出艙活動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)間艙壓數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

史志明 崔俊峰 夏 云 匡 鴻 李文波

(1 中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心,北京 100094)

(2 中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京 100094)

1 引言

現(xiàn)代載人航天工程由多個(gè)大系統(tǒng)構(gòu)成,這些大系統(tǒng)均廣泛使用了各類計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),構(gòu)成了天地一體化的復(fù)雜信息網(wǎng)絡(luò);軟件也逐漸成為其中的核心與靈魂,既包括系統(tǒng)自研軟件產(chǎn)品,也包括商用軟件、附屬于設(shè)備的應(yīng)用軟件和其它軟件等,載人航天工程已成為一項(xiàng)軟件密集型工程[1]。隨著各類綜合性測(cè)試和試驗(yàn)任務(wù)的增多,不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互需求也日益增多,既包括系統(tǒng)內(nèi)的既定軟件通信需求,也包括系統(tǒng)間的軟件通信需求。及時(shí)和更好地滿足這些需求,越來(lái)越成為軟件產(chǎn)品研制需要考慮的問(wèn)題。

本文以出艙活動(dòng)試驗(yàn)中地面測(cè)試系統(tǒng)艙壓接口軟件的實(shí)現(xiàn)為例,對(duì)基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(Dynamic Data Exchange,DDE)的通信機(jī)制在工程型號(hào)任務(wù)中軟件系統(tǒng)通信方面的應(yīng)用性進(jìn)行了探討。

2 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)概述

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)是Window s 應(yīng)用程序之間交換數(shù)據(jù)信息的一種通信機(jī)制[2],是一種發(fā)展成熟并廣泛應(yīng)用的技術(shù)[2-5]。DDE 協(xié)議基于客戶/服務(wù)器模型,服務(wù)器是一個(gè)充當(dāng)信息源的應(yīng)用程序,可根據(jù)客戶應(yīng)用程序的要求來(lái)執(zhí)行服務(wù),客戶與服務(wù)器之間的一次鏈接被稱為一次對(duì)話,一個(gè)服務(wù)器可鏈接到多個(gè)客戶,一個(gè)客戶也可以同時(shí)鏈接到多個(gè)服務(wù)器。DDE 通信有3 種處理方式:熱鏈接、溫鏈接、冷鏈接。熱鏈接在服務(wù)軟件的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)立即自動(dòng)改變客戶軟件的數(shù)據(jù);溫鏈接在服務(wù)軟件數(shù)據(jù)有變化時(shí)向客戶軟件報(bào)信,但只在客戶軟件提出請(qǐng)求時(shí)才向客戶軟件傳遞數(shù)據(jù);冷鏈接僅當(dāng)服務(wù)軟件發(fā)出DDE REQ UEST 請(qǐng)求命令時(shí)才改變客戶軟件的數(shù)據(jù)[2-3]。

DDE 鏈接需要3個(gè)參數(shù):服務(wù)名(Application)、主題名(Topic)、項(xiàng)目名(Item)。服務(wù)名是由服務(wù)器應(yīng)用在系統(tǒng)中注冊(cè)的,主題名是服務(wù)名下數(shù)據(jù)操作項(xiàng)的集合,項(xiàng)目名是主題名下操作的具體數(shù)據(jù)項(xiàng)。一個(gè)服務(wù)可提供多個(gè)主題,一個(gè)主題可提供多個(gè)項(xiàng)目,最后由項(xiàng)目名確定要交換的數(shù)據(jù)[5]。

3 研制任務(wù)分析

神舟七號(hào)飛船任務(wù)中,為完成航天員出艙活動(dòng)試驗(yàn)任務(wù),需要對(duì)飛船系統(tǒng)及裝船的艙外活動(dòng)航天服系統(tǒng)等共同進(jìn)行充分的地面試驗(yàn)[6]。真空環(huán)境下氣閘艙與航天員及艙外航天服聯(lián)合試驗(yàn)是我國(guó)首次有人參與的真空試驗(yàn),該試驗(yàn)要驗(yàn)證氣閘艙功能以及與航天員、艙外服的協(xié)調(diào)性、接口匹配性和出艙活動(dòng)程序安排的合理性[7]。試驗(yàn)中的艙壓數(shù)據(jù)對(duì)于航天員系統(tǒng)具有重要意義,需要全程監(jiān)測(cè)此數(shù)據(jù)以輔助系統(tǒng)的綜合分析與決策。該數(shù)據(jù)從飛船系統(tǒng)獲取,但是要納入航天員系統(tǒng)地面綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)),而地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要不間斷地參加其它試驗(yàn)任務(wù),因此,基于“各部分功能變化最小”為原則,確定開(kāi)發(fā)一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的接口程序模塊來(lái)完成系統(tǒng)需求。

飛船系統(tǒng)通過(guò)商用組態(tài)軟件采集艙壓,該軟件作為OPC(用于過(guò)程控制的對(duì)象鏈接和嵌入OLE技術(shù))服務(wù)器,通過(guò)OPC 和DDE 接口形式提供輸出數(shù)據(jù)。從技術(shù)上分析,地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)三種方式實(shí)現(xiàn)艙壓數(shù)據(jù)通信:1)飛船系統(tǒng)提供DDE 服務(wù)器功能,航天員系統(tǒng)通過(guò)DDE 方式讀取數(shù)據(jù);2)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以O(shè)PC 客戶端方式從飛船系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)[8];3)飛船系統(tǒng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信以用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)方式直接向地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送。綜合比較三種實(shí)現(xiàn)方式的技術(shù)難度、雙方開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)間節(jié)點(diǎn)的要求,確認(rèn)采用第一種方式,冷鏈接處理,如圖1所示。

其選擇基于以下考慮:1)要求地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所做的數(shù)據(jù)請(qǐng)求操作不能對(duì)飛船系統(tǒng)OPC 服務(wù)器端有任何影響,采用DDE 方式通信實(shí)際上是與OPC服務(wù)器主鏈路進(jìn)行了隔離,保證了絕對(duì)安全性;2)由OPC 服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)獲取,DDE 方式實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)交換,最大限度降低技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度;3)可以使用多種軟件產(chǎn)品作DDE 數(shù)據(jù)通信測(cè)試,有效降低現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試難度及工作量,確保試驗(yàn)不受影響,并一次成功。

圖1 地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)艙壓接口示意圖Fig.1 Ground monitoring system interface sketchmap

4 接口通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 接口設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)雙方協(xié)調(diào),航天員系統(tǒng)的地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與飛船系統(tǒng)間艙壓通信接口規(guī)定如下:1)接口協(xié)議為本地DDE;2)數(shù)據(jù)格式為每幀1～4個(gè)字符串形式的雙精度浮點(diǎn)數(shù)艙壓數(shù)據(jù);3)采集頻率1 幀/s;4)艙壓接口軟件運(yùn)行于獨(dú)立的工作微機(jī),配置雙網(wǎng)卡,實(shí)現(xiàn)雙方網(wǎng)絡(luò)的隔離。

接口軟件的主要功能包括:艙壓數(shù)據(jù)的采集、有效性判讀、解包轉(zhuǎn)發(fā)、收發(fā)統(tǒng)計(jì)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放等,并且通過(guò)基于WinSock 的網(wǎng)絡(luò)通信方式與地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行交互。

4.2 通信處理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

DDE 接口通信的處理流程如圖2所示。

圖2 艙壓DDE 接口通信的流程圖Fig.2 Flow chart of DDE interface communication

具體實(shí)現(xiàn)如下:

1)程序初始化時(shí),調(diào)用DdeInitialize 函數(shù)初始化DDE 管理庫(kù),以參數(shù)形式提供回調(diào)函數(shù)DdeCall-Back,當(dāng)程序以消息形式收到待處理事務(wù)時(shí),就調(diào)用該回調(diào)函數(shù);

2)將Excel 軟件作為測(cè)試使用的DDE 服務(wù)器,飛船系統(tǒng)艙壓采集軟件作為實(shí)時(shí)通信的DDE 服務(wù)器,根據(jù)需求進(jìn)行連接;

3)連接成功后,獲取一個(gè)HCONV 類型定義的變量,作為DDE 通信和操作的句柄,然后,啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集定時(shí)器讀取數(shù)據(jù);

4)一次完整的DDE 通信操作,通過(guò)調(diào)用Dde-ClientTransaction 函數(shù)發(fā)送不同的命令來(lái)實(shí)現(xiàn),發(fā)送開(kāi)始通信的請(qǐng)求,該請(qǐng)求被接受以后再發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的請(qǐng)求,直到程序停止通信;

5)每次數(shù)據(jù)采集完成即進(jìn)行內(nèi)部處理,包括判別、轉(zhuǎn)發(fā)、統(tǒng)計(jì)、顯示和存儲(chǔ)等。

4.3 接口測(cè)試設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

按照循序漸進(jìn)、確保成功的原則,制定了如下測(cè)試流程:1)實(shí)現(xiàn)與Excel 的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互;2)在第1 步基礎(chǔ)上測(cè)試與艙壓采集組態(tài)軟件的非現(xiàn)場(chǎng)仿真通信;3)最后在仿真通過(guò)以后與飛船系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)接口測(cè)試及預(yù)聯(lián)試。

4.4 軟件運(yùn)行結(jié)果

艙壓接口軟件在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)采集測(cè)試和連續(xù)無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間測(cè)試,根據(jù)實(shí)測(cè)情況增加了DDE 連接的定時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)重鏈接功能,進(jìn)一步提高了軟件連續(xù)無(wú)故障運(yùn)行的可靠性。圖3是DDE通信設(shè)置界面,用于3個(gè)關(guān)鍵通信參數(shù)的修改和更新;圖4是應(yīng)用軟件主界面,提供人機(jī)交互操作與軟件運(yùn)行監(jiān)控功能。

圖3 DDE 通信參數(shù)設(shè)置界面Fig.3 Interface of DDE parameters settings

圖4 接口模塊應(yīng)用軟件主界面Fig.4 Main interface of application softw are

艙壓接口軟件應(yīng)用于航天員系統(tǒng)的地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng),參加了出艙活動(dòng)驗(yàn)證試驗(yàn)的2次預(yù)聯(lián)試和2次正式任務(wù),試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了1s 快速無(wú)阻塞采集通信,每次正式試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)6h,數(shù)據(jù)量累計(jì)為691 200byte,整個(gè)試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集正確、運(yùn)行穩(wěn)定可靠,順利完成試驗(yàn)任務(wù)。

5 討論

航天員系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)有的大型設(shè)備和系統(tǒng)集成項(xiàng)目如超重訓(xùn)練設(shè)備、艙外航天服試驗(yàn)艙、模擬失重訓(xùn)練水槽、航天飛行訓(xùn)練仿真設(shè)備等,都包含了不同數(shù)量的商用軟件和工程控制軟件,這些軟件可以根據(jù)需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)或提供數(shù)據(jù)接口[9]。隨著載人航天任務(wù)需求的多樣化,地面監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)不斷產(chǎn)生與這些系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信需求。在組態(tài)軟件基礎(chǔ)上,利用DDE 等通用數(shù)據(jù)通信機(jī)制和編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,是具有較高效率和現(xiàn)實(shí)可行性的方式。以本軟件為例,根據(jù)型號(hào)任務(wù)實(shí)際需求,在不影響既定數(shù)據(jù)接口規(guī)程前提下,通過(guò)合理選擇技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑,降低了技術(shù)難度,保證了時(shí)間節(jié)點(diǎn)。型號(hào)任務(wù)后期試驗(yàn)中,對(duì)于滿足監(jiān)測(cè)參數(shù)較少,但不確定性較大的接口需求來(lái)說(shuō),基于DDE 的數(shù)據(jù)通信機(jī)制具有簡(jiǎn)單可靠、方便快捷的優(yōu)點(diǎn)。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō),可以考慮將相關(guān)的接口功能模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化,以提高其可應(yīng)用性和可擴(kuò)展性。

總的來(lái)看,對(duì)于工程型號(hào)任務(wù)中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口通信而言,DDE 的優(yōu)勢(shì)在于:技術(shù)比較成熟,在Window s 操作系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛,兼容性好,占用系統(tǒng)資源少;其不足在于:從數(shù)據(jù)交換速度、連接的可維護(hù)性、可交換數(shù)據(jù)的復(fù)雜性等方面來(lái)說(shuō),DDE 對(duì)于復(fù)雜工程控制環(huán)境和多信道大數(shù)據(jù)流的網(wǎng)絡(luò)通信可應(yīng)用性并不明顯,在這種情況下,還是需要選擇或者結(jié)合其它的網(wǎng)絡(luò)接口通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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