衛(wèi)星通信設(shè)備通用監(jiān)控板軟件架構(gòu)研究

廖曉談，陳鑫旺，宋 穎

（南京熊貓漢達科技有限公司，南京 210014）

1 引言

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的快速發(fā)展，近年來衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)得到了巨大的發(fā)展，也帶來了衛(wèi)星通信設(shè)備需求的爆發(fā)。在天線控制、中頻、切換矩陣、信道等衛(wèi)星通信設(shè)備中存在多種多樣的監(jiān)控板，這些監(jiān)控板的主控芯片大部分是單片機。在這些單片機中運行的軟件很多都是軟件工程師編寫的前后臺程序，沒有操作系統(tǒng)和軟件架構(gòu)，可維護性和可移植性差。因為沒有一套通用的監(jiān)控軟件架構(gòu)，軟件工程師各自為政，甚至同一個部門的軟件工程師編寫的代碼框架完全不同。由于存在工程師離職、調(diào)崗等情況，新接手的軟件工程師經(jīng)常無法讀懂前人的代碼，導(dǎo)致推翻前人成果重新進行軟件編寫，而這些監(jiān)控軟件的無序狀態(tài)都是因為沒有一個統(tǒng)一的監(jiān)控軟件架構(gòu)標準。所以我希望根據(jù)現(xiàn)有資源在我公司的通用監(jiān)控板上實現(xiàn)一套比較簡單易用的監(jiān)控軟件架構(gòu)。

2 硬件平臺簡介

我公司的天控、中頻、切換矩陣、信道等設(shè)備中存在著多種多樣的監(jiān)控板。這些監(jiān)控板有的面臨核心芯片停產(chǎn)的問題，有的接口資源不夠豐富、處理能力弱。為了滿足日益復(fù)雜的監(jiān)控任務(wù)需求，減少多種不同監(jiān)控板所帶來的軟硬件研發(fā)和生產(chǎn)復(fù)雜程度，設(shè)計了一種通用監(jiān)控板，即使用一種外圍接口固定的監(jiān)控板來完成天控、中頻、切換矩陣、信道設(shè)備的監(jiān)控任務(wù)。通用監(jiān)控板的定位孔尺寸、接插件型號和定義都是固定的，使用相同的軟件驅(qū)動程序，未來可以通過更新主控制芯片來進行硬件升級。通用監(jiān)控板的主要功能性能指標如下：主控制器使用ST公司32位ARM Cotex-M4內(nèi)核的單片機STM32F429ZIT，最高主頻為180MHz，192KB片內(nèi)RAM，2MB的片內(nèi)Flash；板上有配置參數(shù)存儲器，容量為8KB；支持2路網(wǎng)絡(luò)，10/100M自適應(yīng)；支持8路串口（其中3路串口可以配置成RS422/RS485 電平）；支持3路獨立的SPI接口（其中1路SPI有6個片選端口）。

3 軟件架構(gòu)總體設(shè)計

3.1 原有監(jiān)控軟件架構(gòu)

原有的監(jiān)控軟件都是軟件工程師按照自己的想法編寫的，大部分是前后臺軟件架構(gòu)，包含大循環(huán)掃描和中斷觸發(fā)。這種軟件架構(gòu)的框圖如圖1所示。

圖1 前后臺軟件架構(gòu)框圖

前后臺軟件架構(gòu)的優(yōu)點是簡潔、明了，特別適合比較簡單的應(yīng)用。當(dāng)軟件規(guī)模較大時，我們就會發(fā)現(xiàn)前后臺軟件架構(gòu)的缺點：軟件難管理和維護；軟件工程師必須懂硬件；實時性難以保證。所以需要使用一個嵌入式實時操作系統(tǒng)來解決這些問題。

3.2 通用監(jiān)控板軟件架構(gòu)設(shè)計

針對原有監(jiān)控軟件架構(gòu)的缺點，將嵌入式領(lǐng)域出現(xiàn)的優(yōu)秀元素如RTOS、GUI、面向?qū)ο笤O(shè)計、分層設(shè)計等思想引入到通用監(jiān)控板軟件架構(gòu)中，使用開源軟件FreeRTOS和msOS，通過合理的組織形成完整的軟件架構(gòu)。此軟件架構(gòu)讓使用者很容易讀懂，并且可以很容易修改、增刪，方便多位工程師協(xié)同開發(fā)系統(tǒng)底層，具有很好的穩(wěn)定性和可重用性，軟件工程師能根據(jù)自己的實際項目需求來編寫應(yīng)用層程序，而不需要關(guān)心通用監(jiān)控板底層硬件資源管理和驅(qū)動等。通用監(jiān)控板軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 通用監(jiān)控板軟件架構(gòu)

FreeRTOS是一個迷你的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，主要功能包括：任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理、記錄功能、軟件定時器、協(xié)程等，可滿足絕大部分監(jiān)控軟件的需要。FreeRTOS的源代碼開源且免費，可以方便地使用ST公司的工具軟件STM32CubeMX來配置生成。

嵌入式微系統(tǒng)msOS是一款簡單、易用的通用嵌入式軟件架構(gòu)，其結(jié)合具體的項目應(yīng)用，整合uC/OS-I I，面向?qū)ο缶幊?，是一款具有實時性要求、多任務(wù)的前后臺系統(tǒng)。msOS的特點是統(tǒng)一了編程風(fēng)格，把C語言寫成簡單、優(yōu)雅的C#語言的樣子，利用結(jié)構(gòu)體把軟件架構(gòu)分為應(yīng)用層（App）和系統(tǒng)層（System），獨立編程，應(yīng)用層和系統(tǒng)層都只能對設(shè)備操作，不能訪問底層，實現(xiàn)芯片級移植，便于多人協(xié)同開發(fā)系統(tǒng)層。

本文研究的軟件架構(gòu)底層的CMSIS、STM32 HAL Driver和FreeRTOS模塊都可以方便地使用ST公司的工具軟件STM32CubeMX來配置生成，方便在STM32不同芯片之間進行移植。上層的System和App層是按照msOS的框架和風(fēng)格來實現(xiàn)的。App層是直接面向應(yīng)用的，不涉及底層硬件和驅(qū)動。主要包含業(yè)務(wù)邏輯（Logic.c）和菜單界面（Menu.c），用于業(yè)務(wù)邏輯控制和串口屏界面顯示。System層細分為GUI庫、MOTOR（電機）庫、Switch Mat r ix（切換矩陣）庫等中間件和Device 子層，可以將它看作是C#里的System命名空間，將通用監(jiān)控板底層的硬件資源及相關(guān)驅(qū)動全部封裝起來，供App層調(diào)用。GUI庫為菜單界面解析包，用于面向?qū)ο蟮捻撁娼馕?。MOTOR庫為電機控制包，用于封裝控制步進電機和直流電機的子函數(shù)。Switch Matrix庫為切換矩陣控制包，用于封裝控制切換矩陣的子函數(shù)。Device為App層和System層提供所需要外圍軟硬件設(shè)備的驅(qū)動程序，內(nèi)部包含各種設(shè)備，如LCD、按鍵、串口、電機等。

4 任務(wù)分配

本文的軟件架構(gòu)借鑒了msOS的思想，共分為4 個任務(wù)，它們的名字和優(yōu)先級如圖3所示。任務(wù)1的功能是進行1ms一次的輪詢，處理最緊急的周期性查詢事物如電機控制等，為最高的任務(wù)優(yōu)先級；任務(wù)2的功能是進行10ms一次的輪詢，處理較緊急的周期性查詢事物如按鍵掃描等，為第二高的任務(wù)優(yōu)先級；任務(wù)3的功能是采用消息驅(qū)動型方式處理業(yè)務(wù)邏輯，為第三高的任務(wù)優(yōu)先級；任務(wù)4的功能是進行菜單界面解析處理，為最低的任務(wù)優(yōu)先級，100ms刷新一次即可。另外，如果需要進行微秒級的輪詢，直接使用MCU的定時器，在定時器中斷程序里進行輪詢，緩存從外設(shè)獲取的數(shù)據(jù)，并發(fā)送消息給任務(wù)3，在任務(wù)3中進行業(yè)務(wù)邏輯處理。

任務(wù)1、任務(wù)2和中斷程序?qū)耐庠O(shè)獲取的數(shù)據(jù)緩存到MCU內(nèi)存中，并發(fā)送消息給任務(wù)3；任務(wù)3在收到任務(wù)1、任務(wù)2和中斷程序發(fā)送過來的消息后，對緩存下來的數(shù)據(jù)進行協(xié)議解析、轉(zhuǎn)換計算等處理，并更新全局數(shù)據(jù)庫App.Data和App.Menu；任務(wù)4根據(jù)全局數(shù)據(jù)庫App.Data和App.Menu的最新數(shù)據(jù)，每隔100ms刷新一次界面顯示。

圖3 任務(wù)分配框圖

5 面向?qū)ο蟛藛谓缑?/h2>

本文的菜單界面是基于msOS的菜單界面設(shè)計思想，根據(jù)通用監(jiān)控板菜單界面的具體需求改造而來。它完全基于面向?qū)ο蟮乃悸穪磉M行設(shè)計，把界面抽象成若干個頁面，而每個頁面又由背景文字（BackText）、標簽（Label）和文本（TextBox）等控件組成。背景文字用于顯示固定的文字說明，比如頻點、溫度等，這些文字在當(dāng)前頁面下是一直不會變化的。標簽控件是用來顯示變量的，可以是字符串，也可以是數(shù)字。文本控件除了具有標簽控件的特點外，還可以通過按鍵等來修改變量值。標簽控件使用單向鏈表來進行組織和遍歷，文本控件使用雙向鏈表來進行組織和遍歷。在面向?qū)ο笳Z言C#中，控件是類（class）來封裝的，控件的特性對應(yīng)類的屬性，控件的操作函數(shù)對應(yīng)類的方法。在C語言中沒有類，只能將控件的特性封裝到結(jié)構(gòu)體（struct）里面。菜單界面中頁面的組織結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 菜單界面中頁面結(jié)構(gòu)框圖

在頁面的初始化函數(shù)中將每個控件初始化，然后在任務(wù)4中每隔100ms就解析執(zhí)行一次菜單界面。只有當(dāng)菜單界面有數(shù)據(jù)更新時，才去更新液晶屏顯示，這樣可以減少MCU與液晶屏之間的數(shù)據(jù)通信開銷，有利于提高菜單界面顯示的可靠性。

6 結(jié)束語

本文針對衛(wèi)星通信設(shè)備通用監(jiān)控板的監(jiān)控軟件實際需求，基于開源的FreeRTOS和msOS嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計了一套監(jiān)控軟件架構(gòu)。本文的監(jiān)控軟件架構(gòu)具有良好的可讀性、穩(wěn)定性和可移植性，使得應(yīng)用軟件工程師不需要關(guān)心底層的硬件和驅(qū)動，只需要關(guān)注自己需要的監(jiān)控界面和業(yè)務(wù)邏輯，大大減少了重復(fù)性工作，監(jiān)控軟件開發(fā)的時間成本和溝通成本減少，新員工接手監(jiān)控軟件的難度也將大大降低，預(yù)期的效益非常明顯。

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