基于ARM和VxWorks的魚雷模擬器系統(tǒng)平臺的研究

黃賡+孫健

摘要： 本文提出了一種基于VxWorks和Sumsung S3C6410的魚雷模擬器系統(tǒng)，VxWorks具有高可靠性和實(shí)時性的優(yōu)點(diǎn)，S3C6410可提供豐富的外部通信接口，通過對硬件外設(shè)和相對應(yīng)的軟件驅(qū)動進(jìn)行配套設(shè)計(jì)，可獲得性能良好的魚雷模擬器系統(tǒng)，并以網(wǎng)絡(luò)接口的TCP/IP通信模式作為程序設(shè)計(jì)實(shí)例。

Abstract： This paper presents one kind of torpedo simulator system based on VxWorks and Sumsung S3C6410. Embedded VxWorks has characteristic of high reliability and timeliness， and S3C6410 provides abundant external communication interfaces. By system hardware and software co-design， high performance torpedo simulator system is obtained. Finally based on the hardware platform TCP/IP network program design is taken as an example.

關(guān)鍵詞： VxWorks；S3C6410；魚雷；模擬器；鏡像

Key words： VxWorks；S3C6410；torpedo；simulator；image

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）22-0037-03

0 引言

魚雷發(fā)射控制系統(tǒng)（簡稱魚雷發(fā)控系統(tǒng)）的工作好壞是航空反潛戰(zhàn)斗力的重要因素之一[l]。在魚雷發(fā)射控制系統(tǒng)的實(shí)際訓(xùn)練和操作過程中，由于真實(shí)的魚雷昂貴，不可能懸掛真實(shí)的魚雷來進(jìn)行操作[2]。為此需要相應(yīng)的魚雷模擬器來完成真實(shí)魚雷的功能，同時具有如下特點(diǎn)：方便操作，可重復(fù)使用，同時具有一定的故障模擬功能和對魚雷發(fā)控系統(tǒng)進(jìn)行檢測的功能。

通常采用基于PC104架構(gòu)、X86構(gòu)架的模擬器系統(tǒng)[3]，盡管系統(tǒng)具有高速32位的CPU、高容量內(nèi)存、顯示、串口、并口、軟硬盤接口、以太網(wǎng)接口、鍵盤、鼠標(biāo)、USB接口等標(biāo)準(zhǔn)功能外，還提供了平板顯示器支持、看門狗等嵌入式控制功能，但是其功耗大散熱高，且系統(tǒng)資源相對較少，要擴(kuò)展的模塊很多，并且這種集散型控制結(jié)構(gòu)也帶來了諸如仿真調(diào)試等方面的問題。

本文提出一種基于ARM和VxWorks的魚雷模擬器系統(tǒng)，采用SUMSUNG S3C6410為系統(tǒng)CPU，VxWorks為模擬器運(yùn)行的嵌入式操作系統(tǒng)，在開發(fā)板上使用以太網(wǎng)接口裝載VxWorks操作系統(tǒng)，建立了VxWorks系統(tǒng)應(yīng)用軟件的調(diào)試環(huán)境，并根據(jù)實(shí)際外部接口的需要，進(jìn)行軟件和硬件的裁剪。

1 模擬器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魚雷模擬器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要具有以下要求：硬件系統(tǒng)需要提供目前武器系統(tǒng)常用的接口類型，如網(wǎng)絡(luò)、串口、IO、CAN等接口；軟件系統(tǒng)具有良好的實(shí)時性和穩(wěn)定可靠性。結(jié)合成本考慮，我們選用了S3C6410作為核心CPU，以VxWorks為其上運(yùn)行的嵌入式操作系統(tǒng)，來搭建魚雷模擬器系統(tǒng)。

S3C6410是一款 ARM1176JZF-S內(nèi)核的16/32 位RISC 微處理器，采用了64/32 位內(nèi)部總線架構(gòu)，包括許多強(qiáng)大的硬件加速器，像視頻處理，音頻處理，二維圖形，顯示操作和縮放。同時，S3C6410內(nèi)部還集成了豐富的硬件外設(shè)，包括TFT 24位真彩色液晶顯示控制器，系統(tǒng)管理器（電源管理等），4通道UART，32 通道DMA，4通道定時器，通用的I/O 端口，IIS總線接口，IIC總線接口，USB主設(shè)備，在高速（480 MB/S）時USB OTG操作，SD主設(shè)備和高速多媒體卡接口、用于產(chǎn)生時鐘的PLL。

VxWorks具有高可靠性和優(yōu)異的實(shí)時性能，其高性能的微內(nèi)核Wind包括多任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間的同步和進(jìn)程間通信機(jī)制，以及中斷處理、看門狗和內(nèi)存管理機(jī)制，支持多種處理器和開發(fā)平臺，并有多種開發(fā)工具，廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時性要求極高的領(lǐng)域中[4]。

圖1顯示了魚雷模擬器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。采用嵌入式CPU，并以此為核心，魚雷模擬器通過諸多不同種類的通訊接口與魚雷火控系統(tǒng)進(jìn)行通信。

2 模擬器硬件設(shè)計(jì)

模擬器硬件設(shè)計(jì)為積木式結(jié)構(gòu)，包括核心板和擴(kuò)展功能板兩部分。核心板上帶有CPU、flash、SDRAM、JTAG等核心部件，它是10*l3cm四層PCB板，核心板通過兩組高密度的30PIN雙排插針引出用到的所有總線和I/O，以便下層擴(kuò)展板使用。擴(kuò)展板用來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)、USB以及串口等模塊，實(shí)現(xiàn)與外界的通訊功能，核心板通過插針插接于擴(kuò)展功能板上。圖2顯示了核心板各引腳的原理圖，可以看出，核心板引出了電源、網(wǎng)絡(luò)、LCD顯示、USB、串口、SD卡、外部中斷、SPI等引腳。

圖3列出了系統(tǒng)的串口電路圖，系統(tǒng)共用COM0、COM1、COM2三個RS-232串口。為了方便調(diào)試，可將其中某一個串口配置為控制臺終端輸出口。

網(wǎng)絡(luò)接口采用DM9000芯片，它是一款快速以太網(wǎng)MAC控制器，集成了10M/100M自適應(yīng)收發(fā)器和4K雙字的SRAM，支持IEEE802.3x流量控制的全雙工模式，支持喚醒幀、鏈路狀態(tài)改變和遠(yuǎn)程的喚醒。其中LDATA0～LDATA15是0～15位的數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線，由CMD引腳決定當(dāng)期訪問類型，CMD高電平是訪問數(shù)據(jù)端口，低電平是訪問地址端口。TXO+、TXO-和RXI+、RXI-分別為物理層發(fā)送端和接收端引腳。EEPROM存儲了生產(chǎn)商ID和產(chǎn)品ID、網(wǎng)卡的MAC地址、網(wǎng)卡的一些配置等信息，AUOT-MDIX為線序自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變壓器，RJ45網(wǎng)絡(luò)接口。圖4顯示了DM9000A網(wǎng)絡(luò)芯片擴(kuò)展原理圖。endprint

系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)可根據(jù)系統(tǒng)功能和通訊接口的需求進(jìn)行適當(dāng)裁剪，上面只列出了模擬器必備的串口和網(wǎng)絡(luò)接口。

3 模擬器軟件設(shè)計(jì)

3.1 VxWorks bootrom映像的生成 Vxworks軟件平臺按功能可以抽象為以下四部分，如圖5所示。第一層是系統(tǒng)的板級支持包BSP，它是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發(fā)包，為整個軟件系統(tǒng)提供底層硬件支持；第二層是系統(tǒng)的驅(qū)動程序?qū)?；第三層是Vxworks操作系統(tǒng)內(nèi)核，內(nèi)核將應(yīng)用系統(tǒng)和底層軟件結(jié)合成一個完整的實(shí)時系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)任務(wù)分配和調(diào)度、系統(tǒng)時鐘服務(wù)、內(nèi)存管理、消息機(jī)制、異常處理等[5]。最上層為應(yīng)用層。

為了方便使用，本文直接使用國內(nèi)廠商飛凌嵌入式技術(shù)有限公司提供的BSP軟件包[6]，通過在Tornado2.2開發(fā)平臺下，直接生成VxWorks bootrom鏡像，該鏡像是一個不包含用戶程序的VxWorks系統(tǒng)。后面的應(yīng)用程序開發(fā)可以編譯成下載型鏡像，然后裝載，或者直接建立包含用戶程序的引導(dǎo)型鏡像裝載。

3.2 模擬器軟件設(shè)計(jì)舉例 通常多個設(shè)備的交互中，廣泛采用網(wǎng)絡(luò)接口，下面以網(wǎng)絡(luò)接口通訊為例，說明VxWorks下應(yīng)用軟件的開發(fā)方法，其他接口的軟件設(shè)計(jì)也類似。軟件采用模塊化和分層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，程序由下到上分為硬件交互層，中間通信層，應(yīng)用層，如圖6所示。通過中間通信層，可單獨(dú)對處于底層的硬件交互層和頂層的應(yīng)用層模塊分別進(jìn)行調(diào)試，有利于模塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)，降低模塊的耦合度。這種設(shè)計(jì)也符合類“高內(nèi)聚，低耦合”的設(shè)計(jì)思想。

由于VxWorks下具有功能完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因此網(wǎng)絡(luò)已成為VxWorks系統(tǒng)與其他系統(tǒng)間通信的主要途徑。通常魚雷火控系統(tǒng)跟魚雷之間采用TCP/IP模式，也就是客戶端/服務(wù)器端模式，客戶端先向服務(wù)器端提出服務(wù)請求，服務(wù)器端收到請求后，提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在魚雷模擬器中，魚雷火控系統(tǒng)作為服務(wù)器端，魚雷模擬器作為客戶端，兩端通信工作流程如圖7。同時，按照需要定義的數(shù)據(jù)幀格式，在服務(wù)器和客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié)論

本文把實(shí)時多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)引入魚雷模擬器系統(tǒng)，提出了基于嵌入式軟硬件技術(shù)的解決方案，使用SUMSUNG S3C6410的ARM微處理器，取代現(xiàn)行大功耗器件作為魚雷模擬器的硬件平臺，可以提高系統(tǒng)集成度，降低功耗，減小體積，同時利用VxWorks內(nèi)核的快速多任務(wù)切換、基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度等特性，來管理魚雷模擬器系統(tǒng)，通過對硬件外設(shè)和相對應(yīng)的軟件驅(qū)動進(jìn)行配套設(shè)計(jì)，可獲得性能較好的魚雷模擬器系統(tǒng)，并以網(wǎng)口的TCP/IP通信模式作為程序設(shè)計(jì)實(shí)例。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳齊.基于PCI的1553B通訊擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004.

[2]陳遵銀.某型直升機(jī)魚雷發(fā)控系統(tǒng)[M].海軍航空工程學(xué)院青島分院，2006.

[3]楊建新.魚雷發(fā)控自動檢測系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測量和控制， 2007（10）：1346-1348.

[4]馬超，尹長青.VxWorks嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)研究[J].電腦知識與技術(shù)，2005，10.

[5]周啟平，張揚(yáng)編著.VxWorks下設(shè)備驅(qū)動程序及BSP開發(fā)指南[M].北京：中國電力出版社，2004，9.

[6]TE6410開發(fā)板光盤資料，飛凌嵌入式技術(shù)有限公司.endprint

系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)可根據(jù)系統(tǒng)功能和通訊接口的需求進(jìn)行適當(dāng)裁剪，上面只列出了模擬器必備的串口和網(wǎng)絡(luò)接口。

3 模擬器軟件設(shè)計(jì)

3.1 VxWorks bootrom映像的生成 Vxworks軟件平臺按功能可以抽象為以下四部分，如圖5所示。第一層是系統(tǒng)的板級支持包BSP，它是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發(fā)包，為整個軟件系統(tǒng)提供底層硬件支持；第二層是系統(tǒng)的驅(qū)動程序?qū)?；第三層是Vxworks操作系統(tǒng)內(nèi)核，內(nèi)核將應(yīng)用系統(tǒng)和底層軟件結(jié)合成一個完整的實(shí)時系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)任務(wù)分配和調(diào)度、系統(tǒng)時鐘服務(wù)、內(nèi)存管理、消息機(jī)制、異常處理等[5]。最上層為應(yīng)用層。

為了方便使用，本文直接使用國內(nèi)廠商飛凌嵌入式技術(shù)有限公司提供的BSP軟件包[6]，通過在Tornado2.2開發(fā)平臺下，直接生成VxWorks bootrom鏡像，該鏡像是一個不包含用戶程序的VxWorks系統(tǒng)。后面的應(yīng)用程序開發(fā)可以編譯成下載型鏡像，然后裝載，或者直接建立包含用戶程序的引導(dǎo)型鏡像裝載。

3.2 模擬器軟件設(shè)計(jì)舉例 通常多個設(shè)備的交互中，廣泛采用網(wǎng)絡(luò)接口，下面以網(wǎng)絡(luò)接口通訊為例，說明VxWorks下應(yīng)用軟件的開發(fā)方法，其他接口的軟件設(shè)計(jì)也類似。軟件采用模塊化和分層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，程序由下到上分為硬件交互層，中間通信層，應(yīng)用層，如圖6所示。通過中間通信層，可單獨(dú)對處于底層的硬件交互層和頂層的應(yīng)用層模塊分別進(jìn)行調(diào)試，有利于模塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)，降低模塊的耦合度。這種設(shè)計(jì)也符合類“高內(nèi)聚，低耦合”的設(shè)計(jì)思想。

由于VxWorks下具有功能完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因此網(wǎng)絡(luò)已成為VxWorks系統(tǒng)與其他系統(tǒng)間通信的主要途徑。通常魚雷火控系統(tǒng)跟魚雷之間采用TCP/IP模式，也就是客戶端/服務(wù)器端模式，客戶端先向服務(wù)器端提出服務(wù)請求，服務(wù)器端收到請求后，提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在魚雷模擬器中，魚雷火控系統(tǒng)作為服務(wù)器端，魚雷模擬器作為客戶端，兩端通信工作流程如圖7。同時，按照需要定義的數(shù)據(jù)幀格式，在服務(wù)器和客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié)論

本文把實(shí)時多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)引入魚雷模擬器系統(tǒng)，提出了基于嵌入式軟硬件技術(shù)的解決方案，使用SUMSUNG S3C6410的ARM微處理器，取代現(xiàn)行大功耗器件作為魚雷模擬器的硬件平臺，可以提高系統(tǒng)集成度，降低功耗，減小體積，同時利用VxWorks內(nèi)核的快速多任務(wù)切換、基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度等特性，來管理魚雷模擬器系統(tǒng)，通過對硬件外設(shè)和相對應(yīng)的軟件驅(qū)動進(jìn)行配套設(shè)計(jì)，可獲得性能較好的魚雷模擬器系統(tǒng)，并以網(wǎng)口的TCP/IP通信模式作為程序設(shè)計(jì)實(shí)例。

參考文獻(xiàn)：

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[5]周啟平，張揚(yáng)編著.VxWorks下設(shè)備驅(qū)動程序及BSP開發(fā)指南[M].北京：中國電力出版社，2004，9.

[6]TE6410開發(fā)板光盤資料，飛凌嵌入式技術(shù)有限公司.endprint

系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)可根據(jù)系統(tǒng)功能和通訊接口的需求進(jìn)行適當(dāng)裁剪，上面只列出了模擬器必備的串口和網(wǎng)絡(luò)接口。

3 模擬器軟件設(shè)計(jì)

3.1 VxWorks bootrom映像的生成 Vxworks軟件平臺按功能可以抽象為以下四部分，如圖5所示。第一層是系統(tǒng)的板級支持包BSP，它是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發(fā)包，為整個軟件系統(tǒng)提供底層硬件支持；第二層是系統(tǒng)的驅(qū)動程序?qū)樱坏谌龑邮荲xworks操作系統(tǒng)內(nèi)核，內(nèi)核將應(yīng)用系統(tǒng)和底層軟件結(jié)合成一個完整的實(shí)時系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)任務(wù)分配和調(diào)度、系統(tǒng)時鐘服務(wù)、內(nèi)存管理、消息機(jī)制、異常處理等[5]。最上層為應(yīng)用層。

為了方便使用，本文直接使用國內(nèi)廠商飛凌嵌入式技術(shù)有限公司提供的BSP軟件包[6]，通過在Tornado2.2開發(fā)平臺下，直接生成VxWorks bootrom鏡像，該鏡像是一個不包含用戶程序的VxWorks系統(tǒng)。后面的應(yīng)用程序開發(fā)可以編譯成下載型鏡像，然后裝載，或者直接建立包含用戶程序的引導(dǎo)型鏡像裝載。

3.2 模擬器軟件設(shè)計(jì)舉例 通常多個設(shè)備的交互中，廣泛采用網(wǎng)絡(luò)接口，下面以網(wǎng)絡(luò)接口通訊為例，說明VxWorks下應(yīng)用軟件的開發(fā)方法，其他接口的軟件設(shè)計(jì)也類似。軟件采用模塊化和分層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，程序由下到上分為硬件交互層，中間通信層，應(yīng)用層，如圖6所示。通過中間通信層，可單獨(dú)對處于底層的硬件交互層和頂層的應(yīng)用層模塊分別進(jìn)行調(diào)試，有利于模塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)，降低模塊的耦合度。這種設(shè)計(jì)也符合類“高內(nèi)聚，低耦合”的設(shè)計(jì)思想。

由于VxWorks下具有功能完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因此網(wǎng)絡(luò)已成為VxWorks系統(tǒng)與其他系統(tǒng)間通信的主要途徑。通常魚雷火控系統(tǒng)跟魚雷之間采用TCP/IP模式，也就是客戶端/服務(wù)器端模式，客戶端先向服務(wù)器端提出服務(wù)請求，服務(wù)器端收到請求后，提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在魚雷模擬器中，魚雷火控系統(tǒng)作為服務(wù)器端，魚雷模擬器作為客戶端，兩端通信工作流程如圖7。同時，按照需要定義的數(shù)據(jù)幀格式，在服務(wù)器和客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié)論

本文把實(shí)時多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)引入魚雷模擬器系統(tǒng)，提出了基于嵌入式軟硬件技術(shù)的解決方案，使用SUMSUNG S3C6410的ARM微處理器，取代現(xiàn)行大功耗器件作為魚雷模擬器的硬件平臺，可以提高系統(tǒng)集成度，降低功耗，減小體積，同時利用VxWorks內(nèi)核的快速多任務(wù)切換、基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度等特性，來管理魚雷模擬器系統(tǒng)，通過對硬件外設(shè)和相對應(yīng)的軟件驅(qū)動進(jìn)行配套設(shè)計(jì)，可獲得性能較好的魚雷模擬器系統(tǒng)，并以網(wǎng)口的TCP/IP通信模式作為程序設(shè)計(jì)實(shí)例。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳齊.基于PCI的1553B通訊擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004.

[2]陳遵銀.某型直升機(jī)魚雷發(fā)控系統(tǒng)[M].海軍航空工程學(xué)院青島分院，2006.

[3]楊建新.魚雷發(fā)控自動檢測系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測量和控制， 2007（10）：1346-1348.

[4]馬超，尹長青.VxWorks嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)研究[J].電腦知識與技術(shù)，2005，10.

[5]周啟平，張揚(yáng)編著.VxWorks下設(shè)備驅(qū)動程序及BSP開發(fā)指南[M].北京：中國電力出版社，2004，9.

[6]TE6410開發(fā)板光盤資料，飛凌嵌入式技術(shù)有限公司.endprint