航天測控站數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)構(gòu)件化設(shè)計*

黨 琦，王崇暉，董廣然，李國民

(1.西安衛(wèi)星測控中心，西安 710043;2.航天器在軌故障診斷與維修重點實驗室，西安 710043)

1 引言

軟件復(fù)用是指重復(fù)使用為避免重復(fù)開發(fā)同樣或類似工作產(chǎn)品的過程［1］。作為一種擺脫軟件危機的手段，它能夠有效克服軟件開發(fā)中經(jīng)常出現(xiàn)的開發(fā)效率低、費用高、開發(fā)周期長、系統(tǒng)難以維護、軟件質(zhì)量難以保證等問題［2］。

隨著對軟件復(fù)用實踐的深入，構(gòu)件技術(shù)得到飛速發(fā)展［3］。軟件構(gòu)件技術(shù)是支持軟件復(fù)用的核心技術(shù)［4］，構(gòu)件通過接口與外界交互，可通過相同接口構(gòu)件替換原有構(gòu)件［5］。這種方式徹底顛覆了手工作坊式的軟件開發(fā)模式，給軟件開發(fā)人員在設(shè)計、編碼等方面了帶來了很大的靈活度，正在成為軟件設(shè)計領(lǐng)域新的趨勢［6］。

在航天測控領(lǐng)域，測控應(yīng)用軟件復(fù)用技術(shù)的研究歷來受到關(guān)注和重視。隨著載人航天工程、探月工程的不斷深入，我國航天測控網(wǎng)不斷有新的測控設(shè)備投入使用［7］。而航天測控站數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)是各測控設(shè)備不可或缺的一個分系統(tǒng)，它承擔(dān)著與測控中心之間的信息交換及部分信息處理任務(wù)，如何提高該軟件系統(tǒng)的開發(fā)效率，提高軟件質(zhì)量，縮短軟件開發(fā)周期，減小軟件的維護成本，是我們面臨的一個重要課題。

本文基于Windows 系統(tǒng)，采用軟件總線模型層次化設(shè)備模型，構(gòu)建了一個構(gòu)件化的數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)實例，實現(xiàn)了該領(lǐng)域內(nèi)軟件的二進制復(fù)用，提高了系統(tǒng)的可靠性和軟件的開發(fā)效率。

2 數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)任務(wù)

航天測控系統(tǒng)由測控中心、測控站、通信系統(tǒng)等組成［8］。數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)是航天測控網(wǎng)的基本節(jié)點，主要完成與測控設(shè)備通信、與中心的數(shù)據(jù)通信、實時數(shù)據(jù)處理和事后處理功能。

(1)與測控設(shè)備通信

數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)與測控設(shè)備之間通過通信接口部件(以太網(wǎng)、多路通信板、CCP 或?qū)Ｓ媒涌?連接，在相關(guān)的協(xié)議支配下進行通信:向設(shè)備發(fā)送上行遙控信息、軌道預(yù)報信息，接收設(shè)備解調(diào)的遙測信息、測量信息等。

(2)與中心的數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)與中心的數(shù)據(jù)通信一般使用多路通信板或網(wǎng)絡(luò)方式進行通信，采用簡化HDLC規(guī)程或TCP/IP 協(xié)議作為通信協(xié)議。實時向中心發(fā)送設(shè)備的測量信息、控制結(jié)果信息等，接收并轉(zhuǎn)發(fā)中心發(fā)送的遙控指令以及軌道預(yù)報。

(3)實時數(shù)據(jù)處理

主要包括遙測挑點處理、外測數(shù)據(jù)處理以及控制量計算三部分。

(4)事后處理

事后處理是指在任務(wù)跟蹤結(jié)束后對實時記錄測量和控制數(shù)據(jù)進行處理，包括顯示、打印和重發(fā)以及數(shù)據(jù)的精度分析等。

3 需求分析

3.1 角色識別

通過對航天測控站數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)的任務(wù)進行分析，可識別出操作員、中心、各設(shè)備分機、雙工控制臺、時統(tǒng)設(shè)備、模擬器等10 類角色，經(jīng)過抽象，劃分為操作員、網(wǎng)絡(luò)用戶、HDLC 用戶、串口用戶、站時統(tǒng)5 類用戶。

3.2 功能需求

根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)承擔(dān)的任務(wù)，分析后將系統(tǒng)抽象為如下用例模型［9］，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)用例圖Fig.1 System use case diagram

3.3 系統(tǒng)約束

當(dāng)前比較成熟的構(gòu)件模型主要有Microsoft 公司的COM/DCOM/COM +、SUN 公司的JavaBeans/EJB 和OMG(Object Management Group)的CORBA，這些技術(shù)相對比較復(fù)雜，程序不易理解。

航天測控站數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)的設(shè)計基于Windows 系統(tǒng)，要充分復(fù)用已有的軟件資源，在對現(xiàn)有功能模塊進行重構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)設(shè)計基于構(gòu)件技術(shù)的體系架構(gòu)，實現(xiàn)二進制級別的軟件復(fù)用，提高系統(tǒng)的可靠性，減少軟件的重復(fù)開發(fā)，實現(xiàn)多設(shè)備之間軟件版本的統(tǒng)一。

4 構(gòu)件化設(shè)計及實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照體系結(jié)構(gòu)權(quán)衡分析方法(Architecture Trade－off Analysis Method，ATAM)［10］，綜合目前常用的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格［11］，結(jié)合構(gòu)件化方法，數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)采用層次模型和軟件總線模型相結(jié)合的風(fēng)格，該模型結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

在系統(tǒng)底層，將與通信有關(guān)的部分軟件部件設(shè)計為層次結(jié)構(gòu)，包含服務(wù)程序、通信接口、通信程序3 層。在系統(tǒng)上層，設(shè)計為軟件總線結(jié)構(gòu)，總線中包含系統(tǒng)任務(wù)信息、計劃信息、主備機信息、系統(tǒng)路由信息、各軟件部件的信息描述、各軟件部件的命令接口以及命令接口描述、系統(tǒng)內(nèi)部動態(tài)數(shù)據(jù)信息。在系統(tǒng)中，各處理部件將自己的信息描述、命令接口描述以及命令接口注冊到系統(tǒng)總線上，同時向總線申請本軟件部件要處理的數(shù)據(jù)以及對應(yīng)數(shù)據(jù)的接收地址，系統(tǒng)總線負(fù)責(zé)在系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)中查找各個軟件部件注冊的信息，并按要求向?qū)?yīng)的地址發(fā)送。各軟件部件處理完畢后，如果要產(chǎn)生結(jié)果數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)總線上。

圖2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System framework diagram

4.2 系統(tǒng)的通信機制

系統(tǒng)設(shè)計了專門的通信區(qū)域作為進程間通信的手段。通信區(qū)域采用Windows 的內(nèi)存映射文件傳送數(shù)據(jù)、利用事件同步數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、利用環(huán)形隊列緩沖數(shù)據(jù)的“進程－進程”之間高速單方向通信的機制［12－13］。

對每個通信區(qū)域定義區(qū)域名稱、地址標(biāo)識、區(qū)域長度、緩沖區(qū)個數(shù)等信息，并且與唯一的一個接收者相關(guān)聯(lián)。通信區(qū)域有一個接收者，但可以有多個發(fā)送者。

對于使用者來說，只需要知道某個通信區(qū)域的去向即可，不必了解數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜魏渭?xì)節(jié)，所有實現(xiàn)的細(xì)節(jié)都已經(jīng)被封裝。

4.3 系統(tǒng)容器和運行機理

系統(tǒng)設(shè)計了一個控制程序負(fù)責(zé)處理其他構(gòu)件的加載、卸載以及管理、配置工作。

系統(tǒng)通過信息處理構(gòu)件(系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線)向外與其他構(gòu)件進行信息交換，該構(gòu)件預(yù)定義了一個命令接口和一個數(shù)據(jù)接口:通過命令接口接收其他構(gòu)件的注冊或注銷命令，按照其他構(gòu)件注冊信息的類別，將所注冊信息發(fā)送給定的地址;通過數(shù)據(jù)接口接收系統(tǒng)內(nèi)部的動態(tài)信息。

其他處理構(gòu)件向信息處理構(gòu)件注冊自己關(guān)心的信息，并從給定的地址接收信息，處理后，發(fā)送到信息處理構(gòu)件數(shù)據(jù)接口。系統(tǒng)的信息流轉(zhuǎn)方式參見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)控制方式Fig.3 Dataflow control mode

4.4 信息注冊

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上，構(gòu)件使用兩種注冊機制——靜態(tài)注冊和動態(tài)注冊。

(1)靜態(tài)注冊

靜態(tài)注冊在控制程序運行前進行。通過預(yù)先定義好描述的方式，將自身的信息寫入系統(tǒng)描述表，包括可執(zhí)行文件名稱、運行路徑、命令接口地址等，控制程序運行時自動加載該描述表。

(2)動態(tài)注冊

在控制程序運行后向控制程序動態(tài)注冊，包括可執(zhí)行文件名稱、運行路徑、命令接口地址等信息。

4.5 構(gòu)件化設(shè)計

通過對系統(tǒng)進行分析，按照構(gòu)件抽取理論，從數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)抽取出數(shù)據(jù)平滑、外測數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)框架、雙工控制、信息管理、軌道預(yù)報、數(shù)據(jù)比對等系列構(gòu)件。

按照構(gòu)件的運行特點和功能，將構(gòu)件設(shè)計為可執(zhí)行程序和動態(tài)鏈接庫兩種形式。

(1)可執(zhí)行程序形式

將網(wǎng)絡(luò)通信、HDLC 通信、串口通信、時間管理、遙控處理、章動控制、姿章聯(lián)控、雙工控制、數(shù)據(jù)服務(wù)等設(shè)計為可執(zhí)行程序(進程)，這種形式的程序只要符合系統(tǒng)的調(diào)用規(guī)范，可以隨時加入系統(tǒng)。

(2)動態(tài)鏈接庫形式

將中心多項式平滑、軌道預(yù)報、數(shù)據(jù)比對、數(shù)據(jù)通信區(qū)設(shè)計為動態(tài)鏈接庫(DLL)形式。其中Dtes.exe+FrameWork.dll 為整個系統(tǒng)的容器，負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理其他進程——時間服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、串口服務(wù)、CCP 服務(wù)、通信管理、數(shù)據(jù)存儲、外測處理、數(shù)字引導(dǎo)、軌道預(yù)報、系統(tǒng)雙工處理等，而這些構(gòu)件基于DtesBase.dll、MemArea.dll、OrbitForcast.dll、Encrypt.dll等動態(tài)鏈接庫構(gòu)件運行。系統(tǒng)部署圖［14］見圖4。

圖4 系統(tǒng)部署圖Fig.4 System deployment diagram

5 結(jié)束語

本文針對測控軟件開發(fā)中存在復(fù)用性差的問題，提出了構(gòu)件化設(shè)計的理念，提出并實現(xiàn)了構(gòu)件化設(shè)計、軟件總線體系結(jié)構(gòu)、層次化的虛擬設(shè)備、數(shù)據(jù)注冊注銷機制，并在Windows 平臺上開發(fā)設(shè)計了一種測控站數(shù)據(jù)傳輸處理軟件系統(tǒng)實例。這種方法與模塊復(fù)用相比，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)功能構(gòu)件的動態(tài)組裝，和商業(yè)化的組件技術(shù)相比，框架簡單，容易理解和開發(fā)。該系統(tǒng)已經(jīng)部署在數(shù)十套不同類型的測控設(shè)備上，參加了數(shù)十次大型試驗任務(wù)，實踐證明，該方法具有下列優(yōu)點:

(1)采用構(gòu)件化技術(shù)，結(jié)合軟件總線模型體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計實現(xiàn)了測控站數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)的可復(fù)用構(gòu)件庫和統(tǒng)一的通信調(diào)用接口，提高了系統(tǒng)的可裁剪性、可擴充性;

(2)以構(gòu)件單元進行組裝和復(fù)用，提高了軟件的復(fù)用程度，降低了軟件的生產(chǎn)維護成本，加快了軟件的開發(fā)速度，增強了系統(tǒng)的可靠性;

(3)采用內(nèi)存映射文件技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)注冊機制，解決了系統(tǒng)連接構(gòu)件設(shè)計實現(xiàn)的難點，使得系統(tǒng)內(nèi)部信息流轉(zhuǎn)和交換更加方便靈活。

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