基于VxWorks的多路高速串口的通信方法設計

信號經(jīng)過(guò)1：10功分器，分給10個(gè)RF接收模塊，完成RF接收，輸出串行信號，每路串口為串行信號的最大速率115.2kbps，RF接收模塊每20ms發(fā)一個(gè)數據包，一個(gè)數據包最大為30bit。之后串行信號經(jīng)過(guò)3片OX16C954(每片有4路UART)轉換成并行總線(xiàn)信號，輸出給MPC860T(CPU)。每片OX16C954設置有128B的環(huán)形緩沖區，所以經(jīng)過(guò)時(shí)間緩沖區就會(huì )被寫(xiě)滿(mǎn)。為了保證不丟失數據，應該在8.8ms內完成對10個(gè)終端接收模塊進(jìn)行一次接收。OX16C954中斷門(mén)限設為64B，當接收緩沖超過(guò)64B時(shí)，OX16C954產(chǎn)生接收中斷。在OX16C954還設置有超時(shí)中斷，當從接收最后一個(gè)停止位中心開(kāi)始計時(shí)，在四個(gè)符號周期內沒(méi)有接收新的信息，即就產(chǎn)生超時(shí)中斷。批中斷的應用如圖3。多個(gè)串口通過(guò)CPLD共享一個(gè)中斷源，在中斷頻繁，多個(gè)串口同時(shí)產(chǎn)生中斷的情況下，實(shí)現了批中斷，節約了中斷資源，提高了中斷效率。

本系統的設計基于VxWorks操作系統。VxWorks操作系統提供對多種處理器的廣泛支持，具有完善的開(kāi)發(fā)環(huán)境、開(kāi)放的軟件接口、優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能和全面可靠的網(wǎng)絡(luò )功能及良好的可裁剪性，適用于各種嵌入式環(huán)境的開(kāi)發(fā)。

程序實(shí)現過(guò)程：系統加電待操作系統啟動(dòng)之后，應用程序首先根據主控和PC機的IP地址，得到它們的MAC地址，為以后進(jìn)行UDP數據傳送做準備；初始化MPC860T的Port C口，把PC12、PC15初始化為數據輸出口，分別用于點(diǎn)亮運行時(shí)的狀態(tài)燈和設置/清除硬件看門(mén)狗；初始化OX16C954，打開(kāi)10路串口，接收終端模塊的數據；同時(shí)向終端模塊發(fā)送數據，初始化UDP協(xié)議棧；最后，進(jìn)入無(wú)限循環(huán)中，從各個(gè)串口收集數據，解開(kāi)數據包，以UDP的方式，把話(huà)音包發(fā)給PC機，把非話(huà)音包發(fā)給主控；同時(shí)，從網(wǎng)絡(luò )上接收來(lái)自主控的UDP數據，根據端口號，把數據轉發(fā)給各個(gè)終端模塊。PC機不直接向DPM發(fā)送UDP數據，只有主控向各個(gè)終端發(fā)送數據，故由DPM至PC機的數據為單向。管理看門(mén)狗，每循環(huán)一次，開(kāi)關(guān)一次看門(mén)狗，處理一次狀態(tài)燈。整個(gè)程序的流程如圖4所示。

在10路都沒(méi)有數據的極限情況下測量輪詢(xún)開(kāi)銷(xiāo)VP。在這種極限情況下，應用全中斷的方式，10路串口沒(méi)有數據不會(huì )產(chǎn)生中斷，中斷開(kāi)銷(xiāo)為0；應用全輪詢(xún)的方式，CPU每次只查詢(xún)外部寄存器但不接收數據，所以每次CPU都是空轉，測量出來(lái)的為輪詢(xún)的固定開(kāi)銷(xiāo)VP=163.84μs。在這種情況下，中斷顯然要優(yōu)于輪詢(xún)。

3.1 均衡負載
在多路負載均衡的情況下，測量中斷吞吐率OI=B1為達到OX16C954中斷門(mén)限后，觸發(fā)的接收中斷所接收的數據量(B1≥64B)；B2為產(chǎn)生超時(shí)中斷時(shí)所接收的數據量（B2≤64B）。輪詢(xún)吞吐率OP=B′為輪詢(xún)接收的數據量。如圖5所示，在VxWorks系統中1tick=1/8000(s)。因為設置了中斷門(mén)限，所以中斷在數據量低的時(shí)刻有一個(gè)躍變；輪詢(xún)的躍變由輪詢(xún)的周期設置，如果改變輪詢(xún)周期，躍變點(diǎn)將發(fā)生轉移。輪詢(xún)的吞吐率隨輸入數據量的增加而呈線(xiàn)性增長(cháng)；在數據量低時(shí)中斷要優(yōu)于輪詢(xún)，隨著(zhù)數據量的增長(cháng)輪詢(xún)就要優(yōu)于中斷，在兩者相交的時(shí)刻，通過(guò)實(shí)驗可以找到γ和PUMAX的值。

3.2 非均衡負載情況

非均衡負載情況，即m1路數據負載大、m2路數據負載小的情況(m1+m2=10)下，測量OI、OP和OC（中斷和輪詢(xún)相結合的吞吐率）。如圖6所示，在橫坐標為1處，為m1=3，m2=7的情況，由于應用了批中斷，中斷的效率要優(yōu)于輪詢(xún)，中斷和輪詢(xún)相結合的方法要略?xún)?yōu)于中斷；在橫坐標為2處，為m1=5，m2=5的情況，相結合的方法要略?xún)?yōu)于中斷和輪詢(xún)；在橫坐標3處為m1=7，m2=3的情況，相結合的方法近似輪詢(xún)，要優(yōu)于中斷。

本文在綜合分析各種串口接收方式不足的基礎上，提出了中斷和輪詢(xún)相結合的方法。實(shí)驗結果表明，在滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性要求的前提下，改進(jìn)后的高速多串口系統吞吐率比應用單一的中斷或輪詢(xún)方式在多路高速串口系統中、各串口負載不均衡的情況下，得到了明顯的提高。