基于RTX子系統(tǒng)的導(dǎo)彈試驗實時測控系統(tǒng)

韓玉芹，祖先鋒，梁旭榮

(空軍第一航空學(xué)院 軍械裝置教研室，河南 信陽 464000)

1 引言

空空導(dǎo)彈試驗實時測控系統(tǒng)是某型號導(dǎo)彈武器半實物仿真試驗的重要組成部分[1]，服務(wù)于新型導(dǎo)彈的研制、試驗、優(yōu)化和評估。依據(jù)現(xiàn)代導(dǎo)彈武器發(fā)展的特點，仿真試驗系統(tǒng)應(yīng)具有嚴格的實時響應(yīng)能力、較強的通用性、較好的開放性、良好的交互方式、分布式的任務(wù)協(xié)作和廣泛的數(shù)據(jù)信息源[2]。

在仿真試驗中，信號的檢測和處理、數(shù)據(jù)的顯示和儲存、性能參數(shù)的評價、信息交互的實現(xiàn)、過程的控制等，也是一個比較復(fù)雜且非常重要的環(huán)節(jié)[3]。這就需要根據(jù)仿真試驗的要求，將導(dǎo)彈實物與各種仿真設(shè)備及仿真機之間進行必要的連接；在不同的仿真設(shè)備間進行實時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)通訊和信號傳遞，確保整個仿真系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作；實現(xiàn)仿真試驗各個環(huán)節(jié)的全過程控制；實時監(jiān)控各種仿真設(shè)備及仿真機的工作情況；實現(xiàn)仿真試驗的數(shù)據(jù)顯示及其演算；實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入輸出的模型仿真驗證及故障重現(xiàn)等。因此，在導(dǎo)彈半實物仿真試驗中的測控系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)實時仿真和實時測控，起到核心控制協(xié)調(diào)作用。

2 測試需求分析

測試需求分析是測控系統(tǒng)集成最為重要的起點，全面準(zhǔn)確合理的需求分析是系統(tǒng)構(gòu)建和項目成功的關(guān)鍵和前提[4]。

2.1 系統(tǒng)主要功能

該測控系統(tǒng)用于某型號空空導(dǎo)彈半實物仿真試驗中與仿真計算機、轉(zhuǎn)臺以及參試部件連接，通過實時光纖網(wǎng)將各個仿真分系統(tǒng)和試驗產(chǎn)品組成一個分布式網(wǎng)絡(luò)，不僅可以完成綜合供電、時序控制、數(shù)據(jù)的采集控制、模型仿真驗證、產(chǎn)品動態(tài)測試、故障重現(xiàn)與診斷等功能，還通過良好的人機界面，對整個仿真系統(tǒng)包括產(chǎn)品的試驗狀態(tài)給出全面的顯示。實時測控系統(tǒng)主要功能如下：

2.1.1 實時采集通訊功能

以0.5ms為幀周期，可同時采集16路A/D數(shù)據(jù)并實時放到VMIC實時網(wǎng)上，包括數(shù)據(jù)顯示、狀態(tài)監(jiān)控、綜合測試信號產(chǎn)生(正弦、鋸齒波、方波等)以及實時數(shù)據(jù)采集均可以通過VMIC實時網(wǎng)輸出。

2.1.2 嚴格的定時器功能

具有嚴格的信號定時能力，能產(chǎn)生試驗所需的各種時序信號，控制仿真設(shè)備及參試部件的啟動，時間精度小于0.01ms。

2.1.3 多路電源程控功能

具有多路可編程控制線性直流電源，可提供參試部件所需的工作電源，包括模擬上電過程，設(shè)置上電控制。并且，可在控制臺面板上實時顯示部件的電壓、電流情況。

2.1.4 開環(huán)測試功能

在實時操作系統(tǒng)的支持下，生成各種測試信號作為參試部件的輸入，同時采集部件的輸出構(gòu)成開環(huán)仿真環(huán)境，進行各種開環(huán)測試。

2.1.5 仿真驗證功能

可實時將仿真數(shù)據(jù)、實彈飛行數(shù)據(jù)作為部件的輸入，同時采集部件的輸出，用于模型仿真驗證及故障重現(xiàn)。

2.1.6 功能模擬功能

具有控制部件功能模擬功能，在單部件半實物仿真時，實時模擬其他部件，完成部件間接口通訊。

2.1.7 實時曲線顯示功能

能夠通過反射式內(nèi)存接口板(VMIC)，實時與仿真計算機及仿真設(shè)備進行數(shù)據(jù)通訊，控制仿真設(shè)備的運行，實現(xiàn)仿真彈道、姿態(tài)、參試設(shè)備指令及反饋等曲線實時顯示。

2.1.8 參數(shù)運算功能

在產(chǎn)品半實物仿真結(jié)束后，能夠完成指令復(fù)算、誤差分析、頻譜分析、特征量統(tǒng)計、曲線顯示及試驗結(jié)果的自動生成。

2.1.9 時序檢測功能

能夠完成各種時序檢測功能，給出檢測結(jié)果。

2.1.10 接口檢測功能

具有強大的通訊接口檢測功能，在線檢測仿真設(shè)備及參試產(chǎn)品的工作狀態(tài)，進行故障診斷、報警及應(yīng)急處理等功能。

2.2 系統(tǒng)接口與信號

系統(tǒng)接口是測控系統(tǒng)硬件的重要組成部分，包括機械接口和電氣接口。機械接口包括：與測試有關(guān)的UUT結(jié)構(gòu)特征，如UUT接口連接器型號。電氣接口包括UUT工作接口、專用測試接口、內(nèi)置檢測接口等，需要編寫每個接口的接口控制文件，詳細分析和確定接口信號的特征、參數(shù)、控制關(guān)系、功能等。UUT電氣接口分析是UUT測試需求分析的重要部分，UUT測試項目、測試參數(shù)、測試方法和測試步驟的確定依賴于接口信號的特征。

3 測控系統(tǒng)方案設(shè)計

導(dǎo)彈試驗實時測控系統(tǒng)是空空導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)半實物仿真系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，主要包括實時控制計算機、實時顯示監(jiān)測計算機、實驗接口箱、操作臺、硬件板卡以及相應(yīng)的測試軟件等。系統(tǒng)利用實時光纖網(wǎng)將各個仿真分系統(tǒng)和試驗產(chǎn)品組成一個分布式網(wǎng)絡(luò)，采用雙聯(lián)機柜形式，則導(dǎo)彈試驗實時測控系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1導(dǎo)彈試驗實時測控系統(tǒng)組成框圖

實時測控系統(tǒng)由兩個較為獨立的實時控制部分和實時顯示部分組成，作為VMIC實時網(wǎng)的兩個節(jié)點。其中，實時控制計算機采用可靠性高的工控機，作為控制臺的核心，與各仿真單元(仿真計算機、轉(zhuǎn)臺控制、目標(biāo)模擬器等)之間通過光纖網(wǎng)連接，進行仿真試驗控制命令的傳達和設(shè)備狀態(tài)信息的收集。同時，通過測試資源板卡和實驗接口箱完成參試部件的測試和數(shù)據(jù)采集。實時顯示監(jiān)測計算機采用可靠性高的工控機，用來通過反射式內(nèi)存接口板(VMIC)，實時與仿真計算機及仿真設(shè)備進行數(shù)據(jù)通訊，控制仿真設(shè)備的運行，實現(xiàn)仿真彈道、姿態(tài)、參試設(shè)備指令及反饋等曲線實時顯示。實驗接口箱實現(xiàn)與參試產(chǎn)品連接和信號適配，將測試資源的A/D、D/A、D/D等接口信號引入?yún)⒃嚠a(chǎn)品的激勵測試過程。

4 RTX子系統(tǒng)實時開發(fā)

4.1 RTX實時子系統(tǒng)

導(dǎo)彈半實物仿真試驗對計算機操作系統(tǒng)提出了更高的要求：一方面，要求操作系統(tǒng)具有強大的通用功能，例如圖形顯示功能、支持數(shù)據(jù)庫技術(shù)、分布式處理技術(shù)、較強的硬件支持；另一方面，要求操作系統(tǒng)具有良好的實時性。而Windows系統(tǒng)不是嚴格意義上的實時系統(tǒng)，在實時應(yīng)用方面的缺點還比較多，例如，其中斷響應(yīng)時間有很大的不確定性，任務(wù)調(diào)度難以滿足時間性要求，而且任務(wù)切換時間不可預(yù)測。為此，采用RTX實時開發(fā)技術(shù)，克服了Windows系統(tǒng)實時性差的局限性，解決了測控系統(tǒng)實時與非實時任務(wù)兼容處理難的問題。

RTX是美國IntervalZero公司開發(fā)的Windows平臺的硬實時系統(tǒng)[5]，可以無縫地與Windows 系統(tǒng)結(jié)合，并且能夠充分利用其各種資源，包括各種通用資源、大量標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)和高效的內(nèi)存管理機制。RTX子系統(tǒng)利用IPC通信和同步機制，實現(xiàn)與Windows系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。RTX時鐘分辨率能夠達到100ns，而最小定時器周期可以做到100μs，這種精確定時機制對于滿足實時性至關(guān)重要。RTX應(yīng)用時被實現(xiàn)為一套庫的集合，包括動態(tài)庫和靜態(tài)庫[6]，利用Windows系統(tǒng)良好的可擴展體系結(jié)構(gòu)增加了一個實時子系統(tǒng)RTSS(Real-Time Subsystem)。運行時，RTSS調(diào)用自身的實時RTSS線程而不調(diào)用非實時的Win32線程，而且所有的RTSS線程總是優(yōu)于Win32線程取得調(diào)度權(quán)，以保證實時線程的優(yōu)先執(zhí)行，也包括Windows延遲過程調(diào)用和中斷服務(wù)等。

4.2 RTX實時驅(qū)動開發(fā)

儀器板卡的設(shè)備驅(qū)動程序是應(yīng)用程序與底層硬件之間的通信橋梁，而在Windows系統(tǒng)中，儀器板卡必須通過設(shè)備驅(qū)動程序來配置和管理其數(shù)據(jù)處理的各種信息。為此，利用RTX實時子系統(tǒng)的開放性，重新開發(fā)了所用儀器板卡在RTX環(huán)境下的驅(qū)動程序，以提高其實時性。

RTX子系統(tǒng)對硬件的操作十分方便，只需通過遍歷命令查找到相應(yīng)硬件的端口，就可以跳過驅(qū)動層直接操作硬件資源。PCI總線設(shè)備RTX驅(qū)動程序的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。PCI總線設(shè)備硬件和RTX基本內(nèi)核處于結(jié)構(gòu)底層，他們之間數(shù)據(jù)交互采用I/O或中斷方式進行。RTX基本內(nèi)核服務(wù)于RTX庫函數(shù)和PCI總線設(shè)備驅(qū)動程序，并通過他們對RTX基本內(nèi)核發(fā)送系統(tǒng)調(diào)用(System Call)來實現(xiàn)交互，而應(yīng)用程序處于整個結(jié)構(gòu)最上層，通過PCI總線設(shè)備驅(qū)動程序接口實現(xiàn)信息交互。

圖2 PCI總線設(shè)備RTX驅(qū)動程序的基本結(jié)構(gòu)

RTX子系統(tǒng)下PCI總線設(shè)備完整的驅(qū)動程序開發(fā)步驟如下[7]：

4.2.1 設(shè)備初始化

首先查找PCI總線設(shè)備，通過遍歷查找所有的PCI總線插槽，匹配兩個主要參數(shù)：設(shè)備ID和供應(yīng)商ID，一直到參數(shù)匹配即為找到設(shè)備，然后獲得內(nèi)存端口的基地址和相關(guān)中斷資源，便于后續(xù)操作。

4.2.2 從接口基地址到系統(tǒng)虛擬地址的映射

硬件設(shè)備操作時讀寫的是物理地址，而上層應(yīng)用程序操作時讀寫的是虛擬地址，驅(qū)動程序需要完成從物理地址到虛擬地址的映射工作。

4.2.3 讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備硬件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序

設(shè)備驅(qū)動程序的主要任務(wù)包括：一方面將從上層應(yīng)用程序下傳的數(shù)據(jù)通過設(shè)備硬件及時準(zhǔn)確地發(fā)送出去，另一方面及時地將從設(shè)備硬件接受到的數(shù)據(jù)上傳給上層應(yīng)用程序。在通常情況下，數(shù)據(jù)處理以及其它服務(wù)處理程序都會使用緩沖區(qū)，這樣當(dāng)服務(wù)程序處理完數(shù)據(jù)后，先對緩沖區(qū)進行清空便于后續(xù)的繼續(xù)使用；而某些數(shù)據(jù)處理時出現(xiàn)錯誤，則服務(wù)處理程序僅需收回緩沖區(qū)。

4.2.4 基本的控制操作

控制操作包含打開、關(guān)閉、等待、發(fā)送、清空等，以保證PCI總線設(shè)備在有序的情況下正常運行。

4.2.5 檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤

對設(shè)備檢測和處理中可能出現(xiàn)的錯誤給出足夠的提示信息，使得返回的錯誤在程序中有相應(yīng)的解釋。

4.3 RTX驅(qū)動開發(fā)PCI設(shè)備實例

采集板卡采用日本康泰克公司的16位A/D采集模塊AD16-16U(PCI總線)，主要包括16路單端輸入或8路差動輸入，最大轉(zhuǎn)換速度為1μsec/ch。根據(jù)上述驅(qū)動程序開發(fā)過程，以采集板卡AD16-16U為例開發(fā)其驅(qū)動程序如下：

4.3.1 初始化PCI設(shè)備

// PCI總線掃描，如果找到就使其處于工作狀態(tài)

BOOL RTFCNDCL ScanPCI( )

{for (bus = 0; flag; bus++) {

for (i = 0; i < PCI_MAX_DEVICES && flag; i++)

{ SlotNumber.u.bits.DeviceNumber = i;

for (f = 0; f < PCI_MAX_FUNCTION; f++){

//傳送設(shè)備ID和供應(yīng)商ID

if((PciData->VendorID== 0x1221)&&(PciData->DeviceID == 0x9193)){

//獲得基地址

liPhysAddr.QuadPart = PciData->u.type0.BaseAddresses[2];

liPhysAddr_IOControl.QuadPart

=PciData->u.type0.BaseAddresses[3];

flag = FALSE;

//找到PCI 設(shè)備

reValue = TRUE;

break; } } } }

return reValue; }

4.3.2 映射基地址

//將基本接口地址映射到系統(tǒng)映射地址

if(!RtTranslateBusAddress(PCIBus, 0, BAR1,&AddressSpace, &tBAR1 )){}

vBAR1 = (PCHAR)tBAR1.LowPart;

AD_PORT0_BASE0 = (PUCHAR)vBAR1 - 1;

4.3.3 對PCI基地址執(zhí)行讀寫操作

//初始化配置寄存器

RtWritePortUchar((AD_PORT0_BASE0+0x06), 0x03);

RtWritePortUchar((AD_PORT0_BASE0+0x07), 0xc7);

RtWritePortUchar((AD_PORT0_BASE0+0x07), 0x00);

//配置16路采集通道

for (int k=0;k<16;k++){

RtWritePortUchar((AD_PORT0_BASE0+0x06), 0x02);

RtWritePortUchar((AD_PORT0_BASE0+0x07), k);

RtWritePortUchar((AD_PORT0_BASE0+0x07), k);

}

//啟動16路信號采集

for(j=0;j<16;j++){

cY1 = RtReadPortUchar((AD_PORT0_BASE0+0x00));

cY2 = RtReadPortUchar((AD_PORT0_BASE0+0x01));

rp->Buffer[rp->count] = (((cY2<< 8)+cY1)*20.0)/65536.0 - 10;

rp->count = rp->count + 1;

}

4.3.4 控制操作

在PCI總線儀器板卡RTX實時驅(qū)動程序退出時，首先要關(guān)閉中斷，然后調(diào)用RtReleaseInterruptVector釋放中斷、RtUnmapMemory釋放內(nèi)存、RtDisablePortIO關(guān)閉I/O空間。

5 實時性驗證

導(dǎo)彈試驗實時測控系統(tǒng)一方面通過反射內(nèi)存網(wǎng)實現(xiàn)分布式實時仿真，另一方面基于RTX實時子系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)實時測控，并且具備多項測控任務(wù)，主要包括實時測量控制和實時顯示監(jiān)測兩大部分，分別運行在實時測量控制計算機和實時顯示監(jiān)測計算機上。

導(dǎo)彈試驗實時測控系統(tǒng)集仿真、測試、控制于一體，具有多項測控功能。其中，實時測量控制部分用來完成導(dǎo)彈產(chǎn)品的狀態(tài)控制和性能參數(shù)測試，主要包括實時采集通訊功能、嚴格的定時器功能、開環(huán)測試功能、仿真驗證功能和時序檢測功能等。實時顯示監(jiān)測部分用來實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)監(jiān)測，主要包括實時曲線顯示功能、電源程控功能、參數(shù)運算功能、數(shù)據(jù)管理功能和存儲打印功能等。

其中，實時測控系統(tǒng)中的實時采集通訊功能具有較強的代表性，既有實時采集、精確定時、實時網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葘崟r性任務(wù)，也有信號配置、數(shù)據(jù)曲線顯示、狀態(tài)監(jiān)控等非實時性任務(wù)，同時測控計算機和顯示計算機分別作為VMIC實時網(wǎng)絡(luò)節(jié)點參與實時數(shù)據(jù)傳輸。實時采集通訊功能要求在0.5ms仿真幀周期內(nèi)，測控計算機同時采集16路A/D數(shù)據(jù)并實時放到VMIC實時網(wǎng)上，而顯示計算機通過VMIC實時網(wǎng)及時接收數(shù)據(jù)并顯示出來。實時采集通訊軟件采用模塊化設(shè)計方法，由定時器模塊、D/A模擬量輸出模塊、A/D數(shù)據(jù)采集模塊、共享內(nèi)存模塊、VMIC網(wǎng)絡(luò)模塊等組成。其中，定時器模塊實現(xiàn)0.5ms定時器的設(shè)置、開啟和停止；D/A模擬量輸出模塊內(nèi)嵌D/A板卡驅(qū)動程序，控制板卡輸出模擬信號；A/D數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)嵌A/D板卡驅(qū)動程序，控制板卡采集數(shù)據(jù)；VMIC網(wǎng)絡(luò)模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸；共享內(nèi)存模塊實現(xiàn)共享內(nèi)存的建立、打開、寫入和讀取等。

實時采集通訊功能要求在0.5ms仿真幀周期內(nèi)實現(xiàn)，是體現(xiàn)半實物仿真實時性的重要指標(biāo)，為此，在VMIC網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送端和接收端每一個幀周期內(nèi)均增加時標(biāo)，然后計算其時間間隔，如圖3所示。由圖3可以看出，作為發(fā)送端的測控計算機，由于實時測控程序運行在RTSS子系統(tǒng)下，0.5ms幀周期得到了較好的保證，誤差僅為±0.05ms；而接收端的顯示計算機，由于其非實時程序運行于Win32環(huán)境下，幀周期誤差較大，達到0.3ms。

圖3 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送端和接收端時間間隔

實時采集通訊功能要求采集16路信號并通過VMIC實時網(wǎng)傳輸，為此，在接收端用一個文本文件將16路信號數(shù)據(jù)保存起來，然后以曲線方式顯示出來，如圖4所示為1～3通道數(shù)據(jù)波形(局部放大)。可以看出，信號波形完整，數(shù)據(jù)沒有丟失，說明VMIC實時網(wǎng)絡(luò)傳輸是穩(wěn)定可靠的。

圖4 通道1～3信號數(shù)據(jù)波形(局部放大)

6 結(jié)語

基于RTX子系統(tǒng)的導(dǎo)彈試驗實時測控系統(tǒng)是導(dǎo)彈武器半實物仿真試驗的重要組成部分，它集仿真、測試、控制于一體，通過反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)將仿真設(shè)備、實時測控系統(tǒng)和參試部件等連接起來，構(gòu)成分布式實時網(wǎng)絡(luò)，能夠用于新型導(dǎo)彈的研制、試驗、優(yōu)化和評估。系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、測試精度高、實時性好、自動化程度高、使用操作簡便。系統(tǒng)應(yīng)用RTX實時子系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，克服了Windows系統(tǒng)實時性差的局限性，增加了實時和非實時任務(wù)兼容處理能力，可完全滿足導(dǎo)彈半實物仿真試驗中實時仿真和實時測控的需要。

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