基于反射內(nèi)存卡的實(shí)時(shí)網(wǎng)構(gòu)建

侯世芳++張科昌

摘要：飛機(jī)地面試驗(yàn)是飛機(jī)系統(tǒng)在地面進(jìn)行性能及功能試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)及驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的重要渠道，在新型飛機(jī)研制中具有不可替代的作用，并為后續(xù)新型飛機(jī)的研制提供重要的理論依據(jù)。在大型地面試驗(yàn)中，網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果，尤其是對(duì)含有實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性可能會(huì)影響飛機(jī)的飛行品質(zhì)結(jié)果。文中論述了反射內(nèi)存實(shí)時(shí)網(wǎng)的工作原理，重點(diǎn)論述了反射內(nèi)存網(wǎng)的選型、構(gòu)建及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在工程應(yīng)用中達(dá)到了良好的效果。

關(guān)鍵詞： 試驗(yàn)系統(tǒng)；系統(tǒng)構(gòu)建；反射內(nèi)存

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）18-4133-02

飛機(jī)地面試驗(yàn)系統(tǒng)是由多個(gè)分系統(tǒng)組成的非常復(fù)雜的試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)中有些分系統(tǒng)之間還需要實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)，所以對(duì)分系統(tǒng)之間實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)的能力有著比較嚴(yán)格的要求。各個(gè)子系統(tǒng)之間在試驗(yàn)過(guò)程中需要實(shí)時(shí)傳送大量的數(shù)據(jù)，而且為了得到較好的仿真效果，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求很高，要求小于1ms，但是傳統(tǒng)的以太網(wǎng)顯然是不能滿(mǎn)足要求的。反射內(nèi)存實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)采用光纖連接的內(nèi)存共享卡，很好地解決了網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的問(wèn)題，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)時(shí)性可以達(dá)到100ns。

在以前的試驗(yàn)系統(tǒng)中，為了滿(mǎn)足這種實(shí)時(shí)性的要求，會(huì)在相關(guān)系統(tǒng)都配置數(shù)據(jù)采集模塊，并關(guān)聯(lián)到模擬數(shù)據(jù)總線(xiàn)來(lái)實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。但是這樣的方式雖然解決了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，但由于采集系統(tǒng)之間存在差異，各個(gè)分系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)也出現(xiàn)一定程度的差異。利用以太網(wǎng)共享數(shù)據(jù)，雖然解決了數(shù)據(jù)的一致性，但不能達(dá)到高實(shí)時(shí)性的要求，嚴(yán)重影響仿真的真實(shí)性。

反射內(nèi)存網(wǎng)是一種高速實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，它通過(guò)共享存儲(chǔ)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。反射內(nèi)存網(wǎng)常用于有較高實(shí)時(shí)性要求網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，它除了具有嚴(yán)格的傳輸確定性和可預(yù)測(cè)性外，還具有速度高、通訊協(xié)議簡(jiǎn)單、宿主機(jī)負(fù)載輕、軟硬件平臺(tái)適應(yīng)性強(qiáng)、可靠的傳輸糾錯(cuò)能力、支持中斷信號(hào)的傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。利用反射內(nèi)存網(wǎng)的這些優(yōu)勢(shì)搭建飛機(jī)地面試驗(yàn)系統(tǒng)，能很好地解決傳統(tǒng)系統(tǒng)的不足，為飛機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)的多樣性提供很好的軟硬件平臺(tái)。

1 反射內(nèi)存網(wǎng)的基本原理和特點(diǎn)

反射內(nèi)存網(wǎng)是一種高速的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，它允許采用不同的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)和不同操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)以確定的速度分享實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。

反射內(nèi)存網(wǎng)是由網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存卡通過(guò)光纖連接而成的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)上的每臺(tái)計(jì)算機(jī)中插入一塊網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存卡，從而形成網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。而每個(gè)節(jié)點(diǎn)的反射內(nèi)存卡上的存儲(chǔ)器中都有反射內(nèi)存網(wǎng)上其它節(jié)點(diǎn)的共享數(shù)據(jù)拷貝。每個(gè)反射內(nèi)存板上的存儲(chǔ)器都被分成若干個(gè)地址段，每個(gè)地址段對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)上的一臺(tái)計(jì)算機(jī)。網(wǎng)上任何計(jì)算機(jī)向本地反射內(nèi)存板對(duì)應(yīng)的地址段寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，該數(shù)據(jù)和相應(yīng)內(nèi)存地址被廣播到網(wǎng)上所有其他反射內(nèi)存板并存儲(chǔ)在相同的位置。所以計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入其本地反射內(nèi)存板后的極短時(shí)間內(nèi)，網(wǎng)上所有計(jì)算機(jī)都可以訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)新數(shù)據(jù)。

反射內(nèi)存網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸是純硬件操作，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，因此它與以太網(wǎng)等其它傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比具有更低的數(shù)據(jù)傳輸延遲、更快的傳輸速度、更簡(jiǎn)單靈活的使用操作，可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)系統(tǒng)快速反應(yīng)周期的要求，而采用其它網(wǎng)絡(luò)就很難滿(mǎn)足這種要求。

2 系統(tǒng)選型

飛機(jī)地面試驗(yàn)系統(tǒng)中反射內(nèi)存卡選用美國(guó)GE的PCI-5565PIORC，交換機(jī)選用ACC-5595-208，數(shù)字控制卡為NI公司的PCI-6509以及研華的工控機(jī)。

系統(tǒng)軟件采用LabWindows CVI 9.0英文版軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，界面全部按照測(cè)控方面操作人員常用的菜單與按鈕相結(jié)合的模式，各功能模塊相互獨(dú)立，便用用戶(hù)操作。

3 系統(tǒng)構(gòu)建

在飛機(jī)地面試驗(yàn)系統(tǒng)中，能夠組成反射內(nèi)存網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)大致有仿真試驗(yàn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、總控系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、分析系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等?；诜瓷鋬?nèi)存網(wǎng)的操縱試驗(yàn)系統(tǒng)組建如圖1所示。

3.1 各個(gè)節(jié)點(diǎn)必須支持反射內(nèi)存網(wǎng)

盡管反射內(nèi)存網(wǎng)的系列產(chǎn)品提供了豐富的計(jì)算機(jī)接口，比如PCI、PXI、VME、PXI等等，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)應(yīng)按照相應(yīng)的接口類(lèi)型選擇相應(yīng)總線(xiàn)的反射內(nèi)存卡，但是并不是簡(jiǎn)單地在計(jì)算機(jī)上插入反射內(nèi)存卡就可以連接到反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)中的。雖然有些節(jié)點(diǎn)采用的設(shè)備中有相應(yīng)總線(xiàn)接口支持插入放射內(nèi)存卡，但是我們常常遇到的問(wèn)題是，系統(tǒng)并不支持第三方軟件開(kāi)發(fā)，也就是說(shuō)在系統(tǒng)應(yīng)用軟件中無(wú)法驅(qū)動(dòng)反射內(nèi)存卡，也無(wú)法對(duì)反射內(nèi)存卡進(jìn)行讀寫(xiě)。

在組建基于反射內(nèi)存網(wǎng)的操縱試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該重視以上問(wèn)題，盡量選擇能夠支持反射內(nèi)存網(wǎng)的系統(tǒng)，或者軟件支持二次開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)。如果現(xiàn)有的系統(tǒng)不支持反射內(nèi)存網(wǎng)，也不支持二次開(kāi)發(fā)，那么可以通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)反射內(nèi)存網(wǎng)的讀寫(xiě)。

3.2 各個(gè)節(jié)點(diǎn)及驅(qū)動(dòng)

反射內(nèi)存網(wǎng)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要一段代碼的驅(qū)動(dòng)才能進(jìn)行讀寫(xiě)，只要該系統(tǒng)支持軟件編程和代碼修改，編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)代碼是非常簡(jiǎn)單的。各節(jié)點(diǎn)編程人員都必須按照系統(tǒng)約定的通訊協(xié)議進(jìn)行編程，這樣組成的系統(tǒng)才可能會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

3.3 通訊協(xié)議

反射內(nèi)存網(wǎng)的硬件組建與普通的以太網(wǎng)相似，是非常簡(jiǎn)單的，但其運(yùn)行效率卻與約定的通訊協(xié)議和各個(gè)節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)有直接的關(guān)系。

反射內(nèi)存網(wǎng)的通訊協(xié)議可以按照試驗(yàn)系統(tǒng)本身的特點(diǎn)來(lái)自行定義，主要內(nèi)容有：

1） 規(guī)定各個(gè)節(jié)點(diǎn)在反射內(nèi)存卡的存儲(chǔ)器上對(duì)應(yīng)的地址段；

2） 規(guī)定各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)內(nèi)存地址的指令和數(shù)據(jù)格式；

3） 規(guī)定各個(gè)節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)的令牌；

4） 規(guī)定各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)刷新的標(biāo)志；

5） 規(guī)定系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接狀態(tài)；

6） 規(guī)定數(shù)據(jù)交換模式等等。

組成網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)子系統(tǒng)必須按照商定的通訊協(xié)議進(jìn)行操作，才能保證全系統(tǒng)能夠有序地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。各系統(tǒng)代碼及標(biāo)識(shí)定義見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)代碼和標(biāo)識(shí)定義

3.4 傳輸效率及其優(yōu)化設(shè)計(jì)

反射內(nèi)存網(wǎng)上的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)廣播或者中斷的方式與其它的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。但是在實(shí)際工作中，由于各種因素的影響和實(shí)時(shí)性的要求，廣播和中斷兩種方式都存在不同程度的缺陷，為了保證各個(gè)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的同步性，系統(tǒng)可能要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)進(jìn)程同時(shí)工作，這就會(huì)給系統(tǒng)造成較大的資源壓力，有時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

這里提出一種簡(jiǎn)單而且非常實(shí)用的通訊協(xié)議，能夠大大提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，且基本不會(huì)多占用系統(tǒng)的資源。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)在自己對(duì)應(yīng)的地址段設(shè)定一個(gè)讀取狀態(tài)字和寫(xiě)入狀態(tài)字，狀態(tài)字的每個(gè)位對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。每當(dāng)該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好需要更新時(shí)，系統(tǒng)先自動(dòng)查詢(xún)對(duì)應(yīng)接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)字，看看它們是否已經(jīng)完成了數(shù)據(jù)的讀取。如果有些節(jié)點(diǎn)沒(méi)有讀取，則等待。如果所有節(jié)點(diǎn)都已讀取，即可更新數(shù)據(jù)，即可修改寫(xiě)入狀態(tài)字。反之，如果該節(jié)點(diǎn)讀取了相關(guān)其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則立刻修讀取改狀態(tài)字，表示數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取。

實(shí)踐證明，這樣的通訊協(xié)議簡(jiǎn)化了系統(tǒng)提供的廣播和中斷方式操作，在系統(tǒng)可靠性和實(shí)時(shí)性方面都有很好的保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

反射內(nèi)存實(shí)時(shí)網(wǎng)在飛機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)，特別是飛機(jī)系統(tǒng)地面動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)中起著非常重要的作用。反射內(nèi)存網(wǎng)的諸多特點(diǎn)使其成為飛機(jī)地面試驗(yàn)中確保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的一個(gè)理想的技術(shù)，非常適合在大型試驗(yàn)、多系統(tǒng)參與、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)量大的試驗(yàn)中采用。隨著飛機(jī)試驗(yàn)任務(wù)要求的不斷提高，組建基于反射內(nèi)存網(wǎng)的試驗(yàn)系統(tǒng)有著很重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐琦， 方澄. 基于反射內(nèi)存網(wǎng)的多飛行模擬器時(shí)間同步[J].火力與控制指揮，2009（11）.