星務(wù)1553B總線仿真板卡指令執(zhí)行的高實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)

李樹業(yè),賀庚賢,李俊霖,葛欣宏,孫　武,2

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,長春　130033;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京　100049)

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星務(wù)1553B總線仿真板卡指令執(zhí)行的高實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)

李樹業(yè)1,2,賀庚賢1,李俊霖1,葛欣宏1,孫武1,2

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,長春130033;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049)

為實(shí)現(xiàn)對某新型衛(wèi)星總體1553B總線新的“1秒20幀，1幀50條消息”的“幀消息模式”的仿真，研究并實(shí)現(xiàn)了一種在滿足“幀消息模式”的基礎(chǔ)上，使1553B總線仿真板卡的指令執(zhí)行時(shí)間延遲小于1 ms的新方法;在分析原星務(wù)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制的基礎(chǔ)上，改進(jìn)軟件的整體設(shè)計(jì)，并在VxWorks下位機(jī)中設(shè)計(jì)了高精度時(shí)間獲取模塊與板卡控制模塊等，實(shí)現(xiàn)了高精度、短消息傳輸執(zhí)行時(shí)間的星務(wù)1553B總線仿真系統(tǒng);結(jié)果表明：該系統(tǒng)不僅滿足對“幀消息模式”的仿真，且將1553B板卡指令執(zhí)行最大延遲時(shí)間縮短為0.713 ms，相對于原星務(wù)仿真系統(tǒng)中4.5 ms的最大延遲，指令執(zhí)行精度提高了6.5倍以上，為被測設(shè)備的故障排查、問題定位提供準(zhǔn)確的時(shí)間數(shù)據(jù)支持。

星務(wù)仿真；1553B；實(shí)時(shí)性；幀消息模式；VxWorks

0　引言

MIL-STD-1553B是在1978年提出的一種串行數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)，具有分布式處理、集中式控制和實(shí)時(shí)性響應(yīng)的特點(diǎn)。1553B 總線采用雙冗余的通道，能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。由于1553B總線具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、衛(wèi)星, 甚至國際空間站等航空航天領(lǐng)域。

隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，某新型衛(wèi)星總體使用了“1秒20幀，1幀50條消息”的1553B“幀消息模式”，在該“幀消息模式”下，1秒內(nèi)1553B總線仿真板卡(后文中簡稱為“1553B板卡”)理論上最多可執(zhí)行1000條指令，指令執(zhí)行時(shí)間為整ms時(shí)間點(diǎn)。由于文獻(xiàn)1中的星務(wù)系統(tǒng)1553B板卡1秒內(nèi)只執(zhí)行一條指令，指令執(zhí)行時(shí)間為整秒時(shí)間點(diǎn)，指令執(zhí)行的最大延遲時(shí)間為4.5 ms，不能滿足新型衛(wèi)星的仿真測試需求。

文獻(xiàn)1中對星務(wù)仿真系統(tǒng)硬件架構(gòu)及時(shí)間同步設(shè)計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了描述。星務(wù)仿真系統(tǒng)由上位機(jī)管理子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、下位機(jī)數(shù)據(jù)收發(fā)子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)間使用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上使用GPS秒脈沖授時(shí)板卡作為時(shí)鐘源，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)系統(tǒng)與下位機(jī)系統(tǒng)、被測設(shè)備與仿真測試系統(tǒng)、下位機(jī)系統(tǒng)板卡間的時(shí)間同步[2]。為了滿足1553B“幀消息模式”的仿真測試需求，需要在原星務(wù)仿真系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及Windows+VxWorks框架的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)滿足“幀消息模式”，且保證1553B總線仿真板卡執(zhí)行指令延遲的時(shí)間小于1 ms的1553B總線仿真軟件。進(jìn)而保證全測試過程在時(shí)間上嚴(yán)格受控，為系統(tǒng)故障的排查、問題的定位提供更嚴(yán)格的時(shí)間數(shù)據(jù)支持[3]。

1　1553B“幀消息模式”

圖2　系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)圖

在原有的某型號衛(wèi)星總體的需求中，1553消息傳輸都是在整秒時(shí)間點(diǎn)完成的，且每秒只傳輸1條1553B消息(Message)。因此，原系統(tǒng)是根據(jù)“整秒單指令”的模式設(shè)計(jì)的，即每一整秒時(shí)間里1553B板卡只執(zhí)行一條1553B指令，發(fā)送一條1553B消息。在原上位機(jī)管理軟件設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了“秒中斷效應(yīng)模塊”，該模塊實(shí)現(xiàn)對GPS秒脈沖每1 s的中斷響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)系統(tǒng)與GPS秒脈沖授時(shí)卡的時(shí)間同步。上位機(jī)軟件中的“測試用例配置讀取模塊”實(shí)現(xiàn)對測試用例的各信息讀取功能，測試用例的信息包括各指令的名稱、執(zhí)行時(shí)間等信息。當(dāng)管理軟件發(fā)現(xiàn)當(dāng)前時(shí)間與用例中最近一條指令執(zhí)行時(shí)間相同時(shí)，則將該指令下發(fā)至下位機(jī)的緩沖區(qū)；下位機(jī)中的控制程序一旦檢測到緩沖區(qū)中有1553B指令信息，經(jīng)過解析后，立刻驅(qū)動1553B板卡進(jìn)行相應(yīng)動作。

某新型號衛(wèi)星總體使用了新的1553B“1秒20幀，1幀50條消息”的“幀消息模式”，本文中將1整秒內(nèi)的1553B板卡需要執(zhí)行的指令的總和稱為一條1553B“整秒批指令”；如圖1所示，一條1553B“整秒批指令”由20幀1553B幀消息(Frame)組成，每幀所占用的時(shí)間為50 ms；而一個(gè)1553B幀消息(Frame)最多又可包含50條1553B消息(Message)，每條1553B消息最多由32個(gè)字(Word)組成，每個(gè)字由20個(gè)位(bit)組成[4]。即在“幀消息模式”下，1秒內(nèi)要求1553B板卡執(zhí)行多條指令，發(fā)送多條1553B消息(最多可包含1 000條1553B消息(Message))，每條1553B消息發(fā)送時(shí)間為整ms量級。顯然，原有基于“整秒單指令”的設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足“幀消息模式”的需求。而且原有1553B板卡指令執(zhí)行時(shí)間精度為不大于4.5 ms，新的幀消息模式下1553B消息傳輸時(shí)間為整ms量級，因此需要將1553B總線消息傳輸執(zhí)行精度控制在1 ms以內(nèi)，進(jìn)而保證全測試過程在時(shí)間上嚴(yán)格受控，為被測設(shè)備的排故檢查提供精確的數(shù)據(jù)支持。

圖1　1553B整秒批指令格式示意圖

2　1553B板卡指令執(zhí)行的高實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)

2.1軟件框架設(shè)計(jì)

在對原有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析之后，可在保持原有硬件架構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)的框架，以滿足“幀消息模式”的需求。

星務(wù)仿真系統(tǒng)1553B總線仿真軟件使用層次化、模塊化思想設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其具體功能，并綜合考慮了代碼重用、可擴(kuò)展性等原則[5]。圖2是系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)圖，由圖2可以看出，對應(yīng)于系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，將軟件分為監(jiān)控軟件、管理軟件、控制軟件。監(jiān)控軟件主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)當(dāng)前傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、異常報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)回放等功能，原系統(tǒng)的監(jiān)控軟件部分可在“幀消息模式”下繼續(xù)使用，無需修改。管理軟件和控制軟件的各功能以模塊的方式實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)管理軟件實(shí)現(xiàn)1553B“整秒批指令”的編輯、配置、下發(fā)工作，而下位機(jī)控制軟件實(shí)現(xiàn)對1553B板卡指令執(zhí)行的控制。

2.2軟件的新執(zhí)行機(jī)制

為滿足“幀消息模式”的需求，提高1553B板卡指令執(zhí)行的實(shí)時(shí)性，將系統(tǒng)軟件執(zhí)行的機(jī)制設(shè)計(jì)如下：上位機(jī)管理軟件通過響應(yīng)GPS秒脈沖授時(shí)卡1 s一次的中斷，獲取GPS秒脈沖卡的時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)管理軟件與GPS秒脈沖授時(shí)卡時(shí)間的同步。在測試用例運(yùn)行之前，上位機(jī)管理軟件預(yù)先讀取用戶配置的所有1553B“整秒批指令”的執(zhí)行時(shí)間信息，比對當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間。測試用例運(yùn)行時(shí)，上位機(jī)管理軟件提前1 s將下1秒要執(zhí)行的1553B“整秒批指令”下發(fā)至下位機(jī)中。這樣的設(shè)計(jì)帶來兩個(gè)方面的好處：一方面，將1553B板卡指令執(zhí)行的控制權(quán)轉(zhuǎn)讓給了下位機(jī)，且保證了下位機(jī)有足夠的時(shí)間來解析“整秒批指令”，為下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)奠定了時(shí)間基礎(chǔ)；另一方面，一條預(yù)執(zhí)行的1553B“整秒批指令”的數(shù)據(jù)量不大，可保證下位機(jī)緩存空間足夠，使得下位機(jī)有足夠的緩存空間去進(jìn)行其它工作，進(jìn)而保證程序運(yùn)行的高效性和穩(wěn)定性[6]。下位機(jī)取出緩沖區(qū)中的“整秒批指令”并根據(jù)設(shè)定好的通信協(xié)議進(jìn)行解析，主要包括整秒批指令中1553B消息的拆解、解析指令的執(zhí)行時(shí)間、指令內(nèi)容等。將解析結(jié)果存入自己的緩沖區(qū)中，通過響應(yīng)GPS秒脈沖守時(shí)卡每1 ms產(chǎn)生的中斷以獲取系統(tǒng)高精度時(shí)間信息，當(dāng)執(zhí)行消息時(shí)間與當(dāng)前時(shí)間相同時(shí)，驅(qū)動板卡完成相應(yīng)的動作。

3　軟件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)研究

3.11553B “整秒批指令”編輯和拆解的逐層細(xì)化設(shè)計(jì)

一個(gè)測試用例由多條1553B“整秒批指令”組成，1條1553B“整秒批指令”由20幀(Frame)消息組成，每個(gè)幀由最多由50條消息(Message)組成，每條消息最多由32個(gè)字(word)組成，每個(gè)字又由20位(bit)組成。為實(shí)現(xiàn)每個(gè)幀、每個(gè)字、每個(gè)位都可定義的通用性設(shè)計(jì)，管理軟件中“整秒批指令”的編輯和拆解采用自頂向下，逐層細(xì)化的方法[7]。具體實(shí)現(xiàn)如下：1553B消息編輯模塊實(shí)現(xiàn)在1553B協(xié)議框架下，1553B消息格式的編輯、命令字的編輯、數(shù)據(jù)字的編輯、消息字長的編輯等功能；框架編輯模塊實(shí)現(xiàn)一秒鐘內(nèi)20幀、每幀50條消息的整體框架的編輯，具體包含每一幀的總消息條數(shù)、有效消息條數(shù)、有效消息所在位置及無效消息等消息內(nèi)容的編輯；1553B消息填充模塊，在整體框架上實(shí)現(xiàn)對有效消息所在位置進(jìn)行1553B消息的填充，生成1553B“整秒批指令”；“整秒批指令”用例編輯模塊實(shí)現(xiàn)測試用例的組建功能。各功能模塊所生成的信息均存入數(shù)據(jù)庫中供管理軟件讀取調(diào)用。用例運(yùn)行模塊將用例中的每條整秒批指令進(jìn)行拆解分析，并將對應(yīng)的1553B消息的各項(xiàng)基本信息進(jìn)行提取、根據(jù)與下位機(jī)的通信協(xié)議進(jìn)行報(bào)文的組織，在軟件設(shè)定的時(shí)刻通過以太網(wǎng)將報(bào)文下發(fā)至下位機(jī)。

3.2Vxworks多任務(wù)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)控制軟件分為多個(gè)任務(wù)并行運(yùn)行，為保證1553B板卡指令執(zhí)行的實(shí)時(shí)性，采用基于優(yōu)先級搶占調(diào)度的算法[8]，首先，高精度時(shí)間獲取任務(wù)通過響應(yīng)GPS秒脈沖每1 ms的中斷的方式獲取系統(tǒng)高精度毫秒級時(shí)間信息，精簡的中斷處理程序保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；其次，板卡控制任務(wù)享有最高的優(yōu)先級以保證1553B板卡執(zhí)行指令的實(shí)時(shí)性；再次，報(bào)文解析任務(wù)享有次高的優(yōu)先級可保證對報(bào)文的實(shí)時(shí)解析；最后，對實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)接收任務(wù)和數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)享有最低的優(yōu)先級。合理的任務(wù)優(yōu)先級設(shè)計(jì)和中斷程序的精簡保證1553B板卡執(zhí)行指令的高實(shí)時(shí)性。

3.3 管理軟件中的多線程技術(shù)

多線程技術(shù)的特點(diǎn)是保證多個(gè)任務(wù)多個(gè)線程并行執(zhí)行，縮短作業(yè)的周期時(shí)間，保證程序執(zhí)行的高效性[9]。在上位機(jī)管理軟件設(shè)計(jì)中，采用多線程技術(shù)以提高軟件執(zhí)行的速率和實(shí)時(shí)性。管理軟件中的時(shí)間設(shè)置及獲取模塊中通過中斷響應(yīng)的方式獲取系統(tǒng)時(shí)間。為此，開辟一個(gè)新的線程來獲取系統(tǒng)時(shí)間，保證程序運(yùn)行的實(shí)時(shí)性；在“測試用例運(yùn)行模塊”中，為保證用例報(bào)文下發(fā)的工作能快速完整，專門開辟一個(gè)新的線程完成報(bào)文下發(fā)任務(wù)。軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)采用MFC封裝線程函數(shù)實(shí)現(xiàn)線程的創(chuàng)建及調(diào)用功能。

3.4上位機(jī)管理軟件的兼容性設(shè)計(jì)

為保證星務(wù)仿真系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)原有的仿真功能，對于“幀消息模式”的需求，采用在原有軟件構(gòu)架的基礎(chǔ)上，添加新工程的方式對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。兼容性設(shè)計(jì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，用戶在使用時(shí)，如果需要運(yùn)行新模式下的測試用例，只需點(diǎn)擊界面中的“切換到幀消息模式”按鈕，而對原有功能沒有任何不良影響；其次，在新功能的實(shí)現(xiàn)時(shí)，大多調(diào)用系統(tǒng)原有的接口函數(shù)，以增強(qiáng)代碼的可重用性；最后，在“幀消息模式”下的接受及處理模塊對數(shù)據(jù)的解析、判讀、處理、轉(zhuǎn)發(fā)、存儲都采用原系統(tǒng)的格式，確保在不升級監(jiān)控軟件前提下，監(jiān)控計(jì)算機(jī)也能對“幀消息模式”下的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和回放，縮短了軟件的開發(fā)周期[10]。

4　測試結(jié)果及分析

為驗(yàn)證升級后的星務(wù)仿真系統(tǒng)功能，以某型號空間相機(jī)控制器為被測對象，構(gòu)建了測試平臺[11]。為實(shí)現(xiàn)星務(wù)仿真系統(tǒng)的功能全覆蓋測試，在“幀消息模式”下構(gòu)建了10個(gè)不同的測試用例，每個(gè)測試用例中的1553B整秒批指令均包含重復(fù)發(fā)送指令、服務(wù)請求指令及響應(yīng)服務(wù)請求指令，均設(shè)置了與秒脈沖下降沿的間隔時(shí)間等信息。界面顯示的信息中包含了下位機(jī)當(dāng)前時(shí)間、指令預(yù)計(jì)執(zhí)行時(shí)間、指令名稱、指令類型、附加信息等信息。1553B接口將收發(fā)的一切數(shù)據(jù)與μs級時(shí)間戳打包進(jìn)行存儲，星務(wù)仿真系統(tǒng)監(jiān)控軟件將將這些信息進(jìn)行回放。

通過對1553B“整秒批指令”中的1553B消息進(jìn)行拆解，對比監(jiān)控軟件所得執(zhí)行信息，對1553B板卡指令執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行分析，將測試用例中各“整秒批指令”中延時(shí)最大的指令執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1　消息發(fā)送時(shí)間延時(shí)統(tǒng)計(jì)

從表1 中可以看出，該系統(tǒng)1553B板卡指令執(zhí)行的實(shí)際時(shí)間相對于用戶設(shè)置的理想執(zhí)行時(shí)間，最大延時(shí)為0.713 ms，較之原星務(wù)仿真系統(tǒng)最大4.5 ms的延時(shí)[1]，延時(shí)精度提高6.5倍以上。在實(shí)際衛(wèi)星總體的仿真測試中，1553B“整秒批指令”中所含1553B消息一般為幾十條，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不會達(dá)到滿負(fù)荷1 000條消息的狀態(tài)，該系統(tǒng)0.713 ms的最大延時(shí)完全能滿足仿真需求，保證全測試過程在時(shí)間上嚴(yán)格受控，為被測設(shè)備的排故檢查提供精確的數(shù)據(jù)支持。

5　結(jié)論

該系統(tǒng)在保持原有星務(wù)仿真系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了星務(wù)1553B仿真軟件，滿足“幀消息模式”的任務(wù)需求，充分發(fā)揮了VxWorks多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)；采用基于優(yōu)先級搶占調(diào)度算法，提升了1553B板卡的指令執(zhí)行時(shí)間精度，將指令執(zhí)行的最大延遲優(yōu)化至0.713 ms；滿足對新型衛(wèi)星總體“1秒20幀，1幀50條消息”的“幀消息模式”的全面仿真，為被測設(shè)備故障的定位排查提高數(shù)據(jù)支持。目前該系統(tǒng)已使用在某型號空間相機(jī)控制器調(diào)試過程中，滿足仿真測試需求。

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High Real-time Design of 1553B Bus House-keeping Simulation System

Li Shuye1,2, He Gengxian1, Li Junlin1, Ge Xinhong1, Sun Wu1,2

(1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun130033, China;2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049, China)

To realize the simulation of a new type of satellite system’s "frame message model" of 1553B bus, a new 1553B bus house-keeping simulation system is designed and established. Through the analysis of the original implementation mechanism, changing the design of the simulation software and adding the high-precision time acquisition module and 1553B board control module to VxWorks computer, a high real-time 1553B bus simulation systems is designed. It is showed that: The system can not only meet the "frame message mode" simulation, but the 1553B board execution maximum delay time is reduced to 0.713 ms, which is shorter 6.5 times than the original house-keeping simulation system maximum delay 4.5 ms, and provides accurate time data support for the device under test.

house-keeping simulation; 1553B; real-time; frame message module; VxWorks

2015-07-20；

2015-08-27。

國家自然科技基金項(xiàng)目(60506014);吉林省科技發(fā)展計(jì)劃(20120331)。

李樹業(yè)(1990-)，男，貴州六盤水市人，碩士研究生，主要從事航天有效載荷仿真測試系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2016)01-0168-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.047

TP311.5

A