jī)數(shù)據(jù)、遞減數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示采集到的各類(lèi)數(shù)據(jù)均與發(fā)送的數(shù)據(jù)相同，即結(jié)果正確，證明該板卡可以有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)的不丟幀的連續(xù)采集。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的遙測(cè)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)了雙RAM乒乓操作從而避免了數(shù)據(jù)丟幀的出現(xiàn)，可以對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)不丟幀采集，并利用上位機(jī)的DMA讀取方式進(jìn)一步的加快了數(shù)據(jù)的采集速度，提高了實(shí)時(shí)解碼的效率。通過(guò)對(duì)板卡進(jìn)行Petri網(wǎng)建模以及通過(guò)測(cè)試軟件對(duì)板卡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，確保了板卡的穩(wěn)定性以及功能的正確性。該數(shù)據(jù)采集卡在仿真系統(tǒng)以及飛控系統(tǒng)中都有著廣闊的應(yīng)用前景。

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