機(jī)動(dòng)式系留氣球測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐黎江

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引言

系留氣球被認(rèn)為是一種理想的空中平臺(tái)，它不僅可以搭載軍事設(shè)備，而且可以掛載各種民用設(shè)備，在軍民兩用領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用空間和應(yīng)用前景。機(jī)動(dòng)式系留氣球由于對(duì)場(chǎng)地的要求低，在應(yīng)急指揮、通信和安防等領(lǐng)域起到了更加積極靈活的作用[1]。

近年來，系留氣球的測(cè)控系統(tǒng)功能變得越來越復(fù)雜，組合技術(shù)的發(fā)展使得操作系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和精度的要求越來越高，采用傳統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)來實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能已很困難，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)在此方面則有著其突出的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)，它將CPU時(shí)間、中斷和I／O定時(shí)器等軟硬件資源都包裝起來，留給用戶一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的API接口，并根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，合理地在不同的任務(wù)之間分配CPU時(shí)間，管理各任務(wù)的運(yùn)行。VxWorks作為一套最具代表性嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，至今已在航空、航天和導(dǎo)彈等實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中有著成功的應(yīng)用。

1 系留氣球系統(tǒng)

系留氣球系統(tǒng)的體系組成如圖1所示[2]。機(jī)動(dòng)式系留氣球的主要有留空時(shí)間長(zhǎng)、覆蓋面積大、能源消耗低、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、使用和維護(hù)費(fèi)用低、可靠性和安全性高等特點(diǎn)。

圖1 系留氣球系統(tǒng)組成

機(jī)動(dòng)式系留氣球的測(cè)控系統(tǒng)是系留氣球大系統(tǒng)中的重要組成系統(tǒng)，不僅能對(duì)系留氣球系統(tǒng)上各設(shè)備的狀態(tài)和故障信息進(jìn)行采集，而且也能對(duì)機(jī)動(dòng)式系留氣球的任務(wù)載荷、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電源等進(jìn)行控制。

2 測(cè)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)

測(cè)控系統(tǒng)包括球上測(cè)控部分和球下測(cè)控部分，如圖2所示[3]。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.1 球上測(cè)控部分

球上測(cè)控部分主要包括飛控計(jì)算機(jī)（主機(jī)和備機(jī)）、雙機(jī)切換板、姿態(tài)方位傳感器、壓力調(diào)節(jié)控制設(shè)備、差壓檢測(cè)設(shè)備、風(fēng)速風(fēng)向設(shè)備、數(shù)據(jù)交換機(jī)、球上光端機(jī)和球上無線電臺(tái)等設(shè)備。其中飛控計(jì)算機(jī)和雙機(jī)切換板是球上測(cè)控部分的核心部件。飛控計(jì)算機(jī)完成對(duì)球上測(cè)控部分的數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)控制輸出，雙機(jī)切換板完成對(duì)飛控計(jì)算機(jī)的選擇和狀態(tài)控制輸出的選擇。

球上測(cè)控部分的通信采用網(wǎng)絡(luò)通信方式，飛控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)鏈路采集傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的解析。同時(shí)完成對(duì)系留氣球的壓力控制和任務(wù)載荷的電源控制。

2.2 球下測(cè)控部分

球下測(cè)控部分主要包括顯控處理計(jì)算機(jī)、風(fēng)速風(fēng)向儀、聲光報(bào)警器、纜繩傾角測(cè)量傳感器、數(shù)據(jù)交換機(jī)、操控臺(tái)、地面光端機(jī)和地面無線電臺(tái)等設(shè)備。顯控處理計(jì)算機(jī)完成球下測(cè)控部分的數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)控制輸出，完成對(duì)操控臺(tái)、聲光報(bào)警器的控制，向球上測(cè)控部分發(fā)送控制命令；顯示測(cè)控系統(tǒng)的狀態(tài)和故障信息。

球下測(cè)控部分的通信采用網(wǎng)絡(luò)通信方式，顯控處理計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)鏈路采集傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)信息和接收球上測(cè)控部分下傳的數(shù)據(jù)，顯示測(cè)控系統(tǒng)的狀態(tài)和故障信息；同時(shí)提供人機(jī)交互接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)球上測(cè)控部分的人工干預(yù)控制。

2.3 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

球上測(cè)控部分主要完成與球下測(cè)控部分的通信；完成系留氣球狀態(tài)的采集；完成系留氣球電源和任務(wù)設(shè)備的開關(guān)控制等。為了提高系留氣球的安全性和可靠性，進(jìn)行了系留氣球球上測(cè)控部分的三余度冗余設(shè)計(jì)、通信鏈路的雙冗余設(shè)計(jì)和故障報(bào)警提示。

首先，實(shí)現(xiàn)了系留氣球球上測(cè)控部分的三余度冗余設(shè)計(jì)。系留氣球球上測(cè)控部分的三余度冗余設(shè)計(jì)，是指為了保證球上測(cè)控部分能高效、可靠地采集球上傳感器的參數(shù)信息，完成對(duì)系留氣球壓力的實(shí)時(shí)控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了3套軟件，完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集和系留氣球壓力控制。主要為：2套飛控計(jì)算機(jī)板（包括軟件）可獨(dú)立完成傳感器數(shù)據(jù)采集、系留氣球壓力控制；駐留在雙機(jī)切換板上的SOPC，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中主要傳感器數(shù)據(jù)采集和系留氣球壓力控制功能。3套系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，各自完成數(shù)據(jù)的采集和控制輸出，但在任一時(shí)刻，有且僅有1套系統(tǒng)的控制輸出能直接控制實(shí)際的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其余2套系統(tǒng)的控制輸出無效[4]。

其次，設(shè)計(jì)了雙備份的通信鏈路。通信鏈路的雙冗余設(shè)計(jì)是指球上測(cè)控部分與球下測(cè)控部分有2條測(cè)控通信鏈路，主要為基于光端機(jī)的光纖通信和基于無線的網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)通信。在正常情況下，所有的數(shù)據(jù)傳輸都由光纖通信來完成，無線通信僅完成鏈路維護(hù)功能；當(dāng)光纖通信發(fā)生故障時(shí)，數(shù)據(jù)由無線通信鏈路進(jìn)行傳輸。

最后，完成故障報(bào)警和提示功能。當(dāng)系統(tǒng)遇到嚴(yán)重的功能故障時(shí)（如飛控計(jì)算機(jī)故障、通信鏈路故障和壓力異常等），地面上的顯控處理軟件啟動(dòng)聲光報(bào)警設(shè)備，進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒用戶進(jìn)行及時(shí)檢查和維修。

3 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件平臺(tái)

根據(jù)系統(tǒng)布局及計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的不同，測(cè)控系統(tǒng)的軟件可分為球控處理軟件和顯控處理軟件（地面）。

球控處理軟件在機(jī)動(dòng)式系留氣球軟件中占有重要的作用，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性。球控處理計(jì)算機(jī)選用重量、體積均較小的PC104計(jì)算機(jī)模塊。球控處理軟件主要完成對(duì)球上各個(gè)傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、解析；完成對(duì)風(fēng)機(jī)、閥門和電源的控制；完成與地面之間的實(shí)時(shí)通信。為了提高軟件的處理能力和消息的響應(yīng)速度，選擇了VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[5]。該系統(tǒng)的內(nèi)核保證任務(wù)之間的切換被嚴(yán)格限制在微秒級(jí)，限制了系統(tǒng)輸入輸出時(shí)間，系統(tǒng)本身開銷小，是一個(gè)多任務(wù)、高實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)[6]。

顯控處理軟件主要是完成人機(jī)交換功能。硬件平臺(tái)選用工控機(jī)，以通用的Windows平臺(tái)為系統(tǒng)，使用Visual C＋＋為開發(fā)環(huán)境，利用 National Instruments Measurement控件和3D按鈕控件，開發(fā)出圖形化的人機(jī)交互界面。

3.2 軟件數(shù)據(jù)流程

光纖通信和無線通信建立了球上測(cè)控部分和球下測(cè)控部分的2條通信鏈路。在光纖通信正常時(shí)，無線通信僅僅實(shí)現(xiàn)通信鏈路的正常維護(hù)工作，控制數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)均通過光纖通信鏈路進(jìn)行傳輸；當(dāng)光纖鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，啟用無線通信鏈路，完成對(duì)控制數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)的傳輸工作。2條通信鏈路的數(shù)據(jù)處理過程一致，如圖3所示。度，不同優(yōu)先級(jí)采用搶占式調(diào)度。

圖3 機(jī)動(dòng)式系留氣球軟件數(shù)據(jù)流程

在球控處理軟件中共包括4個(gè)進(jìn)程，分別為定時(shí)處理進(jìn)程、數(shù)據(jù)處理進(jìn)程、網(wǎng)絡(luò)接收進(jìn)程和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送進(jìn)程。為了保證合理地分配計(jì)算機(jī)資源，協(xié)調(diào)4個(gè)進(jìn)程工作，協(xié)同完成對(duì)系留氣球狀態(tài)的采集和控制功能。

球控處理軟件運(yùn)行的流程如圖4所示。

圖4 球控處理軟件運(yùn)行流程

4 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 球控處理軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

球控處理軟件采用VxWorks操作系統(tǒng)，完成對(duì)球控處理多任務(wù)的調(diào)度。VxWorks的內(nèi)核Wind采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度算法作為它的默認(rèn)調(diào)度策略，同時(shí)也提供了輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法。Wind內(nèi)核優(yōu)先級(jí)劃分為256級(jí)，0級(jí)為最高優(yōu)先級(jí)，255為最低優(yōu)先級(jí)。在同優(yōu)先級(jí)任務(wù)間采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)

球控處理中4個(gè)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)如表1所示。

表1 球控處理軟件進(jìn)程優(yōu)先級(jí)

表1中的4個(gè)任務(wù)如下所述。

a.網(wǎng)絡(luò)接收進(jìn)程。檢索光纖網(wǎng)口和無線通信網(wǎng)口的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)及時(shí)保存到網(wǎng)絡(luò)接收緩區(qū)中。

b.網(wǎng)絡(luò)發(fā)送進(jìn)程。檢索光纖網(wǎng)口和無線通信網(wǎng)口的發(fā)送數(shù)據(jù)緩區(qū)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至待發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)IP地址中。

c.數(shù)據(jù)處理進(jìn)程。該進(jìn)程主要循環(huán)檢索各個(gè)接收緩區(qū)中的數(shù)據(jù)，并對(duì)檢索后的數(shù)據(jù)按照協(xié)議進(jìn)行解析、處理。主要包括：檢索并處理來自顯控處理的數(shù)據(jù)；檢索并處理來自三維姿態(tài)的數(shù)據(jù)；檢索并處理來自GPS的數(shù)據(jù)；檢索并處理來自4個(gè)氣囊的壓力數(shù)據(jù)；檢索并處理來自風(fēng)速風(fēng)向儀的數(shù)據(jù)。

d.定時(shí)任務(wù)進(jìn)程。1ms定時(shí)器，每隔1ms程序便進(jìn)入1次，在該進(jìn)程中主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障信息的采集和判斷及其他定時(shí)處理任務(wù)。主要包括：機(jī)箱溫度采集；BIT故障信息采集；系留氣球壓力自控處理；發(fā)送應(yīng)答機(jī)信息；壓力數(shù)據(jù)的融合處理；定時(shí)喂狗處理。

4.2 顯控處理軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顯控處理軟件運(yùn)行的流程如圖5所示。

圖5 顯控處理軟件運(yùn)行流程

顯控處理軟件負(fù)責(zé)系留氣球狀態(tài)、故障的顯示；提供人機(jī)交換接口，完成對(duì)機(jī)動(dòng)式系留氣球系統(tǒng)的控制和參數(shù)設(shè)置功能；完成系統(tǒng)異常時(shí)的報(bào)警；提供數(shù)據(jù)的采集、記錄和回放；完成日志信息的記錄和查詢。

顯控處理軟件采用Mircrosoft Windows XP操作系統(tǒng)，采用Visual C＋＋6.0開發(fā)軟件，運(yùn)用National Instruments Measurement Studio控件、3DButton控件和Flash控件等技術(shù)開發(fā)。充分利用National Instruments Measurement Studio的控件庫(kù)，完成對(duì)顯控處理界面的框架構(gòu)建和詳細(xì)設(shè)計(jì)。使顯控處理軟件界面友好，狀態(tài)顯示美觀、易懂；信息分類明確；操控簡(jiǎn)單方便。

5 結(jié)束語

球控處理軟件是基于VxWorks系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制軟件，具有很高的可靠性和良好的實(shí)時(shí)性，采用了C＋＋語言進(jìn)行開發(fā)，運(yùn)行效率非常高。顯控軟件采用了多控件融合技術(shù)，開發(fā)了美觀、實(shí)用和易讀的軟件界面。球控處理和顯控處理軟件的通用性強(qiáng)，已經(jīng)在一系列的機(jī)動(dòng)式和車載等系留氣球中得到推廣和應(yīng)用，縮短了軟件的開發(fā)周期和成本，提高了軟件的可靠性。

設(shè)計(jì)的三冗余軟件備份技術(shù)提高了系統(tǒng)的可靠性，在3年多的試驗(yàn)過程中，系統(tǒng)一直保持可靠安全的運(yùn)行，滿足航空產(chǎn)品的高可靠性要求。

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