基于分層插件的引信裝定器模型

賴 明，霍鵬飛，劉 創(chuàng)

（機(jī)電動態(tài)控制重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引言

彈道修正引信是信息化程度較高的新型智能引信，其研究、測試、實驗及使用都有別于傳統(tǒng)的“傻瓜”引信，尤其在數(shù)據(jù)需求方面，呈現(xiàn)數(shù)字化、復(fù)雜化的趨勢。在其引信裝定器開發(fā)及維護(hù)過程中，面臨著兩個問題：1）彈道修正引信在發(fā)展的不同階段，其功能有時（甚至經(jīng)常）會發(fā)生變化，引信裝定器的對應(yīng)功能也需進(jìn)行升級或擴(kuò)展，如增加新的功能模塊、數(shù)據(jù)接口等外圍設(shè)備，這種升級或擴(kuò)展很可能是大幅度的，甚至要重新設(shè)計電路和定制系統(tǒng)、重新編寫程序等，擴(kuò)展性不夠靈活，因此需花費很大工作量；2）引信裝定器的開發(fā)和維護(hù)需要若干開發(fā)者協(xié)同完成，但不同開發(fā)者使用的開發(fā)工具、編程語言很難統(tǒng)一，導(dǎo)致后期的模塊銜接問題出現(xiàn)。對于上述兩個問題目前系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)模型解決，它利用層次化方法將一個完整的系統(tǒng)劃分成彼此相鄰的多個層或模塊，各層（模塊）之間通過抽象接口連接，各層完成特定的功能。這種方法優(yōu)點是使得各層之間的調(diào)用關(guān)系清晰，高內(nèi)聚低耦合，使系統(tǒng)有較好配置性；缺點是這種結(jié)構(gòu)模型側(cè)重于面向應(yīng)用層，更適用于商業(yè)消費類嵌入式系統(tǒng)，對底層硬件接口及驅(qū)動問題的考慮不完善，不適合直接應(yīng)用到修正引信裝定器這種功能復(fù)雜且未來功能具有不確定性的特殊平臺上來。本文針對以上方法的不足，提出了基于分層插件的引信裝定器模型。

1 傳統(tǒng)分層架構(gòu)及插件技術(shù)

1.1 分層系統(tǒng)架構(gòu)

嵌入式技術(shù)是近年來風(fēng)靡全球的熱點技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用在各類電子產(chǎn)品中，而分層系統(tǒng)架構(gòu)是現(xiàn)今嵌入式平臺的主流系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方法。分層架構(gòu)方法是一種層次化的設(shè)計方法，將嵌入式系統(tǒng)分為軟件和硬件部分來實現(xiàn)，并按各功能模塊的調(diào)用次序進(jìn)一步將硬件部分分為硬件層和硬件抽象層，軟件部分分為操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層，各層之間單向調(diào)用和單向依賴，只有相鄰的上層可以調(diào)用下層（有時也允許跨層訪問）；操作系統(tǒng)的主要部件與硬件無關(guān)，可支持更多的硬件環(huán)境，易于進(jìn)行操作系統(tǒng)移植；硬件抽象層完成硬件的具體操作及接口抽象，向上提供面向應(yīng)用開發(fā)的編程接口，即面向應(yīng)用層的開發(fā)支持，同時提供面向系統(tǒng)開發(fā)的編程接口，即系統(tǒng)驅(qū)動的開發(fā)支持［1-2］。圖1 為傳統(tǒng)分層系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

圖1 分層系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Hierarchic system framework

分層系統(tǒng)架構(gòu)一般分4 層：硬件層、硬件抽象層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層。硬件層是組成嵌入式系統(tǒng)的載體、具體的硬件平臺，處于系統(tǒng)的最底層；其次是硬件抽象層，是一個與硬件密切相關(guān)的代碼層，主要作用是實現(xiàn)全部硬件的操作，并把這些操作抽象成統(tǒng)一的接口，以BSP（板級支持包）的形式供上層操作系統(tǒng)的內(nèi)核使用；操作系統(tǒng)層位于中間，它實現(xiàn)了操作系統(tǒng)的全部功能，主要包括內(nèi)核、內(nèi)存和文件管理、設(shè)備管理等等，此外系統(tǒng)資源及平臺級功能的定制也在這層完成；應(yīng)用層位于最頂層，是應(yīng)用程序的集成層，通過操作系統(tǒng)層提供的API（應(yīng)用程序開發(fā)接口）接口集開發(fā)實現(xiàn)具體的軟件應(yīng)用。

1.2 插件技術(shù)

插件模型是近年發(fā)展起來的一種軟件體系結(jié)構(gòu)，在軟件開發(fā)中有著越來越多的應(yīng)用。插件式體系結(jié)構(gòu)是一種非常靈活的組件式結(jié)構(gòu)，它把一個軟件程序的功能分割在幾個相互獨立的插件中，各個功能插件獨立于系統(tǒng)，獨立開發(fā)，并且可以動態(tài)地插入、刪除和替換到系統(tǒng)中［3-4］。其本質(zhì)在于不修改軟件主體的情況下，對軟件功能進(jìn)行擴(kuò)展與加強(qiáng)，通過制作相應(yīng)插件解決一些操作上的不便或增加新功能，實現(xiàn)“即插即用”的軟件開發(fā)。圖2為插件模型示意圖。

圖2 軟件插件模型Fig.2 Software plug-in model

插件模型一般包括兩部分：平臺（或稱主程序）和插件（或稱擴(kuò)展模塊）。平臺是一個程序的核心和基礎(chǔ)，實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能，按功能的不同又可把平臺分為兩部分：軟件內(nèi)核和插件管理。軟件內(nèi)核完成整個系統(tǒng)的通用功能部分，是軟件程序相對固化的部分；插件管理功能用于集成和管理插件，為插件與平臺的連接和通信提供標(biāo)準(zhǔn)接口支持。插件是平臺功能擴(kuò)展或升級的載體［5-6］。插件通過擴(kuò)展接口調(diào)用平臺功能，平臺通過插件接口調(diào)用插件功能，擴(kuò)展接口完全由平臺實現(xiàn)，插件接口完全由插件實現(xiàn)，單向通信。

插件體系結(jié)構(gòu)具有突出的優(yōu)點：1）提高軟件的復(fù)用性；2）增強(qiáng)功能模塊的封裝性和獨立性；3）不同功能組件的無縫銜接；4）很好地擴(kuò)展性；5）面向不同應(yīng)用層面的靈活性和可移植性［7-8］。

2 分層插件系統(tǒng)模型

將軟件工程的插件化思想引入到傳統(tǒng)嵌入式分層系統(tǒng)，對同一層相對獨立的組件進(jìn)行橫向劃分，不同層間建立相關(guān)組件的縱向聯(lián)系，形成一種分層插件系統(tǒng)模型。圖3為分層插件系統(tǒng)模型示意圖。傳統(tǒng)分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更像一種“串聯(lián)”式的交互結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)只能通過硬件抽象層提供的BSP 包對硬件進(jìn)行控制，應(yīng)用層的開發(fā)和維護(hù)也只能通過操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)集進(jìn)行，不同功能模塊的硬件抽象接口全部集合在了一個BSP中，不同的軟件模塊的代碼也是靜態(tài)地封裝在一起的，這樣當(dāng)硬件發(fā)生了變化或需增減相應(yīng)功能時，則需重新修改編譯整個硬件抽象層的BSP 包或在代碼層面對程序進(jìn)行更新，牽一發(fā)而動全身。而分層插件系統(tǒng)模型則像“并聯(lián)”式的交互結(jié)構(gòu)，各層以“平臺”的形式存在，層的內(nèi)容按功能進(jìn)行劃分，對上層提供的接口相互獨立，即多條數(shù)據(jù)和指令的“通道”并行工作，獨立開發(fā)和維護(hù)，對一項功能的增加刪除不會影響到另一項功能。

圖3 分層插件系統(tǒng)模型Fig.3 Hierarchic plug-in system model

分層插件系統(tǒng)模型的插件有別于軟件工程中的插件概念，是一個更為抽象的軟硬件封裝形式（如圖4）。一個插件包括了硬件、驅(qū)動程序、API函數(shù)和軟件程序模塊。硬件位于系統(tǒng)的硬件層，是插件的基石，通過標(biāo)準(zhǔn)接口與硬件層平臺銜接，以插拔形式完成插件的增加或刪減；其上是驅(qū)動程序，是一個實現(xiàn)硬件具體操作和提供抽象接口供操作系統(tǒng)使用的安裝包，位于硬件抽象層，可在操作系統(tǒng)中隨時安裝和卸載；再往上是API函數(shù)，由操作系統(tǒng)層提供，此層的插件化需要操作系統(tǒng)的支持，應(yīng)采用構(gòu)件式的可定制操作系統(tǒng)；頂部是軟件程序模塊，它不再是主程序代碼中的子代碼，而是以封裝好的軟件插件形式供應(yīng)用層平臺使用，和前章所描述的軟件插件是一致的。

硬件層、硬件抽象層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層的通用部分以平臺形式固化存在，而按功能細(xì)分的插件構(gòu)成了各層的主要內(nèi)容。在分層插件系統(tǒng)中，一項功能插件的增加變得和搭積木一樣簡單，只需將4個部分分別連接到所屬層的標(biāo)準(zhǔn)接口上就可立即使用，舊的插件進(jìn)行修改更新只在自身內(nèi)部進(jìn)行，不會影響到平臺和其他插件，不同開發(fā)人員實現(xiàn)的插件按標(biāo)準(zhǔn)接口無縫銜接，插件與插件間高內(nèi)聚低耦合，并“即插即用”，符合信息交聯(lián)系統(tǒng)的使用習(xí)慣需要，擁有良好的擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

圖4 插件模型Fig.4 Plug-in component

3 應(yīng)用實例

一維射程修正引信裝定器為修正引信提供星歷數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、射擊任務(wù)數(shù)據(jù)等，并計劃逐步添加對引信的測試、檢驗等擴(kuò)展功能。系統(tǒng)目前通過GPS接收機(jī)產(chǎn)生星歷數(shù)據(jù)，手動導(dǎo)入氣象文件獲取氣象，手動輸入射擊任務(wù)信息，而今后很可能改用北斗接收機(jī)獲取星歷，添加無線氣象接收模塊收取戰(zhàn)場氣象廣播，智能產(chǎn)生射擊任務(wù)數(shù)據(jù)。因此計劃采用分層插件系統(tǒng)模型改造裝定器系統(tǒng)平臺，迎合目前和未來的擴(kuò)展升級需求，方便開發(fā)維護(hù)?，F(xiàn)已完成了部分模塊的插件化改造工作，其中GPS接收機(jī)的插件化是典型的分層插件模型應(yīng)用。圖5為裝定器在分層結(jié)構(gòu)下的示意圖，圖6為裝定器插件化后的示意圖。

首先將硬件平臺上的外設(shè)接口全部改為標(biāo)準(zhǔn)接口，除處理核芯最小系統(tǒng)外的其他硬件均通過標(biāo)準(zhǔn)接口與處理核芯相連，GPS 接收機(jī)添加了轉(zhuǎn)換接口，以使得和標(biāo)準(zhǔn)接口一致。接收機(jī)的寄存器讀寫和資源配置等具體的硬件操作封裝為一個驅(qū)動包，插上接收機(jī)后在操作系統(tǒng)中進(jìn)行安裝。操作系統(tǒng)選擇具有良好圖形交互界面的WinCE6.0 嵌入式操作系統(tǒng)，由于其是可定制的構(gòu)件式操作系統(tǒng)，因此可以按照接收機(jī)和其他硬件模塊需要的API進(jìn)行系統(tǒng)裁剪，僅保留需要的系統(tǒng)部分，整個操作系統(tǒng)的定制和建立，可在1h內(nèi)完成。最后開發(fā)GPS接收機(jī)子程序插件，并按照軟件工程插件化的方法將主程序平臺化，分別實現(xiàn)擴(kuò)展接口和插件接口，使用時，直接在主程序中導(dǎo)入GPS 接收機(jī)插件即可使用。接收機(jī)的程序和驅(qū)動開發(fā)獨立完成，使用時即時安裝即時使用。

圖5 分層結(jié)構(gòu)的裝定器Fig.5 Fuse setter based on hierarchic framework

圖6 插件化后的裝定器Fig.6 Fuse setter based on hierarchic plug-in component

原來的GPS接收機(jī)通過專用接口和系統(tǒng)硬件電路板相連，接收機(jī)的驅(qū)動和其他硬件模塊的驅(qū)動在一塊形成BSP，接收機(jī)相關(guān)的程序代碼也作為整個程序代碼的一部分和其他程序代碼在一塊，若更換其他型號的接收機(jī)（如北斗）或更改程序功能，則需使用新的配套接口，重新畫板，設(shè)計新的硬件電路圖，重寫B(tài)SP，并修改裝定器的軟件程序代碼，重新編譯生成新軟件。將接收機(jī)插件化后，其功能模塊的開發(fā)維護(hù)和升級擴(kuò)展都變得清晰容易很多，由于各層都使用標(biāo)準(zhǔn)接口和平臺相連，因此變動修改只在插件內(nèi)部進(jìn)行，不需變動整個平臺。

4 結(jié)論

本文提出了適用于彈道修正引信裝定器的分層插件系統(tǒng)模型。該模型在傳統(tǒng)分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入插件化思想，將通用功能的部分固化，其他功能部分以插件形式實現(xiàn)，形成以插件為核心內(nèi)容的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。應(yīng)用實例表明這種系統(tǒng)模型在系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)升級擴(kuò)展、及各模塊的銜接問題上都較傳統(tǒng)分層系統(tǒng)有較大改善，更適合于具有復(fù)雜功能需求的修正引信裝定器系統(tǒng)平臺。

目前國外已經(jīng)實現(xiàn)了加榴炮裝定器標(biāo)準(zhǔn)化，一門火炮的裝定器可以裝定炮射導(dǎo)彈、彈道修正引信、多選擇引信、近炸引信和電子時間引信。但是并非所有火炮都配炮射導(dǎo)彈和彈道修正引信，使用本文提出的模型，有利于實現(xiàn)國內(nèi)加榴炮裝定器的標(biāo)準(zhǔn)化以及為低配置火炮配置低成本裝定器的目標(biāo)。

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