紀 錄，吳國東，王志軍，尹建平，劉亞昆

(中北大學(xué)機電工程學(xué)院，太原 030051)

0 引言

在彈箭飛行仿真系統(tǒng)中，為了避免通信過程中的不可預(yù)測性，因此應(yīng)盡量縮短整套半實物仿真系統(tǒng)的響應(yīng)延遲，從而提高彈箭飛行仿真系統(tǒng)的真實度。彈箭飛行半實物仿真技術(shù)對系統(tǒng)實時性及可操作性的要求很高，而現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的Windows操作系統(tǒng)實時性較差，難以滿足高精度的彈箭半實物仿真系統(tǒng)對實時性的要求，但其操作的界面和通用性比較優(yōu)秀，而且其具有良好的人機交互功能。因此在文中采用在Windows操作系統(tǒng)的內(nèi)核中引入RTX的實時通訊和控制系統(tǒng)的方式，形成了Windows + RTX的實時系統(tǒng)，該系統(tǒng)既保留了Windows系統(tǒng)傳統(tǒng)的優(yōu)勢又解決了實時性較差的問題[1-4]。

文中根據(jù)彈箭飛行半實物仿真平臺的具體要求和總體方案要求，設(shè)計了彈箭飛行仿真系統(tǒng)的整體系統(tǒng)，并對彈箭飛行仿真系統(tǒng)的整體通訊協(xié)議進行了定義，在引入的RTX實時系統(tǒng)，采用了VC++對RTX中的子系統(tǒng)RTSS進行開發(fā)，并利用開發(fā)的RTSS程序完成彈道控制模型的實時解算、彈載計算機的實時控制、整體飛行質(zhì)量的實時評估及數(shù)據(jù)的實時采集和轉(zhuǎn)換等實時任務(wù)。

1 實時系統(tǒng)

1.1 RTX系統(tǒng)簡介

RTX(real-time eXtension)實時操作系統(tǒng)是Interval Zero公司的一款嵌入式軟件產(chǎn)品。在Windows 下安裝RTX 實時操作系統(tǒng)，拓展了Windows操作系統(tǒng)內(nèi)核體系，修改并擴展了整個硬件抽象層HAL(hardware abstraction layer)，實現(xiàn)在Windows下獨立的內(nèi)核驅(qū)動模式，形成與Windows 操作系統(tǒng)并列的實時子系統(tǒng)。RTX運行于系統(tǒng)內(nèi)核層，實時子系統(tǒng)RTSS的線程優(yōu)先于所有Windows線程，提供了對IRQ、I/O、內(nèi)存的精確直接控制，以確保實時任務(wù)的100%可靠性[5-6]。通過高速的IPC通訊和同步機制，RTX方便地實現(xiàn)與Windows之間進行高速實時的數(shù)據(jù)交換。RTX系統(tǒng)其使用的成本相比其他的實時開發(fā)軟件比較低，而且開發(fā)的周期比較短，支持VC++6.0開發(fā)環(huán)境。

圖1 RTX工作原理圖

1.2 光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)

光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)(OFRMN, optical fiber reflective memory network)是一種基于光纖的超高速共享內(nèi)存的解決方案，其主要是由光纖反射內(nèi)存板卡通過光纖等傳輸介質(zhì)相互連接而成，其實質(zhì)就是一個雙口可以讀寫的RAM, 本地計算機和網(wǎng)絡(luò)端可以自由訪問該RAM，進行透明的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送[7-9]。因此其有以下優(yōu)點：

1)高速，最大傳輸速率可達174 MB/s；

2)簡單易用，主機負載輕，與操作系統(tǒng)和處理器無關(guān)；

3)反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸是純硬件操作，只需要幾行代碼就可以完成反射內(nèi)存卡的讀、寫操作，徹底省去軟件開發(fā)開銷和周期；

4)允許采用不同的總線結(jié)構(gòu)和不同操作系統(tǒng)的計算機以確定的速率分享實時數(shù)據(jù)；

5)節(jié)點距離可達10 km(單模)、300 m(多模)；

6)簡單的軟件，較強的抗干擾能力和傳輸糾錯能力。

2 彈箭飛行仿真系統(tǒng)

2.1 彈箭飛行仿真系統(tǒng)的整體系統(tǒng)

整個彈箭飛行的半實物仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和控制系統(tǒng)設(shè)計圖如圖2和圖3所示。其中圖2主要是對整個彈箭飛行仿真系統(tǒng)組成的硬件設(shè)備及各設(shè)備之間的關(guān)系進行簡要的說明，各設(shè)備都連接在高速的反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)中，再通過實時軟件連接，可以滿足彈箭飛行仿真過程中的實時性要求。圖3主要是對整個系統(tǒng)的通訊和控制方案做了簡要的說明，該圖顯示了主控機發(fā)送初始化命令，然后再發(fā)送飛行仿真的位置、姿態(tài)、軌跡、速度及數(shù)防加速度等命令，首先將這些命令傳遞到數(shù)據(jù)服務(wù)器中，然后轉(zhuǎn)臺、衛(wèi)星信號模擬器、彈道仿真機、模擬負載設(shè)備等設(shè)備從數(shù)據(jù)服務(wù)器中讀取自己所需要的命令或者數(shù)據(jù)，最后進行彈箭飛行仿真系統(tǒng)試驗，在此過程中，評估系統(tǒng)在不斷的工作，對轉(zhuǎn)臺的飛行姿態(tài)和衛(wèi)星信號模擬器的軌跡進行不斷的調(diào)整，從而實現(xiàn)飛行仿真的準確性和逼真度，在次過程中軟件系統(tǒng)的閉環(huán)測試模塊從硬件系統(tǒng)中讀取轉(zhuǎn)臺控制模塊收到飛行轉(zhuǎn)臺的位置數(shù)據(jù)，實現(xiàn)飛行轉(zhuǎn)臺的閉環(huán)監(jiān)測。

圖2 彈箭飛行仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

圖3 飛行仿真控制系統(tǒng)方案設(shè)計圖

2.2 彈箭飛行仿真系統(tǒng)通訊協(xié)議方案設(shè)計

在彈箭飛行仿真系統(tǒng)中，其通訊協(xié)議方案的設(shè)計是十分重要的，如果沒有通訊協(xié)議，整個彈箭飛行仿真系統(tǒng)就不能協(xié)同工作以實現(xiàn)信息交換及資源共享，因此設(shè)計的仿真系統(tǒng)采用了UDP+TCP通訊方式，其通訊進程為：1)設(shè)備上線廣播發(fā)送上線報文，在線設(shè)備收到后刷新設(shè)備列表，并回復(fù)收到上線報文，主設(shè)備記錄各個從設(shè)備，從設(shè)備至少記錄主設(shè)備和數(shù)據(jù)服務(wù)器；2)設(shè)備下線時發(fā)下線報文；3)主設(shè)備心跳方式，間隔時間發(fā)送更新列表；4)設(shè)備掉線后發(fā)掉線報文，重新連接；5)設(shè)備發(fā)送消息后，可以要求回復(fù)接收報文；6)設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)使用TCP協(xié)議。

//通訊端口

#define MFSS_UDP_PORT 0x1a85 //6789

#define MFSS_TCP_PORT 0x1a85 //6789

//通訊協(xié)議格式

版本號；消息序號；系統(tǒng)名；設(shè)備名；消息命令；消息內(nèi)容

//協(xié)議版本號(雙字節(jié))

#define MFSS_VERSION 0x0100//高字節(jié) 版本號 低字節(jié) 小版本號

//消息序號 ID(4字節(jié))

唯一ID,時間函數(shù)獲取 time(),可以轉(zhuǎn)換時間

//系統(tǒng)名(字符串)

#define MFSS_NAME_SYSTEM_CHS“彈箭飛行仿真系統(tǒng)”

#define MFSS_NAME_SYSTEM_CHS “Missile flight simulation system ”

//設(shè)備名(字符串)

#define MFSS_NAME_DEVICE_CHS“衛(wèi)星信號模擬器”

#define MFSS_NAME_DEVICE_ENG “GNSS 8000”

#define MFSS_NAME_DEVICE_CHS “飛行轉(zhuǎn)臺”

#define MFSS_NAME_DEVICE_ENG “Flight turntable”

//各設(shè)備RTX-Win32通訊定義 (可分別定義多個)

//共享內(nèi)存 Shared memory

#define MFSS_SHM_XXX “MFSS_XXX.SHM”

//互斥量 Mutex

#define MFSS_Mutex_XXX “MFSS_XXX.MUTEX”

//信號量 Semaphore

#define MFSS_SMP_XXX “MFSS_XXX.SMP”

//事件量 Event

#define MFSS_EVENT_XXX “MFSS_XXX.EVENT”

3 實時系統(tǒng)的方案設(shè)計

彈箭飛行仿真系統(tǒng)由Windows + RTX實時控制系統(tǒng)和光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)兩大部分組成，Windows + RTX實時系統(tǒng)主要是實現(xiàn)各個設(shè)備之間的實時控制和通訊，而光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)在實時控制和通訊過程中的準確性和穩(wěn)定性的保證。

3.1 RTX 實時系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1 RTX和Windows通訊對比

彈箭飛行仿真系統(tǒng)的各個設(shè)備之間控制和通訊，主要是在RTX實時系統(tǒng)下完成的，如圖4和圖5是分別在Windows下和RTX下進行通信的傳輸速率及傳輸時間。在相同的電腦上，同時進行Win32和RTX測試，可以發(fā)現(xiàn)RTX數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到11.5 MB/s左右，而Win32下只有1.7 MB/s左右，RTX下傳輸速率大約是Win32的6.7倍；傳輸過程中反應(yīng)時間在Win32下Minimum Time=489 μs，Maximum Time=1 797 μs，而在RTX下Minimum Time=158 μs，Maximum Time=580 μs，傳輸過程中的時間遠小于Win32下，足以證明RTX系統(tǒng)相比于Windows系統(tǒng)具有更好的實時性。

圖4 Windows下網(wǎng)絡(luò)傳輸速率及時間圖

圖5 RTX下網(wǎng)絡(luò)傳輸速率及時間圖

3.1.2 實時控制系統(tǒng)方案設(shè)計

整個彈箭半實物仿真平臺的實時控制系統(tǒng)由Windows和RTX進程兩大部分組成[10]，整個系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 實時控制系統(tǒng)的架構(gòu)圖

從圖6 可知Win32和RTX是通過共享內(nèi)存進行通信。如圖7所示，采用VC++編寫的共享內(nèi)存程序的Win32界面，經(jīng)過測試可以實現(xiàn)共享內(nèi)存的調(diào)用和回收，能夠滿足Windows和RTX程序的連接及信息的傳遞。如圖8所示，顯示出RTX程序下共享內(nèi)存的建立過程。

圖7 共享內(nèi)存Win32操作界面圖

圖8 RTX下共享內(nèi)存創(chuàng)建圖

3.1.3 實時控制系統(tǒng)接口程序設(shè)計

對本系統(tǒng)中實時控制系統(tǒng)的接口程序進行了設(shè)計和測試，其中包括RTX下的PCI總線接口、普通的通信和接收數(shù)據(jù)的串口和并口及MOXA的4 口RS-232 通用 PCI 多串口通訊卡、API 接口的VC++6.0程序的編寫和測試，通過對編寫程序的測試，可以實現(xiàn)接口在RTX下實時的開關(guān)及數(shù)據(jù)的實時傳輸。如圖9～圖11是各個接口的測試圖。由于在該系統(tǒng)中工控機自帶單串口，傳輸速率達不到實時系統(tǒng)串口通訊的速率921.6 kbit/s，滿足不了兩個分系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的快速傳輸與實時通訊的需求，因此本系統(tǒng)外插入了MOXA CP-104UL V2的多串口卡，可以支持4個接口進行實時數(shù)據(jù)交換，從而達到所需要的實時性。

圖9 RTX下PCI總線接口測試圖

圖10 單串口、并口及API接口測試圖

3.2 反射內(nèi)存網(wǎng)的實時通訊方案設(shè)計

3.2.1 反射內(nèi)存板卡傳輸速率及工作流程

本系統(tǒng)采用通用電氣公司的VMICPCIE5565反射內(nèi)存卡構(gòu)建拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過反射內(nèi)存卡測試程序?qū)?shù)據(jù)傳輸速率進行了測試，可以得到連續(xù)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)85 082 MB,該板卡組成的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)的速率可以達到153 MB/s，而且經(jīng)過測試在高速數(shù)據(jù)傳輸過程中，沒有數(shù)據(jù)的丟失，可以滿足彈箭飛行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求，測試圖如圖12所示。圖13準確的反應(yīng)了光纖內(nèi)存反射內(nèi)存板卡的整個工作流程圖，其采用的是中斷式通訊，其主要特點是發(fā)送方和接收方通過事件進行同步，CPU占用少；發(fā)送方可以向多個指定的接收方發(fā)送數(shù)據(jù)，即1→n方式，也可以采用UDP廣播的方式。

圖12 反射內(nèi)存卡速度測試圖

圖13 光纖反射板卡通訊流程

3.2.2 RTX下反射內(nèi)存板卡程序設(shè)計及測試

本系統(tǒng)將反射內(nèi)存板卡在RTX子程序下運行，如圖14所示的VMI-PCI-5565板卡進行數(shù)據(jù)傳輸測試的界面，其可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)連續(xù)實時的傳輸，傳輸過程中沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失，延時時間在1 μs左右，可以實現(xiàn)彈箭飛行仿真系統(tǒng)的實時性要求。

圖14 RTX下光纖反射內(nèi)存卡程序測試圖

4 實時系統(tǒng)運行測試及分析

本次試驗，通過運行Win32界面，在RTX下運行實時系統(tǒng)，進行飛行姿態(tài)的測試和飛行軌跡的測試，其測試結(jié)果如圖15和圖16所示。經(jīng)過測試，通訊命令和通訊數(shù)據(jù)能夠滿足彈箭飛行仿真系統(tǒng)的實時性、準確性和穩(wěn)定性的要求。

圖15 飛行轉(zhuǎn)臺姿態(tài)試驗圖

圖16 GNSS衛(wèi)星信號模擬器試驗圖

5 結(jié)論

文中將Windows良好的人機交互性和RTX高效實時性結(jié)合起來建立實時控制系統(tǒng)，并通過反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時和準確傳輸，該設(shè)計系統(tǒng)具有較好通用性和靈活性，可實現(xiàn)彈箭飛行仿真的實時通訊和控制要求。通過對整個系統(tǒng)進程進行試驗測試，取得了大量的飛行參數(shù)和數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果為以后進行某型號導(dǎo)彈的研究提供了參考。