多模式雷達(dá)顯控終端軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

王善民，張曉峰，王 隨，徐 慧

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，江蘇 南京 211153)

0 引 言

自20世紀(jì)30年代誕生以來，在軍事需求和電子信息技術(shù)發(fā)展的推動下，雷達(dá)系統(tǒng)的體制、理論、方法、技術(shù)和應(yīng)用等方面都已得到迅猛的發(fā)展。隨著電磁環(huán)境的復(fù)雜化，目標(biāo)的多樣化，任務(wù)的多元化，雷達(dá)的功能日益豐富，體制日益復(fù)雜，信息顯示模式日益增加。

顯控終端是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，肩負(fù)著雷達(dá)工作狀態(tài)的監(jiān)控、雷達(dá)目標(biāo)數(shù)據(jù)的提取和記錄、目標(biāo)顯示、人機(jī)交互等任務(wù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)等的不斷發(fā)展，雷達(dá)顯控終端的研制經(jīng)歷了從模擬終端到全數(shù)字終端的發(fā)展過程。從最初只能提供模擬視頻回波與聲音，發(fā)展到現(xiàn)在既能夠提供數(shù)字回波與聲音又能夠提供文字與圖像的全軟件化終端，顯示的目標(biāo)信息更加豐富多樣，交互方式也變得更加靈活便捷[1]。

顯控終端的核心就是運(yùn)行在其硬件平臺上的顯控終端軟件，雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展對顯控終端軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)提出了更高的要求，一個(gè)好的軟件架構(gòu)能直接影響顯控終端乃至整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的性能，顯控終端軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性日益突出。本文分析和歸納了多模式雷達(dá)顯控終端軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)方式[2-6]，提出了一種改進(jìn)的框架-插件式架構(gòu)，有效提高了軟件開發(fā)的效率，在實(shí)際使用中取得了良好的效果。

1 多模式顯控終端軟件架構(gòu)

雷達(dá)體制復(fù)雜度的提高，雷達(dá)信息顯示模式的增多，數(shù)據(jù)流量的增大，必然帶來顯控終端軟件復(fù)雜度的提高，以往的單界面、單程序的專用顯控終端開發(fā)模式已經(jīng)不足以完成當(dāng)前雷達(dá)顯控終端的工作任務(wù)，因此，多模式顯控終端軟件架構(gòu)出現(xiàn)在顯控終端軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)中。其主要包括3種形式，集合式軟件架構(gòu)、集中式軟架構(gòu)和插件-框架式軟件架構(gòu)。

1.1 集合式軟件架構(gòu)

集合式軟件架構(gòu)主要采用多個(gè)子應(yīng)用程序組合完成顯控終端的功能，這種形式的顯控終端軟件，是多個(gè)提供不同功能的實(shí)體子程序的集合。此種架構(gòu)下每個(gè)子程序都可以獨(dú)立運(yùn)行，顯控終端內(nèi)的數(shù)據(jù)交互通過各個(gè)子程序之間的通訊完成，多采用網(wǎng)絡(luò)廣播報(bào)文的形式。這種軟件架構(gòu)可稱之為集合式軟件架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 集合式框架示意圖

1.2 集中式軟件架構(gòu)

集中式軟件架構(gòu)是對集合式軟件架構(gòu)的發(fā)展，這種形式的顯控終端軟件，仍然是多個(gè)提供不同功能的實(shí)體子程序的集合。與集合式軟件架構(gòu)的區(qū)別是，集中式軟件架構(gòu)采用一個(gè)子程序作為管理程序。管理程序提供數(shù)據(jù)中心、模式切換、調(diào)度處理等功能，如圖2所示。這種架構(gòu)較集合式軟件架構(gòu)組織邏輯更加清晰，提高了兼容性和可擴(kuò)展性，通訊鏈路利用率高，相對縮短了開發(fā)周期。

圖2 一個(gè)包含4個(gè)子程序和一個(gè)管理程序的集中式軟件框架示意圖

1.3 插件-框架式軟件架構(gòu)

隨著鏈接庫技術(shù)在顯控終端軟件開發(fā)中的應(yīng)用，插件-框架式軟件架構(gòu)開始出現(xiàn)。

鏈接庫是一種可執(zhí)行代碼的二進(jìn)制形式，可以被操作系統(tǒng)載入內(nèi)存執(zhí)行。一個(gè)鏈接庫不是一個(gè)獨(dú)立的程序，無法直接運(yùn)行，它們是向其他應(yīng)用程序提供服務(wù)的代碼，作用在程序的鏈接和運(yùn)行階段，包括靜態(tài)庫和動態(tài)庫2種形式。

插件-框架式軟件架構(gòu)就是對庫的應(yīng)用，此種架構(gòu)下，顯控終端程序是由1個(gè)框架程序加多個(gè)插件(庫)組成的，每個(gè)插件是一個(gè)功能相對獨(dú)立及完善的庫。程序執(zhí)行時(shí)，框架程序根據(jù)需求，加載不同的插件(庫)，組合形成某一特定的工作模式，如圖3所示。

插件-框架式軟件架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：提高了軟件的開發(fā)效率，框架開發(fā)和插件開發(fā)可以同步進(jìn)行，框架和插件的更新發(fā)布也相對獨(dú)立；便于維護(hù)，對框架的維護(hù)和對插件的維護(hù)可以分開進(jìn)行，出現(xiàn)問題時(shí)，只需要修改相關(guān)的插件即可，增加了程序的可靠性和可維護(hù)性；利于擴(kuò)展，要擴(kuò)展功能可以封裝成新的插件，共框架調(diào)用。

圖3 插件-框架式軟件架構(gòu)示意圖

1.4 對比分析

3種軟件架構(gòu)方式各自的特點(diǎn)如表1所示。

表1 3種軟件架構(gòu)對比表

2 一種改進(jìn)的框架-插件式軟件架構(gòu)

某型系統(tǒng)中，顯控終端需要整合雷達(dá)、通信、光電等多型設(shè)備或多種作戰(zhàn)方式的使用需求，跨越單個(gè)設(shè)備界限，從作戰(zhàn)的角度對全系統(tǒng)所有設(shè)備的作戰(zhàn)能力進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的操控，以一致的風(fēng)格進(jìn)行人機(jī)交互。因此，需要設(shè)計(jì)可擴(kuò)展的、支持重構(gòu)的顯控終端軟件的架構(gòu)，使得顯控終端軟件具有動態(tài)擴(kuò)展的能力，單個(gè)插件能夠無縫替換升級，通過重構(gòu)集成新的功能模塊，滿足新的作戰(zhàn)需求。為實(shí)現(xiàn)上述需求，一種改進(jìn)的框架-插件式軟件架構(gòu)被提出。

改進(jìn)的框架-插件式軟件架構(gòu)，采用開放式的軟件體系結(jié)構(gòu)，以框架平臺和共性插件為基礎(chǔ)，提供軟件集成環(huán)境，采用軟件插件技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)。軟件架構(gòu)分為系統(tǒng)軟件層、支撐軟件層、業(yè)務(wù)軟件層和應(yīng)用軟件層，如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的框架-插件軟件架構(gòu)

(1) 系統(tǒng)軟件層包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動和硬件接口等軟件。

(2) 支撐軟件層主要包括共性插件和綜合框架平臺，為業(yè)務(wù)軟件層的業(yè)務(wù)插件開發(fā)和應(yīng)用軟件層業(yè)務(wù)應(yīng)用組合成各個(gè)功能模塊提供統(tǒng)一的平臺。共性插件主要包括通信接口、用戶管理插件等。

(3) 業(yè)務(wù)軟件層是以共性插件為基礎(chǔ)，根據(jù)業(yè)務(wù)劃分或用戶定制，形成一系列的完成特定功能的業(yè)務(wù)插件，如設(shè)備狀態(tài)、操控、表頁顯示、態(tài)勢顯示、地圖顯示、歷史記錄、數(shù)據(jù)庫管理等。業(yè)務(wù)軟件層的所有業(yè)務(wù)插件在綜合框架平臺集成，即插即用。

(4) 應(yīng)用軟件層是根據(jù)系統(tǒng)的任務(wù)及實(shí)際作戰(zhàn)應(yīng)用，動態(tài)加載或卸載業(yè)務(wù)插件，形成或重構(gòu)為一系列完備的獨(dú)立的作戰(zhàn)功能模式，運(yùn)行在綜合框架平臺上。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

此軟件架構(gòu)用Qt實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用了Qt的信號-槽(Signal-Slot)技術(shù)[7]。Qt是一個(gè)純面向?qū)ο蟮目缙脚_的軟件界面開發(fā)包，對象之間通過信號-槽機(jī)制進(jìn)行通信，可以實(shí)現(xiàn)一對一、一對多，多對多的對象通信。信號-槽機(jī)制提供了任意2個(gè)對象之間通信的機(jī)制。每個(gè)對象可以聲明自己的信號Signal，聲明響應(yīng)函數(shù)Slot，每個(gè)Signal可以通過Qt的Connect機(jī)制連接到任意數(shù)量的Slot，每個(gè)Slot也可以接收任意數(shù)量的Signal的請求。Qt對象通過Signals聲明信號，通過Slots聲明槽函數(shù)，然后通過Connect函數(shù)將2個(gè)對象的信號和槽進(jìn)行連接。

綜合框架平臺中的所有共性插件及業(yè)務(wù)插件都派生自一個(gè)共有的基類MyPlugin，類MyPlugin中包含2個(gè)虛函數(shù)Virtual void Init()=0和Virtual void Exit()=0，每個(gè)自繼承MyPlugin的插件在這2個(gè)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)插件加載和卸載時(shí)的操作。每個(gè)插件在被框架加載前，都需要實(shí)例化，采用專用的插件管理類MyPluginManager來進(jìn)行插件的注冊和管理，如圖5所示。

4 結(jié)束語

本文圍繞多模式雷達(dá)顯控終端軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，分析和歸納了當(dāng)前的顯控終端軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)方式。針對某型系統(tǒng)中，顯控終端需要整合雷達(dá)、通信、光電等多型設(shè)備或多種作戰(zhàn)方式的使用需求，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的框架-插件式軟件架構(gòu)，使得顯控終端軟件具有動態(tài)擴(kuò)展及重構(gòu)的能力，滿足了新的作戰(zhàn)需求。

圖5 改進(jìn)的框架-插件軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)示意圖