基于Vxworks的航空傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計分析

武漢理工大學(xué) 倪 明

隨著航空科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，飛機上傳感器使用越來越普遍，傳感器需要采集信號種類越來越多，數(shù)據(jù)量越來越大，傳感器采集數(shù)據(jù)的接收、分析和使用等技術(shù)越來越重要。在航空傳感器數(shù)據(jù)采集中，數(shù)據(jù)處理的實時性和安全性是基本要求，而且大多數(shù)情況需要多傳感器并發(fā)工作，因此數(shù)據(jù)處理的通信同步性和多任務(wù)并發(fā)性尤為重要。

Vxworks操作系統(tǒng)是美國風和公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)，它能提供集成化的實時操作系統(tǒng)開發(fā)工作和技術(shù)，并在所有的嵌入式操作系統(tǒng)中取得了最高的安全認證。目前，Vxworks以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外通信、軍事、航空、航天和醫(yī)療等高精尖技術(shù)領(lǐng)域中[1]。

本文介紹了基于Vxworks平臺開發(fā)的多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用Vxworks的多任務(wù)多技術(shù)同時收集大量不同傳感器的數(shù)據(jù)并進行處理，處理的結(jié)果通過Socket接口進行傳輸，在交互界面上供用戶使用，充分結(jié)合實踐，可滿足航空機載數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)需求[2]。

1 總體設(shè)計

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)基于Vxworks的航空傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程分析，將總體流程分為3部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)應(yīng)用。數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)流程，可以將航空傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分為傳感器組、數(shù)據(jù)處理中心和客戶端3部分。傳感器組負責數(shù)據(jù)采集，可根據(jù)需要連接不同的傳感器或連接多臺同類傳感器，具體可連接的傳感器總數(shù)上限由數(shù)據(jù)處理中心的計算機串口決定。數(shù)據(jù)處理中心主要是安裝有Vxworks系統(tǒng)的計算機，負責接收傳感器組通過串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，并進行對傳感器數(shù)據(jù)的分析、計算、組裝以及發(fā)送等工作。數(shù)據(jù)處理中心是本系統(tǒng)的核心組成部分和設(shè)計重點。客戶端部分負責對數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送的數(shù)據(jù)進行應(yīng)用。每只傳感器采集的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到Vxworks系統(tǒng)上進行分析計算和組裝后，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到客戶端供用戶使用。整體數(shù)據(jù)流程及硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)流程及硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Data flow and hardware structure chart of aviation sensor

1.2 軟件結(jié)構(gòu)

基于Vxworks的航空傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部分是裝有Vxworks系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，Vxworks系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計是整個系統(tǒng)的重點。本系統(tǒng)旨在充分利用Vxworks精簡的內(nèi)核、靈活的多任務(wù)調(diào)度、信號量機制和中斷機制的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)特點，通過對多個任務(wù)之間的合理調(diào)度，實現(xiàn)對航空機載傳感器的數(shù)據(jù)分析、存儲、組裝、LCD顯示以及接口控制命令收發(fā)等功能。其軟件工作流程圖如圖2所示。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)工作流程圖Fig.2 Software structure flow chart of aviation sensor acquisition system

2 具體實現(xiàn)

航空傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用3個方面進行具體實現(xiàn)，其中的關(guān)鍵技術(shù)是，多任務(wù)實時性設(shè)計和圖形化顯示界面設(shè)計。

2.1 數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分用到的關(guān)鍵技術(shù)是多任務(wù)實時性設(shè)計。由于航空傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中同時存在多只不同的傳感器，系統(tǒng)實時性的保證尤為重要。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具體設(shè)計分為系統(tǒng)任務(wù)的劃分、任務(wù)優(yōu)先級的確定與多任務(wù)間通信設(shè)計。

根據(jù)對航空傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程的分析和系統(tǒng)功能的總體規(guī)劃，將航空傳感器數(shù)據(jù)采集分為4個任務(wù)：接口控制命令任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)存儲任務(wù)以及結(jié)果顯示任務(wù)[3]。

接口控制命令任務(wù)控制著整個航空傳感器數(shù)據(jù)采集工作的開始與結(jié)束，具有最高的優(yōu)先級，采用中斷的方式實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集任務(wù)的優(yōu)先級為中，當接口端發(fā)送命令，該任務(wù)開始運行，循環(huán)往復(fù)，直到接收到端口停止命令為止[4]。數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示優(yōu)先級相同，均為低優(yōu)先級，在數(shù)據(jù)采集狀態(tài)下接到命令方可執(zhí)行。

系統(tǒng)任務(wù)和優(yōu)先級確定之后，多任務(wù)間的通信設(shè)計決定了整個系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)運行的能力，為了進一步實現(xiàn)每個任務(wù)的功能，本系統(tǒng)任務(wù)間通信采用二進制信號量。為確保系統(tǒng)的實時性，接口控制任務(wù)的中斷服務(wù)程序必須在最短時間執(zhí)行，因此控制任務(wù)的中斷服務(wù)程序只執(zhí)行釋放信號量的操作。數(shù)據(jù)采集任務(wù)只有接到接口指令進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)后才能釋放信號量。數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示任務(wù)只有信號量可用時才可執(zhí)行操作。由此實現(xiàn)4個任務(wù)3個優(yōu)先級的協(xié)調(diào)運行。

2.2 數(shù)據(jù)處理

基于Vxworks的航空傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理部分采用任務(wù)管理任務(wù)的技術(shù)，各個任務(wù)間分工合作，并根據(jù)實際情況靈活的建立和刪除任務(wù)，確保整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的流暢性。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理包括3種類型的任務(wù)：端口巡視任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)以及異常處理任務(wù)[5]。其中，端口巡視任務(wù)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)的優(yōu)先級均為低，而異常處理任務(wù)的優(yōu)先級為高。當系統(tǒng)正常運行時，系統(tǒng)資源按照時間片原理在端口巡視任務(wù)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)間切換，一旦出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)立即被高優(yōu)先級的異常處理任務(wù)占據(jù)，中斷產(chǎn)生。

端口巡視任務(wù)負責輪詢每個端口，及時發(fā)現(xiàn)端口數(shù)據(jù)請求，如果發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)則新建一個數(shù)據(jù)處理任務(wù)進行數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)組裝以及數(shù)據(jù)發(fā)送，任務(wù)結(jié)束后，數(shù)據(jù)處理任務(wù)自行刪除。端口巡視任務(wù)繼續(xù)不間斷的巡視每個端口，不停新建和刪除數(shù)據(jù)處理任務(wù)，兩種任務(wù)分工合作，完成這個數(shù)據(jù)處理流程[6]。

2.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

本系統(tǒng)擬采用圖形化顯示界面的設(shè)計，在WindML、Zinc與中文字庫組件下開發(fā)完成，可以通過LCD屏幕對機載設(shè)備數(shù)據(jù)進行圖形化顯示，實現(xiàn)采集系統(tǒng)與操作者之間的人機交互。為了實時直觀顯示采集數(shù)據(jù)的變化，在圖形繪制函數(shù)內(nèi)添加了計時器事件，通過計時器事件的觸發(fā)，在顯示界面內(nèi)實時繪制采集數(shù)據(jù)。

整個航空數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的顯示界面主要包括操作控制區(qū)、結(jié)果顯示區(qū)、圖形繪制區(qū)、系統(tǒng)工作狀態(tài)區(qū)4個部分。其中操作控制區(qū)負責采集系統(tǒng)開始、停止、存儲、顯示等操作的用戶控制；結(jié)果顯示區(qū)用于用戶直接查看采集結(jié)果；圖形繪制區(qū)用來直觀顯示不同時間的數(shù)據(jù)結(jié)果或者不同類別的數(shù)據(jù)結(jié)果；系統(tǒng)工作狀態(tài)區(qū)用來顯示當前系統(tǒng)的采集、存儲、顯示狀態(tài)，系統(tǒng)的工作時間以及當前存儲磁盤的使用情況等。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

基于Vxworks的航空傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)搭建powerPC硬件平臺設(shè)計，使用Vxworks配套的集成開發(fā)環(huán)境自帶的W indView工具對各個任務(wù)進行系統(tǒng)的分析，并對實際采集的數(shù)據(jù)進行功能驗證和軟件仿真。

目標測試機和傳感器主機采用以太網(wǎng)連接方式，默認從串行端口啟動。其啟動過程是：目標測試機先初始化串行端口，再與超級終端連接；目標測試機通過超級終端向串行口輸入命令，修改目標測試機的網(wǎng)絡(luò)配置，而后目標測試機通過網(wǎng)口下載Vxworks映像文件，然后進行自啟動，接收從傳感器主機傳來的數(shù)據(jù)。

在Vxworks應(yīng)用程序中，任務(wù)狀態(tài)包括Delayed、Pended、Ready、Suspended、Executing5種，分別代表延遲、阻塞、就緒、掛起、運行[7]。其中Pended（阻塞）的任務(wù)可以參加整個系統(tǒng)調(diào)度，而Suspended（掛起）的任務(wù)不參加系統(tǒng)調(diào)度。任務(wù)被創(chuàng)建后進入掛起狀態(tài)，需要特定的指令才能使被創(chuàng)建的任務(wù)進入就緒狀態(tài)，就緒后進入任務(wù)等待序列，通過系統(tǒng)調(diào)度轉(zhuǎn)入運行狀態(tài)。任務(wù)執(zhí)行發(fā)生阻塞時掛起，移出任務(wù)等待序列，等待系統(tǒng)實時事件發(fā)生被喚醒，轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)或者運行狀態(tài)。系統(tǒng)中只能有一個任務(wù)在運行狀態(tài)，其他任務(wù)按照優(yōu)先級別通過時間片獲得對CPU的訪問權(quán)[8]。

經(jīng)過軟件仿真模擬，Vxworks操作系統(tǒng)內(nèi)核控制的各個任務(wù)均能正常按預(yù)期結(jié)果執(zhí)行，采集數(shù)據(jù)功能一切正常。

4 結(jié)束語

嵌入式實時操作系統(tǒng)Vxworks因其多任務(wù)并發(fā)的內(nèi)核設(shè)計、靈活的輸入輸出系統(tǒng)、強大的網(wǎng)絡(luò)支持和多種文件系統(tǒng)并存的特性，非常適合作為航空記載傳感器數(shù)據(jù)采集和處理的載體。本文提出了一種基于Vxworks系統(tǒng)的航空傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)進行了詳細介紹，進行了軟件仿真模擬。經(jīng)過實驗表明：Vxworks系統(tǒng)在同類嵌入式系統(tǒng)中有明顯的優(yōu)勢，能較好的滿足任務(wù)需求，具有較好的應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景。

[1] 王學(xué)龍.嵌入式Vxworks系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用.北京:人民郵電出版社，2002.

[2] 羅國慶.Vxworks與嵌入式軟件開發(fā).北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[3] 袁贛南,董景均,盧志忠.雷達信號采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).應(yīng)用科技, 2010,37(4):52-55.

[4] 高守勇,周江濤,馬力.基于Vxworks的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)裝置設(shè)計.電子質(zhì)量,2011(4),28-29.

[5] 李標.Vxworks在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用.IT時代周刊,2013(7):231-233.

[6] 蔡宇,張國棟,穆祥貞.基于ARM/Vxworks的新型機載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計.機械工程師,2012(7):27-28.

[7] 李勇.基于ARM9的VxworksBSP的設(shè)計與實現(xiàn)[D].長沙:湖南大學(xué), 2009.

[8] J LIU .Timed multitasking for real-time embedded software.IEEE Control Systems Magazine,2003,23(1):65-67.