低空飛艇地面監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

茹 芬，侯中峰，謝利理

(西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安 710129)

1 引言

現(xiàn)代飛艇多利用氦氣產(chǎn)生升力來進(jìn)行浮空飛行，其優(yōu)良的性價比及高可靠性，近年來已經(jīng)成為國際上的研究熱點(diǎn)，我國也正在積極研制數(shù)十萬立方的平流層飛艇。作為其研究的一部分，低空實驗飛艇(在500米以下飛行)是未來研制平流層飛艇的重要準(zhǔn)備。隨著高度的增加，大氣壓力的變化，為了保持良好的浮空姿態(tài)，飛艇會有比較復(fù)雜的自身壓力調(diào)節(jié)。以某低空實驗飛艇項目為背景，設(shè)計并實現(xiàn)了其地面監(jiān)控系統(tǒng)軟件。

2 低空飛艇地面監(jiān)控系統(tǒng)概述

飛艇一般由艇上飛行控制系統(tǒng)、通訊導(dǎo)航系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)、能源動力系統(tǒng)、氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)、應(yīng)急降落系統(tǒng)及地而監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，可以在預(yù)定空域巡航飛行來完成空中巡查、航空拍攝、環(huán)境監(jiān)測、通訊中繼、廣告宣傳等任務(wù)。艇載計算機(jī)是艇上部分的核心，負(fù)責(zé)完成控制處理和數(shù)據(jù)通信等任務(wù)。而地面監(jiān)控系統(tǒng)以地面計算機(jī)為核心，其作用是實時監(jiān)測并記錄飛艇的飛行狀態(tài)、環(huán)境信息及任務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)，及時準(zhǔn)確地向飛艇下達(dá)控制指令等。地面操作人員既可以通過操縱桿手動遙控飛艇飛行，也可以通過地面監(jiān)控軟件界面發(fā)出控制指令控制飛艇飛行［1］。整個飛艇控制系統(tǒng)的基本組成部分如圖1所示。

3 地面監(jiān)控軟件設(shè)計

考慮到飛艇地面監(jiān)控軟件開發(fā)的效率及友好、美觀的人機(jī)交互界面，軟件的設(shè)計以美國NI(National Instruments)公司的虛擬儀器開發(fā)工具LabWindows/CVI［2］為平臺。軟件設(shè)計主要解決四個問題:①地面計算機(jī)與艇上計算機(jī)之間的實時數(shù)據(jù)交換;②操縱桿對飛艇飛行姿態(tài)的遠(yuǎn)程控制;③設(shè)計地面監(jiān)控數(shù)據(jù)庫，對艇上計算機(jī)下傳數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、查詢及過程回放等;④友好的人機(jī)交互接口。由于LabWindows/CVI集成了眾多優(yōu)秀的虛擬儀器控件，給軟件的界面設(shè)計帶來了極大的方便。當(dāng)LabWindows/CVI提供的標(biāo)準(zhǔn)虛擬儀器控件不能滿足需要時，可以使用VC++等其他工具開發(fā)專用的ActiveX控件，然后在實際工程中加載調(diào)用。

圖1 低空飛艇控制系統(tǒng)組成圖

3.1 底層通信程序設(shè)計

在飛艇執(zhí)行飛行任務(wù)的過程中，需要與地面進(jìn)行大量實時的數(shù)據(jù)交換。這些數(shù)據(jù)包括地面上傳控制指令、艇上下傳各種狀態(tài)參數(shù)和任務(wù)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)等。穩(wěn)定可靠的通訊是飛艇安全正常飛行的重要保證。選用全雙工數(shù)字電臺，可以實現(xiàn)30～50公里范圍內(nèi)的點(diǎn)對多點(diǎn)通信，通訊距離長;全雙工數(shù)字電臺具備先進(jìn)的擴(kuò)頻跳頻技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定可靠，提供最大115.2Kbps的 RS232串口傳輸速率。

地面監(jiān)控計算機(jī)與數(shù)字電臺通過RS232串口進(jìn)行通信。LabWindows/CVI提供了RS232通信函數(shù)庫，使原本較為復(fù)雜的RS232通信變得容易實現(xiàn)。這些函數(shù)可分為打開/關(guān)閉串口函數(shù)、串口設(shè)置函數(shù)、I/O讀寫函數(shù)、調(diào)制解調(diào)器控制函數(shù)、寄存器狀態(tài)函數(shù)和回調(diào)函數(shù)等6類。

由于LabWindows/CVI并不提供串口中斷處理函數(shù)，LabWindows/CVI中串口通信是通過周期查詢方式實現(xiàn)的?？梢栽O(shè)置一個定時器，定期執(zhí)行讀取串口的程序，也可以設(shè)置一個死循環(huán)，通過延遲設(shè)置循環(huán)周期，這樣必須在循環(huán)內(nèi)部定義一個能夠及時響應(yīng)用戶面板回調(diào)函數(shù)和系統(tǒng)內(nèi)部事件的函數(shù)。串口編程需要以下幾個函數(shù):

OpenCom(COM1);//打開串口1

OpenComConfig(COM1，"COM1"，9600，2，8，1，512，512);//配置串口 COM1

ComRdByte(COM1);//讀串口1數(shù)據(jù)

ComRd(COM1，Inbuf，100);//從串口1 的緩沖區(qū)Inbuf中讀取100個字節(jié)的數(shù)據(jù)

ComWrtByte(COM1);//向串口1寫數(shù)據(jù)

ComWrt(COM1，Outbuf，100);//向串口 1 的緩沖區(qū)Outbuf中寫入100個字節(jié)的數(shù)據(jù)

CloseCom(COM1);//關(guān)閉串口1

3.2 操縱桿驅(qū)動程序設(shè)計

飛艇的地面遙控采用性能優(yōu)越的USB接口操縱桿SAITEK X52，利用操縱桿上的搖桿、方向舵及按鈕，用以實現(xiàn)飛艇的俯仰、偏航等姿態(tài)的調(diào)節(jié)，對油門和各種風(fēng)機(jī)的開關(guān)直接控制。在LabWindows/CVI環(huán)境下，利用微軟提供的 DirectX與Windows API函數(shù)相結(jié)合，通過設(shè)置定時器，利用消息傳遞方式來捕獲操縱桿的信息。在MMSYSTEM.H對所需的Windows API函數(shù)進(jìn)行函數(shù)聲明，應(yīng)用程序必須包含該頭文件。

程序首先需要檢查操縱桿是否存在，包括檢查驅(qū)動程序支持和確認(rèn)操縱桿已與系統(tǒng)相連等兩項工作。調(diào)用joyGetNumDevs函數(shù)檢查系統(tǒng)是否配置了操縱端口和驅(qū)動程序。如果返回值為0，表明系統(tǒng)不支持操縱桿功能。但joyGetNumDevs并不能確定操縱桿是否已被連接上了，通過調(diào)用joyGetPosEx函數(shù)可以完成檢查是否連接上操縱桿，同時確定是否有錯誤發(fā)生。一旦確認(rèn)了操縱桿已連上，就可以接收操縱桿發(fā)來的消息。joySetCapture通知Windows操縱桿消息應(yīng)發(fā)往何處以及發(fā)送的頻率等。joySet-Capture中的第一個參數(shù)通知Windows誰將獲取消息，第二個參數(shù)確定程序?qū)哪膫€操縱桿接收消息，第三個參數(shù)表示希望以怎樣的頻度接收消息(單位為毫秒)，無論操縱桿是否移動都將以這個頻度接收消息。joySetCapture的四個參數(shù)允許程序當(dāng)操縱桿移動一定的距離后才接收消息，該距離由joySetThreshold設(shè)置。

joySetCapture被調(diào)用后，窗口將接收操縱桿事件。MM_JOY1MOVE事件在joySetCapture定義的時間間隔內(nèi)發(fā)生。只有當(dāng)操縱桿的按鈕被按下時，MM_JOY1BUTTONUP和MM_JOY1BUTTONDOWN事件才發(fā)生。調(diào)用joyReleaseCapture通知Windows已結(jié)束對操縱桿的調(diào)用。部分程序段如下:

/*hwnd－接收消息的窗口句柄，uMsg－消息(命令)，wParam和lParam是要傳遞的數(shù)據(jù)*/

LRESULT NewWindowProc(HWND hwnd，UINT uMsg，WPARAM wParam，LPARAM lParam)

{

JOYINFOEX JoyInfoEx;//包含操縱桿各種屬性的結(jié)構(gòu)體

unsigned int uJoyID;//操縱桿編號

switch(uMsg)

{

case MM_JOY1MOVE:

JoyInfoEx.dwFlags=JOY_CAL_READ3;

JoyInfoEx.dwSize=sizeof(JoyInfoEx);

JoyGetPosEx(uJoyID，＆JoyInfoEx);

break;

case MM_JOY1BUTTONDOWN:

JoyInfoEx.dwFlags=

JOY_RETURNBUTTONS;

JoyInfoEx.dwSize=sizeof(JoyInfoEx);

JoyGetPosEx(uJoyID，＆JoyInfoEx);

if(JoyInfoEx.dwButtons＆ JOY_BUTTON1)MessagePopup("ok"，"按鈕1按下");

break;

}

return CallWindowProc(oldWndProc， hwnd，uMsg，wParam，lParam);

}

3.3 飛艇實時數(shù)據(jù)庫的設(shè)計及實現(xiàn)

LabWindows/CVI既沒有通過標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫來提供對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問操作的函數(shù)，也沒有在工具包中包含數(shù)據(jù)庫引擎。要在LabWindows/CVI環(huán)境下使用數(shù)據(jù)庫，必須安裝 CVI SQL工具包［3－4］。該工具包中一共包含了11個子類的函數(shù)庫，這些API(Application Programming Interface)使LabWindows/CVI編寫的上層應(yīng)用程序可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。雖然LabWindows/CVI中通過Microsoft的ADO(Active Data Object，動態(tài)數(shù)據(jù)對象)接口可以支持多種類型的數(shù)據(jù)源，但最常用的還是ODBC(Open Database Connectivity，開放數(shù)據(jù)庫互連)數(shù)據(jù)源。ODBC實際上是一個函數(shù)庫，它提供了一個連接到底層數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的公共應(yīng)用程序接口，通過驅(qū)動程序與底層數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信。在開發(fā)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序時，只需要為應(yīng)用程序指定一個數(shù)據(jù)源，將數(shù)據(jù)源文件配置成已創(chuàng)建好的數(shù)據(jù)庫文件(包括已經(jīng)創(chuàng)建好的數(shù)據(jù)表等)，即可以在 LabWindows/CVI中利用SQL語句訪問由第三方工具開發(fā)的數(shù)據(jù)庫。

3.3.1 數(shù)據(jù)庫的連接與斷開

使用DBConnect打開一個新數(shù)據(jù)連接，其唯一的參數(shù)是必須包含數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)提供者名以及其他數(shù)據(jù)庫需要的屬性(User ID、Password、File Name等)的字符串。使用完畢調(diào)用DBDisconnect關(guān)閉連接。

int hdbc=0;//數(shù)據(jù)庫連接句柄

hdbc=DBConnect("DSN=DB_Airship");//連接到數(shù)據(jù)源DB_Airship

DBDisconnect(hdbc);//斷開數(shù)據(jù)庫連接

3.3.2 自動 SQL映射

使用SQL庫映射函數(shù)自動產(chǎn)生和執(zhí)行SQL語句。通過調(diào)用DBBeginMap定義一個映射，其唯一的參數(shù)是來自DBConnect的連接句柄，而返回值作為映射的句柄。

int hmap=DBBeginMap(hdbc);//定義SQL連接句柄

/* 將字段映射到數(shù)組或變量*/

DBMapColumnToChar(hmap，1，11，uutNum，＆uutStat，"");

DBMapColumnToDouble(hmap，2， ＆meas1，＆meas1Stat);

DBMapColumnToDouble(hmap，3， ＆meas2，＆meas2Stat);

DBActivateMap(hmap，"Table1");//程序映射所有的列后激活映射

DBDeactivateMap(hmap);//結(jié)束激活映射

3.3.3 數(shù)據(jù)庫操作

顯式SQL語句的執(zhí)行如下:

hstmt=DBActivateSQL(hdbc，"SELECT UUT_NUM，MEAS1，MEAS2 FROM TESTRES WHERE MEAS2 ＞1.0");

除了SELECT外的大多數(shù)SQL語句不需要進(jìn)一步的處理，可以使用DBImmediateSQL。

插入數(shù)據(jù):

DBImmediateSQL(hdbc，"INSERT INTO Table1 VALUES(＇2860B456＇，0.4，0.6)");

更新數(shù)據(jù):

DBActivateSQL(hdbc，"UPDATE Table1 SET MEAS2=500.0 WHERE UUT_NUM= ＇2860B456＇");

刪除數(shù)據(jù):

DBImmediateSQL (hdbc，"DELETE FROM Table1 WHERE UUT_NUM= ＇2860B567 ＇");

3.3.4 取回結(jié)果

采用NUMERIC控件和STRING控件來顯示數(shù)據(jù)，部分程序段如下:

while(DBFetchNext(hstmt)==DB_SUCCESS){

SetCtrlVal(panelHandle，PANEL_uutNum，uut-Num);

SetCtrlVal(panelHandle， PANEL_meas1，meas1);

SetCtrlVal(panelHandle， PANEL_meas2，meas2);}

4 結(jié)束語

地面監(jiān)控系統(tǒng)是飛艇控制系統(tǒng)重要的組成部分。完整地給出了在LabWindows/CVI環(huán)境下地面監(jiān)控系統(tǒng)基本功能的設(shè)計與實現(xiàn)方法，完成了底層通信程序的設(shè)計，并通過調(diào)用Windows API函數(shù)實現(xiàn)了對操縱桿的編程，最后詳細(xì)給出了在LabWindows/CVI環(huán)境下數(shù)據(jù)庫的開發(fā)過程。地面監(jiān)控軟件經(jīng)過運(yùn)行表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能完備實用，開發(fā)周期短，成本低，維護(hù)方便，具有較高的工程應(yīng)用價值。

［1］于歌，劉剛，房建成.小型無人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)［J］.機(jī)械與電子，2007(7):24－26.

［2］NI.LabWindows/CVI User Manual［M］.National instruments corporation，2002.

［3］NI.LabWindows/CVI SQL Toolkit Reference Manual［M］.National instruments corporation，2002.

［4］高水德，辛喆，水林娜.基于LabWindows/CVI的發(fā)動機(jī)試驗數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.微計算機(jī)信息(測控自動化)，2004，20(4):33－34.