艦船噪聲數(shù)據(jù)連續(xù)回放技術(shù)研究＊

胡生國 朱 艷

（中船重工第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

在水雷目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)研制的特定階段，需要進(jìn)行長時(shí)間或特定工況下的考核測(cè)試，基于特定的原因，有些考核可以在海上以實(shí)船方式進(jìn)行，有些卻不能，只能在實(shí)驗(yàn)室或以特定的儀器設(shè)備進(jìn)行考核驗(yàn)證。為確保目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)能經(jīng)受嚴(yán)酷的考核試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室條件下必須預(yù)先對(duì)目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行長時(shí)間、惡劣工況條件下的仿真試驗(yàn)考核。為提高仿真置信度，在研制的后期一般均是采用實(shí)航試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行考核驗(yàn)證。受限于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存儲(chǔ)容量的限制，長時(shí)間特定工況下的連續(xù)噪聲信號(hào)都是以一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)文件存在，在半實(shí)物仿真過程中，在將數(shù)據(jù)文件中的信號(hào)還原成實(shí)航條件下的信號(hào)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)輸出信號(hào)是一段一段的，與實(shí)航條件下的狀態(tài)不一致，導(dǎo)致仿真置信度大幅下降，失去考核作用。如何將多個(gè)數(shù)據(jù)文件以連續(xù)回放方式將信號(hào)還原出來，成為特定工況如臺(tái)風(fēng)條件下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行考核的必然要求。本文采用上下位機(jī)方式，采用VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，輔之以特定的軟件控制流程，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)數(shù)據(jù)文件連續(xù)回放的功能，回放的數(shù)據(jù)文件取決硬盤所能存儲(chǔ)的最大容量，真正實(shí)現(xiàn)了長航程的考核，在半實(shí)物仿真試驗(yàn)中獲得了成功的應(yīng)用。

2 技術(shù)原理

在實(shí)航試驗(yàn)過程中，物理場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的艦船噪聲數(shù)據(jù)以定長的具有特定格式的數(shù)據(jù)文件存放，數(shù)據(jù)文件包含文件頭，包頭，幀頭等，不同的文件名以時(shí)間段進(jìn)行區(qū)分，相鄰的文件名在時(shí)間上是相互銜接的，如某一個(gè)文件名為11.12.52.30.dat，數(shù)據(jù)時(shí)長為10min，則下一個(gè)文件名為.11.13.02.30.dat。在半實(shí)物仿真過程中，為了復(fù)現(xiàn)實(shí)航試驗(yàn)狀態(tài)，要求數(shù)據(jù)文件以時(shí)間為序連續(xù)回放。為實(shí)現(xiàn)這一功能，采用上下位機(jī)的方式，上位機(jī)運(yùn)行Windows系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，下位機(jī)運(yùn)行VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取及連續(xù)回放功能。首先將所有的待回放的數(shù)據(jù)文件全部拷入下位機(jī)的硬盤（在數(shù)據(jù)文件存放的過程中，文件不一定是按時(shí)間順序進(jìn)行存放的），在上位機(jī)上運(yùn)行人機(jī)交互軟件，將下位機(jī)所有的數(shù)據(jù)文件名提取并按時(shí)間順序排序。仿真時(shí)首先通過人機(jī)交互軟件選擇待回放的第一個(gè)數(shù)據(jù)文件，通過網(wǎng)絡(luò)方式傳給下位的測(cè)控軟件，下位機(jī)的測(cè)控軟件在硬盤上找到對(duì)應(yīng)的文件名，打開按幀方式讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的操作，當(dāng)數(shù)據(jù)文件讀到數(shù)據(jù)末尾時(shí)，測(cè)控軟件向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，上位機(jī)的人機(jī)交互軟件取下一個(gè)文件名并傳送給下位機(jī)，完成下一個(gè)文件的讀取準(zhǔn)備。為確保兩個(gè)數(shù)據(jù)文件之間的無縫銜接，應(yīng)充分利用硬件設(shè)備板卡如DA板卡上的動(dòng)態(tài)緩存，通過軟件流程控制，使動(dòng)態(tài)緩存中的數(shù)據(jù)用完之前及時(shí)將新文件中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，保證兩個(gè)數(shù)據(jù)文件之間的無縫銜接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連續(xù)輸出。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用上下位機(jī)結(jié)合高性能DA板卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件連續(xù)回放過程，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示［6］。

圖1 仿真系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)由三部分組成：1）上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)，運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)，安裝人機(jī)交互軟件開發(fā)工具Visual Studio及VxWorks前端編譯工具Tornado，完成仿真人機(jī)交互及仿真過程監(jiān)控功能，與仿真計(jì)算機(jī)之間以網(wǎng)絡(luò)連接，采用UDP／IP方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊；2）下位仿真計(jì)算機(jī)，CPCI總線架構(gòu)，運(yùn)行VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及實(shí)時(shí)測(cè)控軟件，硬盤中存放實(shí)航試驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)解析，網(wǎng)絡(luò)通訊，數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，與DA板卡之間通過CPCI總線以DMA方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；3）多通道同步信號(hào)輸出DA板卡，接收仿真計(jì)算機(jī)傳輸過來的數(shù)字信號(hào)，按照設(shè)定的通道及數(shù)據(jù)采樣率將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)輸出。

4 軟件架構(gòu)及工作流程

下位機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)控軟件采用多任務(wù)方式，其主要的任務(wù)如表1所示。

正常工作時(shí)，只運(yùn)行任務(wù)3、任務(wù)4及任務(wù)5。軟件流程的核心是圍繞多通道同步信號(hào)輸出DA板卡來進(jìn)行流程劃分，關(guān)鍵點(diǎn)在于DA板卡上的動(dòng)態(tài)緩存的運(yùn)用。

5 信號(hào)連續(xù)輸出實(shí)現(xiàn)

連續(xù)輸出技術(shù)主要涉及二個(gè)方面，一個(gè)是所采用板卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，另一個(gè)是對(duì)板卡自身所帶動(dòng)態(tài)緩存的應(yīng)用。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式?jīng)Q定多通道信號(hào)是否能正確輸出，動(dòng)態(tài)緩存則決定信號(hào)是否能連續(xù)不中斷輸出。

表1 實(shí)時(shí)測(cè)控軟件任務(wù)

5.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式

多通道數(shù)據(jù)的正確輸出取決于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，對(duì)不同的硬件板卡，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式不盡相同，首先數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式要符合板卡本身數(shù)據(jù)采樣的要求，對(duì)本研究已選定的 PMC－16AO－12－20221板卡而言，其數(shù)據(jù)的存放格式如表2所示。

其數(shù)據(jù)是按激活的通道數(shù)順序存放的，每一個(gè)通道的同一序號(hào)的數(shù)組成一幀，每一個(gè)采樣周期的觸發(fā)脈沖將一幀數(shù)據(jù)取出，按相應(yīng)的順序發(fā)送到不同通道對(duì)應(yīng)的DAC，當(dāng)最后一個(gè)通道的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，所有通道的DAC同時(shí)觸發(fā)，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

表2 動(dòng)態(tài)緩存數(shù)據(jù)存放示意表（激活3、6、8通道）

5.2 動(dòng)態(tài)緩存的工作方式

同步輸出板卡動(dòng)態(tài)緩存的工作方式分為兩種，一種為閉環(huán)方式，一種為開環(huán)方式［2］，其工作示意圖如圖5、圖6。

圖2 閉環(huán)緩存工作示意圖

圖3 開環(huán)緩存工作示意圖

如圖2所示，閉環(huán)緩存工作時(shí)，預(yù)先放入緩存的數(shù)據(jù)在采樣時(shí)鐘的作用下，其數(shù)據(jù)流有二個(gè)方向，其一為采樣時(shí)鐘將數(shù)據(jù)幀直接轉(zhuǎn)向DAC，此為模擬信號(hào)輸出通道，其二為轉(zhuǎn)向DAC的數(shù)據(jù)同時(shí)被導(dǎo)向先前放入緩存的數(shù)據(jù)的末尾，變成了一個(gè)環(huán)形通道，動(dòng)態(tài)緩存中的數(shù)據(jù)既沒增多，也沒減少。

如圖3所示，開環(huán)動(dòng)態(tài)緩存工作時(shí)，當(dāng)從總線來的數(shù)據(jù)放入動(dòng)態(tài)緩存后，一旦數(shù)據(jù)的采樣時(shí)鐘啟動(dòng)，其數(shù)據(jù)只有一個(gè)流向，即數(shù)據(jù)被采樣時(shí)鐘導(dǎo)向了DAC，緩存中的數(shù)據(jù)同步向前流動(dòng)，緩存中的數(shù)據(jù)同步減少。

從圖2、圖3可以看出，為了防止數(shù)據(jù)輸出中途出現(xiàn)斷點(diǎn)，每一幀的數(shù)據(jù)首尾必須相接，在技術(shù)上，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)放入動(dòng)態(tài)緩存時(shí)，其尾部自動(dòng)出現(xiàn)一個(gè)EOF標(biāo)識(shí)，每一幀數(shù)據(jù)放入時(shí)，其頭部首先尋找EOF標(biāo)識(shí)，然后在數(shù)據(jù)末尾按順序排放，既防止數(shù)據(jù)出現(xiàn)斷點(diǎn)，又可防止數(shù)據(jù)格式混亂。其工作示意圖見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)幀銜接示意圖

5.3 中斷控制

多通道同步信號(hào)輸出DA板提供了七種中斷源，如表3所示。

表3 DA板中斷源

如表3所示，與動(dòng)態(tài)緩存有關(guān)的中斷有三種，分別為動(dòng)態(tài)緩空中斷，動(dòng)態(tài)緩存1／4滿中斷及動(dòng)態(tài)緩存3／4滿中斷，顯然在仿真中選擇動(dòng)態(tài)輸出緩存空是不可取的，因?yàn)楸厝粫?huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出的斷點(diǎn)。在另兩種中斷方式中選擇何種中斷方式與仿真系統(tǒng)的規(guī)劃有關(guān)，與之有關(guān)的主要有仿真幀數(shù)據(jù)量，采樣時(shí)鐘頻率，動(dòng)態(tài)緩存的大小及CPU的計(jì)算速度，幾種因素相互制約，需綜合考慮。首先一旦DA選定，其動(dòng)態(tài)緩存的總量就定下了，可以按1／2n來進(jìn)行動(dòng)態(tài)緩存劃分，本研究中采用全動(dòng)態(tài)緩存即128k，當(dāng)采用1／4滿中斷方式時(shí)，即動(dòng)態(tài)緩存中的數(shù)據(jù)少于32k時(shí)，DA板會(huì)發(fā)出中斷請(qǐng)求，若采用3／4滿中斷方式時(shí)，動(dòng)態(tài)緩存中的數(shù)據(jù)少于96k時(shí)會(huì)發(fā)出中斷請(qǐng)求。采用這兩種方式時(shí)分別有限制條件，當(dāng)采用1／4方式時(shí)，要確保CPU在32k的數(shù)據(jù)被采樣完之前計(jì)算完新的一幀數(shù)據(jù)并將其導(dǎo)入動(dòng)態(tài)緩存。而采用3／4方式，要確保CPU計(jì)算出的一幀數(shù)據(jù)通過DMA導(dǎo)入動(dòng)態(tài)緩存時(shí)，數(shù)據(jù)不溢出［1］。

5.4 數(shù)據(jù)文件間銜接控制

當(dāng)一個(gè)噪聲數(shù)據(jù)放完時(shí)，為了防止動(dòng)態(tài)緩存中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)空狀態(tài)，必須在緩存中的數(shù)據(jù)放完之前放入下一個(gè)文件中的數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能必須充分利用動(dòng)態(tài)緩存的1／4中斷標(biāo)識(shí)及1／4緩存容量，動(dòng)態(tài)緩存示意圖如下：

圖5 動(dòng)態(tài)緩存數(shù)據(jù)流向示意圖

若動(dòng)態(tài)緩存容量為128k，則1／4容量為32k，設(shè)采樣時(shí)鐘為50kHz，通道數(shù)為6，則從1／4緩存中斷到數(shù)據(jù)放完所需時(shí)間為

在109ms內(nèi)需要完成：1）關(guān)閉當(dāng)前文件，向上位機(jī)請(qǐng)求下一個(gè)文件名；2）上位機(jī)響應(yīng)請(qǐng)求，發(fā)送下一個(gè)文件名到下位機(jī)；3）下位機(jī)接收了文件名，并在硬盤中查找對(duì)應(yīng)文件；4）打開文件，讀出一幀數(shù)據(jù)并解析；5）將數(shù)據(jù)放入動(dòng)態(tài)緩存。由于下位機(jī)采用VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要的耗時(shí)在第2）步，經(jīng)實(shí)測(cè)，采用千兆網(wǎng)主流配置的PC機(jī)其耗時(shí)約為20ms～50ms，完全能夠滿足要求。

6 試驗(yàn)結(jié)果

圖6 模擬信號(hào)輸出示意圖

采用某實(shí)航試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)數(shù)據(jù)文件10個(gè)通道，約360M，80個(gè)文件，經(jīng)過下位機(jī)實(shí)時(shí)回放軟件的處理，多個(gè)數(shù)據(jù)文件能夠順暢連續(xù)回放，兩個(gè)數(shù)據(jù)文件之間的信號(hào)無縫鏈接，經(jīng)示波器觀察無斷點(diǎn)存在，回放的數(shù)據(jù)文件量取決于下位機(jī)硬盤所能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量?；胤胚^程中反饋回上位機(jī)的數(shù)據(jù)圖像如圖6所示。

7 結(jié)語

采用VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)結(jié)合高性能多通道同步輸出DA板卡，輔之以上下位機(jī)通訊機(jī)制及信號(hào)同步輸出軟件控制技術(shù)，依據(jù)CPCI控制總線計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算性能，通過仔細(xì)劃分仿真幀時(shí)間及仿真幀數(shù)據(jù)量大小，較好地解決了仿真試驗(yàn)所要求的多噪聲數(shù)據(jù)文件回放無縫銜接及巨量數(shù)據(jù)文件連續(xù)自動(dòng)回放問題，使該技術(shù)在產(chǎn)品研制過程中得到了充分的應(yīng)用。

［1］PCI 9080Data sheet［M］.version 0.93February 28，1997：40－58.

［2］PMC－16AO－12USER'S MANUAL［M］.Rev：103000 30October 2000standard corporation.

［3］葉平賢，龔沈光.艦船物理場(chǎng)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1992.

［4］蔡鹍，陳煥杰，周升陽，等.水雷引信技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012.

［5］張新宇，陳彬，等.HLA數(shù)據(jù)回放及其可通用性問題研究［J］.國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（5）：104－110.

［6］胡生國，陳剛.基于VxWorks的數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)［C］／／宜昌：仿真學(xué)組2007年度論文交流，2007：165－171.

［7］劉靈，吳曼青，洪一，等.基于PCI總線的多板數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2006，4（5）：317－322.

［8］李國梁，張歆，袁建平.基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集與回放處理系統(tǒng)［J］.研發(fā)與開發(fā)，2006（4）：49－51.

［9］李小青，劉克剛，王皓.高精度數(shù)據(jù)采集與回放系的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子技術(shù)，2004（7）：11－13.

［10］郭東文，金勇，樊秀云.基于CPCI總線的數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2008，28：128－130.