基于INtime的雷達(dá)實(shí)時(shí)操控顯示終端設(shè)計(jì)

漆先虎 張 軍 張博君

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

雷達(dá)操控顯示終端作為雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，用于雷達(dá)空情目標(biāo)顯示、原始視頻顯示、雷達(dá)控制、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、情報(bào)上報(bào)等，隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和多功能需求的日益增強(qiáng)，將雷達(dá)的實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)處理等實(shí)時(shí)應(yīng)用集成在雷達(dá)的操控顯示終端中日益成為趨勢(shì)，同時(shí)用戶的界面審美需求也對(duì)終端的圖形加速、多媒體以及三維場(chǎng)景的顯示性能提出更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)外的雷達(dá)操控顯示終端產(chǎn)品很難同時(shí)滿足上述要求，典型的一類是以VxWorks和Dos操作系統(tǒng)為平臺(tái)具備實(shí)時(shí)控制處理和簡(jiǎn)單圖形顯示的操控顯示終端;另一類是以Windows和Linux為平臺(tái)設(shè)計(jì)，雖然能夠提供直觀的圖形用戶控制界面和豐富的多媒體圖形顯示接口，能夠方便的設(shè)計(jì)出友好美觀的人機(jī)界面，但其內(nèi)核實(shí)時(shí)性較差，不能滿足雷達(dá)實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)處理等實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用，雷達(dá)的實(shí)時(shí)處理任務(wù)只能通過(guò)其他實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)來(lái)完成。通常實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為保證其實(shí)時(shí)性，對(duì)圖形的支持能力都較弱，一般只支持簡(jiǎn)單的圖形顯示，目前尚沒(méi)有一款獨(dú)立的操作系統(tǒng)既能滿足實(shí)時(shí)性要求又能夠?yàn)橛脩籼峁?qiáng)有力的圖形處理支持［1］。

為了兼顧雷達(dá)操控顯示終端的實(shí)時(shí)性能和強(qiáng)勁的圖形顯示能力，本文提出了一種基于INtime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)+嵌入式Window XP(XPE)的雷達(dá)實(shí)時(shí)操控顯示終端設(shè)計(jì)方案。該方案基于兼容PC硬件平臺(tái)，利用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)INtime的實(shí)時(shí)性完成雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理任務(wù)，同時(shí)充分利用Windows操作系統(tǒng)強(qiáng)大的圖形界面功能，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)、狀態(tài)、原始視頻、電子地圖等顯示功能。

2 INtime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)介紹

INtime是TenAsys公司為了滿足Windows平臺(tái)上硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)嚴(yán)格的響應(yīng)時(shí)間要求而開(kāi)發(fā)的一個(gè)實(shí)時(shí)子系統(tǒng)。它是與Windows操作系統(tǒng)共享硬件平臺(tái)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

圖1 INtime系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

INtime實(shí)時(shí)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)啟動(dòng)加載Windows操作系統(tǒng)時(shí)同時(shí)被加載，共享相同的CPU和中斷硬件，但在其他方面相互獨(dú)立。每個(gè)操作系統(tǒng)都被封裝為一個(gè)虛擬機(jī)，各自具有自己的描述符表、內(nèi)存管理等。當(dāng)實(shí)時(shí)活動(dòng)必須發(fā)生時(shí)，計(jì)算機(jī)上下文將切換到該實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這些活動(dòng)完成后，計(jì)算機(jī)上下文將切換回Windows操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)進(jìn)程運(yùn)行在INtime內(nèi)核上，進(jìn)程中的代碼以用戶模式執(zhí)行，防止意外訪問(wèn)系統(tǒng)對(duì)象和數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。非實(shí)時(shí)進(jìn)程運(yùn)行在Windows內(nèi)核上。INtime為Windows進(jìn)程提供了擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)(NTX API)，使Windows進(jìn)程能夠共享在實(shí)時(shí)內(nèi)核上創(chuàng)建的對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)Windows進(jìn)程和INtime進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)共享和同步［2］。

INtime內(nèi)核提供了一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的搶先式多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，最多可支持256個(gè)線程優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的線程優(yōu)先調(diào)度執(zhí)行，同一優(yōu)先級(jí)的線程采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法。通過(guò)對(duì)線程賦予不同的優(yōu)先級(jí)，嚴(yán)格保證各個(gè)任務(wù)的執(zhí)行先后次序。在進(jìn)程通信和同步方面，INtime通過(guò)共享內(nèi)存與Windows進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過(guò)信號(hào)量進(jìn)行進(jìn)程的同步控制。INtime內(nèi)核提供了高精度的系統(tǒng)計(jì)時(shí)器，最高精度可達(dá)100μs，可以滿足大多數(shù)要求苛刻的應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)性要求。INtime具有獨(dú)立于Windows網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)TCP/IP通信堆棧，能夠滿足實(shí)時(shí)通信的要求。INtime可以支持單處理器和多處理器系統(tǒng)，在多處理器系統(tǒng)中，可以劃分出一個(gè)處理器為INtime操作系統(tǒng)及其實(shí)時(shí)進(jìn)程專用，提高了系統(tǒng)的可靠性。INtime還提供了與Windows環(huán)境兼容的實(shí)時(shí)編程接口，支持Win32的API，實(shí)現(xiàn)了一套實(shí)時(shí)擴(kuò)展函數(shù)，通過(guò)VC++編譯環(huán)境開(kāi)發(fā)，具備良好的實(shí)時(shí)調(diào)試器。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

雷達(dá)實(shí)時(shí)操控顯示終端是一個(gè)集實(shí)時(shí)通信、控制、數(shù)據(jù)處理及顯示的綜合多任務(wù)系統(tǒng)，既有實(shí)時(shí)性要求很高的雷達(dá)設(shè)備控制、跟蹤數(shù)據(jù)采集任務(wù)和跟蹤數(shù)據(jù)處理等任務(wù)，又有實(shí)時(shí)性要求較低的數(shù)據(jù)管理、狀態(tài)控制、雷達(dá)目標(biāo)、原始視頻、電子地圖顯示等任務(wù)。所以在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，把實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù)分開(kāi)運(yùn)行。實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn)行在INtime內(nèi)核中，主要完成對(duì)跟蹤雷達(dá)分系統(tǒng)、光電跟蹤分系統(tǒng)的跟蹤數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和處理，根據(jù)處理結(jié)果實(shí)時(shí)控制跟蹤伺服分系統(tǒng)將跟蹤天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，以達(dá)到跟蹤功能，同時(shí)完成與非實(shí)時(shí)進(jìn)程的數(shù)據(jù)同步;非實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn)行在Windows內(nèi)核中，主要完成雷達(dá)分系統(tǒng)非實(shí)時(shí)的狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)顯示，同時(shí)完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)回放等管理。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

雷達(dá)操控顯示終端在硬件選型上，選用加固一體計(jì)算機(jī)，為更好的發(fā)揮計(jì)算機(jī)的圖形處理能力，計(jì)算機(jī)顯卡具備2D/3D硬件加速能力。CPU選用Intel酷睿雙核，并將INtime配置成獨(dú)占模式，即IN-time獨(dú)自占用一個(gè)CPU核運(yùn)行實(shí)時(shí)進(jìn)程，Windows占用另一核，這樣可提高系統(tǒng)的穩(wěn)控性和實(shí)時(shí)性。終端計(jì)算機(jī)內(nèi)置一塊定時(shí)接口板，用于產(chǎn)生雷達(dá)系統(tǒng)同步時(shí)鐘，板卡通過(guò)PCI總線向終端計(jì)算機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘中斷信號(hào)。終端與雷達(dá)其他分系統(tǒng)之間通信通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸。

為保證系統(tǒng)的健壯穩(wěn)定，Windows操作系統(tǒng)采用裁剪的嵌入式XPE操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成基于休眠方式啟動(dòng)、內(nèi)存保護(hù)方式運(yùn)行模式，既保證了系統(tǒng)的快速啟動(dòng)，又保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠［3］。關(guān)于XPE操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已有較多文獻(xiàn)資料參考，本文將不作詳細(xì)介紹。

4 終端軟件設(shè)計(jì)

終端軟件采用VC++進(jìn)行開(kāi)發(fā)，基于上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，軟件主要包括INtime的實(shí)時(shí)進(jìn)程和Windows的非實(shí)時(shí)進(jìn)程，各進(jìn)程中根據(jù)任務(wù)需求劃分相應(yīng)的任務(wù)和功能模塊，軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

4.1 INtime進(jìn)程

INtime實(shí)時(shí)進(jìn)程在INtime內(nèi)核中運(yùn)行，根據(jù)其功能劃分主要包括系統(tǒng)定時(shí)功能模塊、實(shí)時(shí)跟蹤控制功能模塊、跟蹤數(shù)據(jù)處理功能模塊、網(wǎng)絡(luò)接口通信功能模塊和進(jìn)程通信管理模塊。軟件采用多線程方式設(shè)計(jì)，按實(shí)時(shí)性要求劃分不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，采用適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)調(diào)度策略，使每個(gè)任務(wù)按要求適時(shí)執(zhí)行。進(jìn)程的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)進(jìn)程軟件結(jié)構(gòu)圖

實(shí)時(shí)進(jìn)程采用計(jì)數(shù)器對(duì)外部定時(shí)接口板的10ms硬件定時(shí)中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)分別產(chǎn)生40ms和200ms中斷信號(hào)量，根據(jù)系統(tǒng)處理實(shí)時(shí)性要求，將40ms定時(shí)處理線程相對(duì)優(yōu)先級(jí)設(shè)置為1(高)，將200ms定時(shí)處理線程相對(duì)優(yōu)先級(jí)設(shè)置為2(中)，將雷達(dá)各分系統(tǒng)與INtime進(jìn)程的通信線程優(yōu)先級(jí)均設(shè)置為0(最高)，以保證跟蹤傳感器的跟蹤數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠。

通信線程主要用于接收網(wǎng)絡(luò)上的跟蹤傳感器的跟蹤距離、角度偏差和狀態(tài)數(shù)據(jù)。線程通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中斷方式實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入相關(guān)的接收數(shù)據(jù)數(shù)組，供40ms定時(shí)處理線程使用。

40ms定時(shí)處理線程用于將多跟蹤傳感器的跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，并建立跟蹤航跡，采用卡爾曼濾波進(jìn)行航跡的平滑和外推。根據(jù)目標(biāo)預(yù)測(cè)位置和天線位置求取角度偏差量，采用位置閉環(huán)控制跟蹤伺服分系統(tǒng)，以使跟蹤天線保持對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤。40ms定時(shí)處理線程同時(shí)將光電及跟蹤雷達(dá)傳感器的狀態(tài)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)和目標(biāo)航跡的跟蹤處理結(jié)果等寫(xiě)入數(shù)據(jù)隊(duì)列用于Windows進(jìn)程顯示。

200ms定時(shí)處理線程主要用于實(shí)現(xiàn)INtime實(shí)時(shí)進(jìn)程與Windows進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交互。采用共享內(nèi)存和信號(hào)量機(jī)制，創(chuàng)建共享內(nèi)存對(duì)象和信號(hào)量對(duì)象，定時(shí)將數(shù)據(jù)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入共享內(nèi)存中。Windows進(jìn)程在與INtime進(jìn)程通信時(shí)，通過(guò)調(diào)用INtime的NTX API，獲得INtime實(shí)時(shí)內(nèi)核上創(chuàng)建的對(duì)象。

4.2 Windows進(jìn)程

該雷達(dá)操控顯示終端中Windows進(jìn)程與普通桌面Windows系統(tǒng)下的進(jìn)程設(shè)計(jì)方法完全兼容。其主要核心任務(wù)是圖形的快速顯示。本終端的顯示設(shè)計(jì)采用多線程方式，利用Windows平臺(tái)的DirectX圖形接口，通過(guò)DirectDraw進(jìn)行快速、多層次的頁(yè)面繪制和顯示。根據(jù)其功能劃分主要包括系統(tǒng)界面操控模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回放模塊、顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)接口通信模塊和進(jìn)程通信管理模塊。

系統(tǒng)界面操控模塊主要采用圖形控件進(jìn)行界面布局，通過(guò)各控件的功能定義和相應(yīng)的消息機(jī)制來(lái)驅(qū)動(dòng)人機(jī)界面操控事件，以完成界面中各功能按鈕、對(duì)話框、列表框等的操控功能。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回放模塊用于對(duì)雷達(dá)工作狀態(tài)、雷達(dá)各目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和回放。該模塊以INtime系統(tǒng)定時(shí)器為基準(zhǔn)，對(duì)終端接收到的所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行打時(shí)標(biāo)和報(bào)文重組，并將重組報(bào)文以二進(jìn)制方式記錄在存儲(chǔ)介質(zhì)中。數(shù)據(jù)回放時(shí)，讀取報(bào)文文件，并拆分報(bào)文時(shí)標(biāo)和原始數(shù)據(jù)報(bào)文，以記錄的時(shí)標(biāo)為驅(qū)動(dòng)，將數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行重新解析和處理，實(shí)現(xiàn)回放功能。

顯示模塊主要用于顯示PPI坐標(biāo)背景、電子地圖背景、雷達(dá)原始視頻圖像、各種目標(biāo)點(diǎn)跡、航跡以及天線碼盤(pán)等信息。采用DirectDraw圖形加速顯示技術(shù)和頁(yè)面的分層設(shè)計(jì)，將DirectDraw頁(yè)面分為背景層頁(yè)面、電子地圖顯示頁(yè)面、雷達(dá)原始回波視頻頁(yè)面、目標(biāo)頁(yè)面和動(dòng)態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)頁(yè)面。通過(guò)多線程對(duì)各頁(yè)面顯示內(nèi)容獨(dú)立進(jìn)行快速繪制，在Windows進(jìn)程的主定時(shí)器中將各頁(yè)面疊加繪制到DxDraw主頁(yè)面，最后調(diào)用DirectDraw的換頁(yè)函數(shù)(Flip)進(jìn)行顯示［4］。

網(wǎng)絡(luò)接口通信模塊與INtime進(jìn)程中的網(wǎng)絡(luò)接口通信模塊類似，但主要用于終端與雷達(dá)其他分系統(tǒng)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和命令的通信。

進(jìn)程通信管理模塊主要用于Windows進(jìn)程對(duì)INtime系統(tǒng)中的共享內(nèi)存和信號(hào)量進(jìn)行調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)INtime進(jìn)程和Windows進(jìn)程之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4.3 軟件的運(yùn)行

使用XPE+INtime構(gòu)筑的系統(tǒng)作為雷達(dá)操控終端軟件運(yùn)行環(huán)境，主要由Real-time控制應(yīng)用(IN-time進(jìn)程)和GUI應(yīng)用(Windows進(jìn)程)兩部分構(gòu)成。終端軟件的Windows進(jìn)程可直接雙擊運(yùn)行，由XPE操作系統(tǒng)載入內(nèi)存并執(zhí)行，INtime實(shí)時(shí)進(jìn)程由其系統(tǒng)配套的實(shí)時(shí)控制應(yīng)用軟件載入器LDRTA.EXE進(jìn)行加載到內(nèi)核并執(zhí)行。INtime內(nèi)核將自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)最低優(yōu)先級(jí)線程，用于將計(jì)算機(jī)上下文切換回Windows進(jìn)程，以保證兩進(jìn)程在同一硬件平臺(tái)同時(shí)運(yùn)行。兩進(jìn)程通過(guò)共享的內(nèi)存和信號(hào)量進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并各自獨(dú)立運(yùn)行完成雷達(dá)的實(shí)時(shí)操控顯示功能。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)基于INtime的雷達(dá)實(shí)時(shí)操控顯示終端的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與仿真，以及與雷達(dá)實(shí)裝的現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行，實(shí)時(shí)操控顯示終端能夠較好的完成對(duì)雷達(dá)的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)能夠流暢顯示雷達(dá)的原始視頻回波、檢測(cè)點(diǎn)跡以及雷達(dá)工作狀態(tài)，表明了該方案能夠成功的將雷達(dá)實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)性要求不高的顯示集成在一起進(jìn)行設(shè)計(jì)，降低成本的同時(shí)增加了系統(tǒng)的可靠性。

［1］劉巍，丁爾剛.嵌入式雷達(dá)終端軟件的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2007，26(6):65.

［2］TenAsys Corporation.INtime software user guide［M］.Beaverton，Oregon，USA:TenAsys Corporation，2005:32－35.

［3］郭敏，史乘龍，宋長(zhǎng)生.基于XPE的嵌入式雷達(dá)顯控終端系統(tǒng)［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2008，37(3):91－95.

［4］漆先虎.基于DirectDraw的雷達(dá)操控顯示終端設(shè)計(jì)［D］.西安:電子科技大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2010:52－54.