基于Petri 網(wǎng)的遙測數(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）

目前對于遙測數(shù)據(jù)的采集、解碼與存儲大多采用高速IO卡來進(jìn)行。但這種方式的弊端很多，如實時性差、在采集過程中經(jīng)常出現(xiàn)丟數(shù)、誤碼等問題，而且由于其不具備針對性，所以在設(shè)計過程中需要考慮的問題過多，最后會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)期。基于此背景，開發(fā)了一種基于CPCI總線的專用BMK遙測數(shù)據(jù)采集卡。

1 遙測數(shù)據(jù)采集卡簡介

BMK遙測數(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。每幀遙測數(shù)據(jù)由256個字構(gòu)成，每個字都包含了8位地址和16位數(shù)據(jù)。幀間時間間隔的典型值為5 ms。由于遙測數(shù)據(jù)采用的是8位的地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線來傳輸，所以采用的分時的方式來實現(xiàn)地址和數(shù)據(jù)的傳輸，利用CS1、CS2和WRTI三條控制線來進(jìn)行狀態(tài)控制。當(dāng)WRTI為低電平時，接收設(shè)備對CS1和CS2進(jìn)行譯碼。當(dāng)CS1為高CS2為低時，當(dāng)前總線上的數(shù)據(jù)表示地址；當(dāng)CS1為低CS2位高時，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同時為低時，當(dāng)前總線上的數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)的低8位。

BMK遙測數(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 遙測數(shù)據(jù)采集卡Fig.1 Remote telemetry data acquisition card

設(shè)計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門輸出電路，可以實現(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Verilog編程實現(xiàn)了FPGA接收模塊中的雙RAM乒乓緩存和遙測數(shù)據(jù)的實時解碼。

其中的雙RAM乒乓緩存是通過仲裁機(jī)模塊控制兩個RAM實現(xiàn)的，分別記為RAM1和RAM2。在上位機(jī)發(fā)出開始發(fā)送指令后，F(xiàn)PGA里的接收模塊根據(jù)CS1、CS2和WRTI的組合邏輯對遙測數(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RAM中，如RAM1，此時 ，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，仲裁機(jī)會向上位機(jī)發(fā)送中斷請求。上位機(jī)接收到中斷請求之后，便采用DMA方式從RAM1中讀取緩存的一幀遙測數(shù)據(jù)。反復(fù)上述過程，便實現(xiàn)了所需要的連續(xù)長時間不丟幀數(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 Petri網(wǎng)的結(jié)構(gòu)元素包括：庫所 （place）、變遷（transitions）和弧（arc）。庫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，它們在位置中的動態(tài)的變化表示系統(tǒng)的不同狀態(tài)。只有當(dāng)一個變遷的所有輸入庫所至少包含一個托肯時，這個變遷才可以實施。實施后的結(jié)果就是從它所有的輸入庫所中減去一個托肯，并在其輸出庫所中產(chǎn)生一個托肯（在狐的權(quán)重為1時成立）。

2.2 遙測數(shù)據(jù)采集卡的Petri網(wǎng)建模

對遙測數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行Petri網(wǎng)建模主要是：用庫所表示采集卡在運(yùn)行的時的各個狀態(tài)，用變遷表示各個功能模塊的操作，用庫所和變遷之間的弧表示整個系統(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，動不動就住院，可何北他媽媽壓根就不在北京，在深圳給公司賣命呢。何北開車帶著何西上花市去買百合，倆人正逛呢，接到何東電話，要陪何西相親，說已把權(quán)箏送回家了。

假設(shè)遙測數(shù)據(jù)采集卡接收模塊通過計數(shù)方式來判別一幀遙測數(shù)據(jù)的結(jié)束，得到的模型如圖2所示。

圖2中所有庫所的含義如表1。

圖2中所有變遷的含義如表2。

圖中，P1表示接收模塊對接收到的遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼之后得到的一個16位字，其托肯的初始值為m，表示初始時有一幀遙測數(shù)據(jù)。P3和P6分別代表FPGA中設(shè)置的用于實現(xiàn)乒乓緩存的RAM1和 RAM2，容量均為m，每當(dāng)變遷T1和T4實施一次，就往一個地址寫入一個16位的字。P11表示存儲控制狀態(tài)，用來控制RAM1和RAM2實現(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不可能同時實施，即輪流對RAM1和RAM2進(jìn)行寫入操作，從而實現(xiàn)了乒乓操作。P2和P5分別表示對寫入RAM和RAM2的遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)值設(shè)置為m，達(dá)到m表示一幀遙測數(shù)據(jù)接收完畢，接收完畢之后激活變遷T2和T5申請中斷。P8進(jìn)行中斷申請后，直到T7實施表示上位機(jī)響應(yīng)了申請的中斷。T3和T6每實施一次，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的輸入弧表示遙測數(shù)據(jù)周期性輸入。

圖2 遙測數(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]。則遙測數(shù)據(jù)卡的工作過程可達(dá)樹如圖3所示。

圖3 遙測數(shù)據(jù)采集卡工作過程可達(dá)樹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個方面對該測試系統(tǒng)Petri網(wǎng)運(yùn)行模型進(jìn)行驗證。

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。因為每幀BMK遙測數(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，沒有從不引發(fā)的變遷，各個變遷至少引發(fā)一次。即對于?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，不會產(chǎn)生死鎖。也就是說該模型不論運(yùn)行到何時，即在任意的可達(dá)標(biāo)識M′時，每個變遷都有可能通過一個變遷序列的發(fā)生而再次獲得發(fā)生權(quán)。與之對應(yīng)的，采集卡的所有模塊功能都可以實現(xiàn)。

3)可達(dá)性

利用圖3對系統(tǒng)運(yùn)行模型性能進(jìn)行分析。可見，經(jīng)過變遷序列的激發(fā)，模型的每個庫所中均會出現(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?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)能夠無沖突地運(yùn)行。

3 實驗與分析

3.1 實驗軟件

通過短接電纜將遙測數(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，點擊開始自檢按鈕以后，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)實驗自定義填寫其他數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，也開發(fā)了相應(yīng)的測試軟件，如圖5所示為3次手動模式接收的實例。其中發(fā)送數(shù)據(jù)個數(shù)設(shè)置為100個，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 實驗結(jié)果

圖5 利用測試軟件進(jìn)行手動異步接收實驗實例Fig.5 An example of using the test software

利用以上測試軟件對遙測數(shù)據(jù)卡的每個通道進(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)，實驗結(jié)果顯示采集到的各類數(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現(xiàn)對遙測數(shù)據(jù)的不丟幀的連續(xù)采集。

4 結(jié)論

設(shè)計的遙測數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)了雙RAM乒乓操作從而避免了數(shù)據(jù)丟幀的出現(xiàn)，可以對遙測數(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，提高了實時解碼的效率。通過對板卡進(jìn)行Petri網(wǎng)建模以及通過測試軟件對板卡進(jìn)行實驗驗證后，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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