張健楠

(中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065)

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RTX實(shí)時(shí)系統(tǒng)在半實(shí)物仿真中的應(yīng)用

張健楠

(中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065)

文中介紹了一種應(yīng)用于紅外制導(dǎo)體制半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的通信接口設(shè)計(jì)方法，此方法針對(duì)以往采用的Windows系統(tǒng)通信不夠?qū)崟r(shí)、定時(shí)不夠穩(wěn)定等缺點(diǎn)，提出了一種基于Windows+RTX的仿真應(yīng)用架構(gòu)，通過(guò)增加RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展子系統(tǒng)，使得仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和開(kāi)發(fā)效率得到了大幅提高；探討了在半實(shí)物仿真中開(kāi)發(fā)的要點(diǎn)，給出了一種通用的開(kāi)發(fā)模式及流程，設(shè)計(jì)了共享內(nèi)存及任務(wù)調(diào)度的編寫(xiě)算法共享內(nèi)存機(jī)制的建立，保證了上位機(jī)MFC界面與下位機(jī)實(shí)時(shí)通信模塊之間的協(xié)同工作；經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，該系統(tǒng)應(yīng)用在紅外制導(dǎo)仿真系統(tǒng)回路中具有實(shí)時(shí)性高、靈活性好、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，同時(shí)降低了半實(shí)物仿真系統(tǒng)的復(fù)雜度。

半實(shí)物仿真；實(shí)時(shí)系統(tǒng)；RTX；進(jìn)程調(diào)度

0 引言

半實(shí)物仿真又稱為物理-數(shù)學(xué)仿真，準(zhǔn)確稱謂是硬件(實(shí)物)在回路中(hardware in the loop)的仿真[1]。它以數(shù)學(xué)模型的方式來(lái)表征系統(tǒng)的部分功能，并將其轉(zhuǎn)換為仿真計(jì)算模型，而仿真回路所需的另一部分則是以實(shí)物(或物理模型)的方式引入的。

對(duì)于半實(shí)物仿真系統(tǒng)，由于實(shí)際對(duì)象和物理效應(yīng)模擬設(shè)備實(shí)物的接入，要求系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，以更真實(shí)地仿真實(shí)際系統(tǒng)的工作特性。所以，實(shí)時(shí)性的要求對(duì)于半實(shí)物仿真系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就顯得十分重要。實(shí)時(shí)性是一個(gè)相對(duì)的概念，即計(jì)算機(jī)運(yùn)算、監(jiān)測(cè)和控制事件的產(chǎn)生能夠滿足被控對(duì)象對(duì)相關(guān)事件時(shí)延特性要求的性能。實(shí)時(shí)并不是“快”的意思，它指的是系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)特性。實(shí)時(shí)性的衡量標(biāo)準(zhǔn)是最壞情況下的響應(yīng)特性而不是系統(tǒng)的平均相應(yīng)時(shí)間特性。

本文正是基于以上背景，對(duì)應(yīng)用在紅外制導(dǎo)體制半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中的Windows+RTX實(shí)時(shí)通信模塊進(jìn)行了研究。首先對(duì)該系統(tǒng)的架構(gòu)和工作原理進(jìn)行了系統(tǒng)描述；其次對(duì)半實(shí)物仿真中實(shí)時(shí)通信軟件的開(kāi)發(fā)方法進(jìn)行了探討；最后對(duì)該系統(tǒng)在實(shí)際的半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用給出了數(shù)據(jù)分析和結(jié)論。

1 RTX架構(gòu)及實(shí)時(shí)原理

RTX被實(shí)現(xiàn)為一套靜態(tài)庫(kù)和動(dòng)態(tài)庫(kù)的集合，RTSS作為RTX采用HAL擴(kuò)展技術(shù)為Windows系統(tǒng)安裝的實(shí)時(shí)子系統(tǒng)，通過(guò)一套實(shí)時(shí)API實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)對(duì)象的擴(kuò)展和調(diào)度[1]。同時(shí)，HAL通過(guò)在Windows XP和RTX線程之間增加中斷隔離，以保證在運(yùn)行RTSS線程時(shí)，屏蔽所有Windows系統(tǒng)的控制中斷，保證Windows下RTSS線程的實(shí)時(shí)性。

系統(tǒng)中對(duì)內(nèi)存、IRQ、I/O的精確控制都可以通過(guò)RTX來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣就確保了實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行時(shí)具有100%的可靠性。RTX支持30 KHz的持續(xù)中斷觸發(fā)速度，平均IST延遲小于1 μs。

RTX中動(dòng)態(tài)庫(kù)與靜態(tài)庫(kù)中的函數(shù)均以Rt開(kāi)頭，用戶進(jìn)入RTSS的方法是對(duì)庫(kù)函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，且Win32也可以調(diào)用這些庫(kù)函數(shù)[2]，如圖1。RTSS擁有其獨(dú)立的進(jìn)程間通訊、中斷、時(shí)鐘、IO管理、進(jìn)程線程管理機(jī)制，這一點(diǎn)和其它的實(shí)時(shí)系統(tǒng)是一致的。RTSS線程優(yōu)先級(jí)個(gè)數(shù)為128個(gè)，見(jiàn)表1。RTX與Windows之間的數(shù)據(jù)通信是通過(guò)應(yīng)用高速的IPC信息和同步機(jī)制來(lái)完成的。RTX的時(shí)鐘分辨率可以達(dá)到100 ns，這使得它的最小定時(shí)器周期可以做到100 μs，滿足多數(shù)情況下的需要。

表1 RTSS與Win32線程優(yōu)先級(jí)比對(duì)表

圖1 RTX對(duì)Win32的擴(kuò)展架構(gòu)

2 半實(shí)物仿真實(shí)時(shí)通信軟件的開(kāi)發(fā)方法

2.1 半實(shí)物仿真軟件設(shè)計(jì)流程

RTX支持標(biāo)準(zhǔn)的Windows編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，半實(shí)物仿真軟件的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。利用向?qū)?chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)RTX工程和MFC工程，Windows系統(tǒng)下的MFC工程負(fù)責(zé)人機(jī)交互等功能的實(shí)現(xiàn)，完成上位機(jī)的功能；而RTX工程則負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)通信，包括采集部件的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)輸出等，完成下位機(jī)的功能。上、下位機(jī)之間信息的交互是通過(guò)RTX線程的調(diào)度及共享內(nèi)存機(jī)制完成的。

圖2 半實(shí)物仿真軟件設(shè)計(jì)框圖

2.2 MFC界面設(shè)計(jì)

半實(shí)物仿真軟件除了要完成實(shí)時(shí)通信的功能，良好的操作界面也是必不可少的。MFC模塊主要完成了Windows下的操作界面的設(shè)計(jì)，功能主要包括對(duì)導(dǎo)引頭光軸、波門的控制，對(duì)導(dǎo)引頭鎖定、解鎖的操作，仿真條件的設(shè)置，對(duì)彈上計(jì)算機(jī)擊發(fā)等指令的發(fā)出，采集舵機(jī)及彈上計(jì)算機(jī)的模擬指令信號(hào)，采集導(dǎo)引頭框架角及視線角速度信號(hào)并在MFC界面中實(shí)時(shí)圖形顯示。而RTSS進(jìn)程是在MFC程序初始化過(guò)程中開(kāi)啟的，并通過(guò)共享內(nèi)存在實(shí)時(shí)模塊與非實(shí)時(shí)模塊之間傳遞仿真初始化參數(shù)。

2.3 RTSS實(shí)時(shí)通信設(shè)計(jì)

RTSS實(shí)時(shí)通信模塊在MFC模塊初始化即啟動(dòng)，并讀取共享內(nèi)存中的仿真初始條件設(shè)置，然后啟動(dòng)Timer定時(shí)模塊完成精確的1 ms定時(shí)，并在一個(gè)定時(shí)周期內(nèi)，讀取上位機(jī)的指令，完成各部件數(shù)據(jù)的采集，并實(shí)時(shí)輸出給仿真機(jī)進(jìn)行彈道解算。

在這一模塊中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，RTX環(huán)境下板卡驅(qū)動(dòng)的編寫(xiě)以及試驗(yàn)過(guò)程中的軟保護(hù)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2.4 Windows與RTSS之間的交互設(shè)計(jì)

共享內(nèi)存機(jī)制是RTX提供的用于實(shí)時(shí)進(jìn)程與非實(shí)時(shí)進(jìn)程之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的重要方式，也是半實(shí)物仿真軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其原理框圖如圖3所示。

圖3 進(jìn)程間共享內(nèi)存框架

共享內(nèi)存的創(chuàng)建是在MFC的初始化程序中完成的，這里需要用到一個(gè)函數(shù)：

RtCreateSharedMemoryA(PAGE_READWRITE,0,size,name,&pMem);

而打開(kāi)一片共享內(nèi)存是通過(guò)調(diào)用RTX的內(nèi)存打開(kāi)函數(shù)完成的，如下所示：

RtOpenSharedMemoryA ( SHM _MAP _WR ITE, FALSE, name, &pMem) ;

3 半實(shí)物仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

將Windows+RTX模式的設(shè)計(jì)應(yīng)用到某型號(hào)導(dǎo)彈半實(shí)物仿真中，開(kāi)發(fā)了基于MFC+RTSS的仿真應(yīng)用平臺(tái)。仿真周期為1 ms。試驗(yàn)中，仿真計(jì)算機(jī)運(yùn)行導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，實(shí)時(shí)輸出導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)信號(hào)(x,y,z,vx,vy,vz,ax,ay,az)和姿態(tài)角、彈目視線角數(shù)據(jù)，通過(guò)仿真接口送給彈載計(jì)算機(jī)和五軸轉(zhuǎn)臺(tái)，姿態(tài)角(γ,?,ψ)以及彈目視線角控制五軸轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)；紅外圖像目標(biāo)模擬器安裝在五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的目標(biāo)軸(外兩軸)上，其光學(xué)出瞳位于導(dǎo)引頭入瞳位置，按照彈目相對(duì)關(guān)系輸出動(dòng)態(tài)紅外圖像；彈載計(jì)算機(jī)放置在試驗(yàn)臺(tái)上，慣性導(dǎo)航裝置、導(dǎo)引頭和彈載端機(jī)安裝在五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的內(nèi)三軸上；慣性測(cè)量裝置隨同轉(zhuǎn)臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)，慣性導(dǎo)航裝置測(cè)量獲得導(dǎo)彈姿態(tài)角信號(hào)、角速率信號(hào)、導(dǎo)彈位置、速度、加速度誤差信號(hào)(轉(zhuǎn)臺(tái)沒(méi)有線位移，慣性測(cè)量裝置測(cè)得零位移運(yùn)動(dòng)誤差信號(hào))；導(dǎo)引頭敏感目標(biāo)背景圖像，通過(guò)光纖傳輸系統(tǒng)給圖像跟蹤器，并接收武器站跟蹤指令跟蹤目標(biāo)，輸出視線角速度；彈載計(jì)算機(jī)采集導(dǎo)引頭的視線角速度，慣性導(dǎo)航裝置輸出的姿態(tài)角、角速率，并綜合仿真專用接口和慣性測(cè)量裝置的導(dǎo)彈位置、速度、加速度誤差信號(hào)作為控制系統(tǒng)模型輸入。彈載計(jì)算機(jī)針對(duì)控制模型輸入?yún)?shù)，運(yùn)行控制模型，分段形成控制指令(姿態(tài)控制，中制導(dǎo)的位置控制，末制導(dǎo)的比例導(dǎo)引、過(guò)載及落角控制)，通過(guò)D/A接口送給舵機(jī)；舵機(jī)跟隨控制指令運(yùn)動(dòng)，形成舵偏角，通過(guò)A/D接口到VMIC轉(zhuǎn)換送給仿真計(jì)算機(jī)；仿真計(jì)算機(jī)根據(jù)舵偏角計(jì)算控制力和控制力矩實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈閉環(huán)控制。其中部分仿真的技術(shù)參數(shù)如下：

1)仿真周期：1 ms；

2)彈載計(jì)算機(jī)的指令計(jì)算周期：1 ms；

3)五軸轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)三軸最大加速度分別為：3 500°/s2，4 500°/s2,12 000°/s2，外兩軸最大加速度分別為：1 000°/s2，1 000°/s2 ；

基于五軸轉(zhuǎn)臺(tái)半實(shí)物仿真(紅外成像制導(dǎo))系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 半實(shí)物仿真系統(tǒng)原理圖

仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

如圖所示，部件發(fā)出的數(shù)據(jù)與采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)延遲小，無(wú)丟幀情況，數(shù)據(jù)響應(yīng)穩(wěn)定，滿足半實(shí)物仿真的要求。

4 結(jié)論

圖5 各部件輸出的時(shí)標(biāo)

圖6 仿真輸出與部件輸出數(shù)據(jù)對(duì)比

文中對(duì)應(yīng)用在紅外尋的制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)通信模塊進(jìn)行了研究。首先詳細(xì)的分析了RTX技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，給出了基于Windows+RTX實(shí)時(shí)通信模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法，對(duì)MFC界面的設(shè)計(jì)、RTSS實(shí)時(shí)進(jìn)程的設(shè)計(jì)以及進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交互方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。最后將該模塊引入到半實(shí)物仿真系統(tǒng)中進(jìn)行了測(cè)試和檢驗(yàn)，結(jié)果表明該模塊設(shè)計(jì)良好，性能優(yōu)越，滿足紅外尋的制導(dǎo)半實(shí)物仿真的要求。

[1] 單家元，孟秀云，丁 艷，等. 半實(shí)物仿真[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

[2] Mike Cherepov,Mike Hirst,Chris Jones,et al.Hard Real-time with Venturcom RTX on Microsoft Windows XP and Windows XP Embedded[R]. Microsoft MSDN, 2002.

[3] Ardence Inc. RTX SDK Help Document [Z].

[4] 黃 鍵，宋 曉，薛順虎. RTX平臺(tái)下實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2009，26 (4)：167-169.

[5] 閆宇壯, 楊祚堂. RTX在半實(shí)物仿真中的軟件開(kāi)發(fā)方法[J]. 軟件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用， 2006，25 (9)：89-90.

[6] Ardence公司. RTX技術(shù)白皮書(shū)[Z]. 北京航天捷越(美斯比)科技有限公司，2004.

Application of Real-Time System Based on RTX For HL Simulation

Zhang Jiannan

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries，Xi’an 710065，China)

In this thesis, a design scheme for real-time system in the infrared guidance hardware-in-the-loop simulation system is introduced. In the past, the Windows system is used in the HL simulation. Aiming at the disadvantage of complexity ,this paper introduce a simulation frame based on Windows+RTX, ,it improves the efficiency and capability of real time simulation through adding the RTX extension. The keys of development of HL based on RTX technology was discussed, a general develop mode and process were given, an algorithm was designed for shared memory and task dispatching.This paper developed an upper computer by using MFC interface and realized Co - Simulation between non - real - time simulation process and real - time simulation process. According to the simulation test, the system is reliable and stable, and has other excellent characteristics in the infrared guidance hardware-in-the-loop simulation system,reduces the complexity of developing HL system.

HL simulation; real-time system; RTX; task dispatch

2015-08-15；

2015-11-05。

張健楠(1986-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，碩士，主要從事導(dǎo)彈半實(shí)物仿真方向的研究。

1671-4598(2016)03-0136-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.037

TP3

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