主機(jī)控制軟件在測(cè)發(fā)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

運(yùn)載火箭一體化地面測(cè)試發(fā)射控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng))是現(xiàn)役運(yùn)載火箭地面測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分[1]，如圖1所示。負(fù)責(zé)完成運(yùn)載火箭總裝廠集成綜合試驗(yàn)、發(fā)射場(chǎng)試驗(yàn)[2]。通過(guò)一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)完成對(duì)火箭控制系統(tǒng)、推利系統(tǒng)、遙測(cè)系統(tǒng)、外安系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等五大系統(tǒng)的控制[3]，完成信號(hào)采樣、信號(hào)診斷、信號(hào)激勵(lì)、流程控制、點(diǎn)火發(fā)射、生成判讀報(bào)告等。該系統(tǒng)采用集中控制、分布式測(cè)試模式，共同完成一套測(cè)試任務(wù)[4]。

主機(jī)控制軟件是一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)軟件分系統(tǒng)的重要組成部分，是所有控制指令的發(fā)起端，也是有回令屬性指令的閉合端，負(fù)責(zé)完成測(cè)試流程文件、控制指令文件創(chuàng)建、流程控制、數(shù)據(jù)診斷、報(bào)表生成等操作。因現(xiàn)役主機(jī)控制軟件測(cè)試流程不可配置，且測(cè)試流程固化在軟件代碼中，導(dǎo)致軟件代碼更改頻繁、升級(jí)次數(shù)多、管理成本高等問(wèn)題發(fā)生，固新研新一代主機(jī)控制軟件(簡(jiǎn)稱新型主機(jī)控制軟件)，該軟件有效地將試驗(yàn)過(guò)程信息以文件流的形式與軟件架構(gòu)相分離，降低了軟件模塊間耦合度，提升了軟件通用性，將該軟件功能最終轉(zhuǎn)化為測(cè)試流程控制器，通過(guò)輸入測(cè)試流程文件，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的控制。

圖1 一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)框圖

1 新型主機(jī)控制軟件研制的必要性

1.1 現(xiàn)役一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)主機(jī)控制軟件現(xiàn)狀分析

軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)不合理?，F(xiàn)役一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)主機(jī)控制軟件采用在軟件代碼中固定不同類型編碼順序，形成不同測(cè)試函數(shù)模塊，通過(guò)用戶界面選擇，執(zhí)行不同函數(shù)功能模塊分支，完成測(cè)試流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的控制。這種定制化軟件架構(gòu)，對(duì)未來(lái)軟件需求發(fā)生變更方面適應(yīng)性較差，軟件架構(gòu)不合理，沒(méi)有將軟件功能模塊、接口定義、模塊間從屬關(guān)系劃分清晰，當(dāng)一級(jí)基礎(chǔ)文件編碼發(fā)生變更、或增加、縮減控制指令、測(cè)試流程順序發(fā)生調(diào)整時(shí)，必須更改軟件代碼，升級(jí)軟件版本，驗(yàn)證測(cè)試后，才能符合用戶方需求。這種實(shí)現(xiàn)方式導(dǎo)致代碼功能模塊耦合度高、后期維護(hù)管理成本高，無(wú)法滿足用戶多樣性需求。

通用化設(shè)計(jì)欠缺。由于軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議不兼容，導(dǎo)致不同型號(hào)運(yùn)載火箭都必須獨(dú)自開發(fā)與之型號(hào)相適應(yīng)的主機(jī)控制軟件，進(jìn)而導(dǎo)致各型號(hào)間通用化程度低，實(shí)現(xiàn)方式原理各不相同，研制、維護(hù)成本增加，人員利用率低。

1.2 新型主機(jī)控制軟件研制方向

通用化是新型主機(jī)控制軟件研制的必然發(fā)展方向[5]，只有實(shí)現(xiàn)最大限度的通用，才能有效降低人力成本、維護(hù)成本、縮短相同類型軟件的研發(fā)周期，以最小的更改適應(yīng)更廣闊的市場(chǎng)變化[6]。

三層C/S結(jié)構(gòu)提供了一種思路，即分離出業(yè)務(wù)處理規(guī)則，使之獨(dú)立出來(lái)，這種獨(dú)立的特點(diǎn)使得一個(gè)領(lǐng)域內(nèi)最容易導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法復(fù)用的部分變得相對(duì)容易修改[7]。新型主機(jī)控制軟件三層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型主機(jī)控制軟件C/S三層體系結(jié)構(gòu)

新型主機(jī)控制軟件與現(xiàn)役主機(jī)控制軟件相比，具有如下特點(diǎn)：

1)業(yè)務(wù)層與數(shù)據(jù)層更好的分離。業(yè)務(wù)層各功能模塊邏輯關(guān)系劃分清晰，耦合度低；數(shù)據(jù)層以XML文件的形式作為軟件的輸入，該模式可有效地提升軟件通用性；

2)測(cè)試流程文件以XML文件形式與軟件進(jìn)行剝離，并可根據(jù)用戶需求實(shí)時(shí)調(diào)整測(cè)試流程或基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表文件，適應(yīng)變化；

3)增加標(biāo)簽概念及標(biāo)簽處理，可有效提升軟件功能性；

4)軟件結(jié)構(gòu)更加模塊化，邊界清晰，降低模塊間耦合度；

5)以XML文件形式保存新型主機(jī)控制軟件數(shù)據(jù)層內(nèi)容，可通過(guò)調(diào)整文件屬性列方式，滿足用戶多樣性需求。

2 新型主機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)方法

2.1 總體結(jié)構(gòu)

新型主機(jī)控制軟件由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表模塊、測(cè)試流程模塊、接口協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、發(fā)送控制器模塊、接收控制器模塊、單步測(cè)試模塊組成，其中，發(fā)送控制器包括SOCKET發(fā)送控制器和COM發(fā)送控制器；接收控制器包括SOCKET接收控制器和COM接收控制器，分別用于完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和串口信號(hào)控制；一級(jí)基礎(chǔ)文件通過(guò)與一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)不同功能子系統(tǒng)進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，依托功能號(hào)進(jìn)行不同編碼設(shè)計(jì)，生成不同功能一級(jí)基礎(chǔ)指令編碼表文件；測(cè)試流程文件依據(jù)任務(wù)需求通過(guò)不同基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表文件中的控制編碼指令拼裝而成，并以不同名稱獨(dú)立XML文件形式保存。試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)送控制器對(duì)測(cè)試流程文件內(nèi)容進(jìn)行解析，將當(dāng)前步驟中解析好的指令數(shù)組傳送給SOCKET功能模塊或COM功能模塊，依托通訊模塊返回結(jié)果控制任務(wù)流程進(jìn)度，顯示執(zhí)行結(jié)果，提示錯(cuò)誤信息，等待用戶選擇。SOCKET功能模塊或COM功能模塊最終實(shí)現(xiàn)控制指令的發(fā)送與接收，并對(duì)接收到的返回指令進(jìn)行解析、判定，將判定結(jié)果返回給發(fā)送控制器，輔助測(cè)試流程控制，軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 新一代主機(jī)控制軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表模塊設(shè)計(jì)原理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表功能模塊由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表格信息和網(wǎng)絡(luò)信息構(gòu)成，主要用于完成一級(jí)基礎(chǔ)文件的創(chuàng)建、刪除、保存；文件記錄的增加、刪除、更改、搜索、移動(dòng)等操作。一級(jí)基礎(chǔ)文件通過(guò)對(duì)一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)不同功能子系統(tǒng)進(jìn)行編碼設(shè)計(jì)，生成具有不同功能號(hào)的一級(jí)基礎(chǔ)指令編碼表文件[8-11]。

1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表格信息定義如下六元結(jié)構(gòu)：

(編碼，名稱，標(biāo)準(zhǔn)值，偏差值，計(jì)量單位，備注)

編碼：同一基礎(chǔ)表文件中不同控制指令的唯一數(shù)字標(biāo)識(shí)；

名稱：同一基礎(chǔ)表文件中不同控制指令的唯一字符串標(biāo)識(shí)；

標(biāo)準(zhǔn)值：同一基礎(chǔ)表文件中不同控制指令的理論值；

偏差值：同一基礎(chǔ)表文件中不同控制指令的誤差值；

計(jì)量單位：?jiǎn)挝粚傩?。例如，V，mA,A等；

備注：字符串標(biāo)識(shí)，用來(lái)記錄指令的含義或其他；

2)網(wǎng)絡(luò)信息如圖4所示，定義如下九元結(jié)構(gòu)，圖片中其他信息作為后續(xù)拓展功能使用。

(文件屬性、信源、信宿、功能號(hào)、幀標(biāo)識(shí)、IP、IPPort、數(shù)值類型、通訊方式)

文件屬性：分發(fā)送和接收兩種屬性。發(fā)送表明該基礎(chǔ)表文件為指令控制文件；接收表明當(dāng)接收到該文件中的指令時(shí)用于顯示，不進(jìn)行判斷；

信源：表示控制指令的發(fā)送方；

信宿：表示控制指令的接收方；

功能號(hào)：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表文件的唯一標(biāo)識(shí)，不同基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表文件具有不同功能號(hào)；

幀標(biāo)識(shí)：用于標(biāo)識(shí)此幀為命令幀或?yàn)榛亓顜?；若為命令幀，主機(jī)控制軟件只需要發(fā)送此幀，沒(méi)有回令；若為回令幀表明發(fā)送完此幀后，還需對(duì)隨后返回的回令幀進(jìn)行判別處理。

IP：網(wǎng)絡(luò)接收方IP；

IPPort：網(wǎng)絡(luò)接收方網(wǎng)絡(luò)端口；

數(shù)值類型：表示基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表中標(biāo)準(zhǔn)值與偏差值得類型，分為字符串和數(shù)值型兩種。在數(shù)值型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表文件修改時(shí)，需要對(duì)每條編碼指令對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值與偏差值的合法性進(jìn)行判別；

通訊方式：分TCP通訊與COM通訊兩種。TCP用于完成網(wǎng)絡(luò)通訊，COM通訊用于完成串口通訊，未來(lái)可根據(jù)新型主機(jī)控制軟件應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)通訊方式進(jìn)行擴(kuò)充；

圖4 網(wǎng)絡(luò)信息

依托基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表功能模塊可以創(chuàng)建多項(xiàng)事先按功能號(hào)劃分的一級(jí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表文件，以XML形式保存。文件中編碼與名稱必須唯一，在保存過(guò)程中會(huì)自動(dòng)校驗(yàn)，對(duì)異常記錄信息進(jìn)行報(bào)錯(cuò)提示。一級(jí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表文件中的控制指令是二級(jí)測(cè)試流程文件的重要組成部分，依靠功能號(hào)與控制指令編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的控制。

2.3 測(cè)試流程模塊設(shè)計(jì)原理

二級(jí)測(cè)試流程文件由來(lái)自不同一級(jí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表文件中的控制指令及標(biāo)簽功能碼按一定順序排列而成。測(cè)試流程模塊負(fù)責(zé)完成測(cè)試流程文件的創(chuàng)建、修改、保存等工作，具體操作流程如圖5所示。

圖5 測(cè)試流程模塊工作流程

測(cè)試流程模塊執(zhí)行過(guò)程描述如下：

1)創(chuàng)建測(cè)試流程文件，輸入新測(cè)試流程文件名字，生成內(nèi)容為空的XML文件；

2)從一級(jí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表文件中選擇控制指令，單擊“添加記錄”按鈕，將已經(jīng)選擇的控制指令添加到測(cè)試流程信息列表中。添加過(guò)程中，既可以選擇單項(xiàng)，也可以選擇多項(xiàng)一起添加；

3)對(duì)已經(jīng)生成的測(cè)試流程信息列表進(jìn)行添加標(biāo)簽操作。標(biāo)簽分為Group(組幀)標(biāo)簽、IF(條件)標(biāo)簽、Message(提示)標(biāo)簽、Com(串口)標(biāo)簽4種類別。其中Group標(biāo)簽用于將來(lái)自同一基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表文件的多條連續(xù)指令打包為一個(gè)組，一幀發(fā)送；IF標(biāo)簽用于將一種信號(hào)或多種信號(hào)作為判別條件，當(dāng)條件滿足時(shí)執(zhí)行特殊代碼段；Message標(biāo)簽用于在特定時(shí)間點(diǎn)完成彈框提示功能，同時(shí)可供用戶選擇繼續(xù)當(dāng)前測(cè)試流程或者退出當(dāng)前測(cè)試流程；Com標(biāo)簽用于添加Com指令，可對(duì)COM指令內(nèi)容按用戶需求設(shè)定；

4)指令延時(shí)屬性用來(lái)標(biāo)記兩條連續(xù)指令間執(zhí)行時(shí)間間隔，滿足對(duì)一些采樣信息的特定時(shí)間延時(shí)需求；

5)當(dāng)測(cè)試流程信息列表中所有測(cè)試信息已經(jīng)修改完畢時(shí)，單擊保存按鈕，將測(cè)試流程信息列表中所有信息保存至已經(jīng)生成的相應(yīng)XML文件中；

2.4 處理單元設(shè)計(jì)原理

處理單元負(fù)責(zé)完成自動(dòng)測(cè)試過(guò)程中二級(jí)測(cè)試流程文件指令解析、標(biāo)簽識(shí)別處理、流程控制，將解析好的指令數(shù)組傳送通訊模塊，通訊模塊完成指令的發(fā)送與接收、指令比對(duì)校驗(yàn)，并將處理結(jié)果反饋給處理單元，是新型主機(jī)控制軟件的調(diào)度中心單元。SOCKET功能模塊包含包括SOCKET發(fā)送控制器和SOCKET接收控制器；COM功能模塊包含COM發(fā)送控制器和COM接收控制器；

發(fā)送控制器負(fù)責(zé)完成指令識(shí)別、指令處理、界面更新、流程進(jìn)度控制等；接收控制器負(fù)責(zé)完成指令接收、指令校驗(yàn)、合法性判定、同步互斥變量狀態(tài)設(shè)置等；

同步互斥變量負(fù)責(zé)協(xié)同發(fā)送控制器與接收控制器同步工作，并攜帶接收控制器判讀結(jié)果，發(fā)送控制器通過(guò)對(duì)同步互斥變量進(jìn)行判斷，依托不同測(cè)試結(jié)果執(zhí)行不同程序代碼分支。

處理單元執(zhí)行過(guò)程描述如下：

1)發(fā)送控制器判斷指令隊(duì)列是否不為空，若不為空，從指令隊(duì)列中取出待發(fā)送指令；

2)發(fā)送控制器判斷被取出指令中是否含有標(biāo)簽，若含有標(biāo)簽，進(jìn)行標(biāo)簽處理，同時(shí)設(shè)置同步互斥變量狀態(tài)為0；

3)發(fā)送控制器發(fā)送控制指令，若該指令屬性為有回令指令，則實(shí)時(shí)查詢同步互斥變量狀態(tài)，等待回令接收，并記錄等待時(shí)間，超過(guò)3分鐘進(jìn)行彈框提示，跳出等待狀態(tài)。同步互斥變量為非0值時(shí)，表示回令已接收。若同步互斥變量為1時(shí)，代表結(jié)果正常；若同步互斥變量為-1時(shí)，代表結(jié)果異常，針對(duì)不同錯(cuò)誤類型，進(jìn)行界面顯示；

4)接收控制器負(fù)責(zé)接收回令指令，并判斷接收指令與發(fā)送指令編碼長(zhǎng)度及編碼號(hào)是否相同，若相同，判斷回令合格標(biāo)記是否為真，若為真，設(shè)置同步互斥變量狀態(tài)為1，否則設(shè)置為-1；發(fā)送控制器通過(guò)對(duì)同步互斥變量進(jìn)行監(jiān)控，并實(shí)時(shí)判斷同步互斥變量狀態(tài)，執(zhí)行不同代碼分支；

5)若發(fā)送控制器發(fā)送的指令不需要回令，則延時(shí)一段指令配置好的延時(shí)時(shí)間，繼續(xù)執(zhí)行下一條指令操作；

2.5 單步測(cè)試模塊設(shè)計(jì)原理

單步測(cè)試模塊通過(guò)一級(jí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表文件完成系統(tǒng)級(jí)單步調(diào)試過(guò)程。該模塊可以有效完成對(duì)系統(tǒng)級(jí)單點(diǎn)故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通路驗(yàn)證及系統(tǒng)單通道驗(yàn)證等。啟動(dòng)單步測(cè)試模塊時(shí)，新型主機(jī)控制軟件自動(dòng)導(dǎo)入一級(jí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表所有文件，并在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表信息中顯示文件具體指令內(nèi)容，單擊指令右側(cè)發(fā)送按鈕自動(dòng)完成指令的發(fā)送，流程框顯示顯示測(cè)試過(guò)程信息，如圖6所示。

圖6 單步測(cè)試界面

3 應(yīng)用實(shí)例與試驗(yàn)分析

新型主機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)完成后，已被用于新型測(cè)發(fā)控系統(tǒng)、商業(yè)火箭藍(lán)箭一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)中。軟件已交付使用，軟件設(shè)計(jì)合理、可行，具有測(cè)試速度快、測(cè)試流程可配置、結(jié)構(gòu)靈活、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。相應(yīng)的測(cè)試界面如下圖7所示。

圖7 主機(jī)控制軟件主界面

新型主機(jī)控制軟件相比現(xiàn)役主機(jī)控制軟件而言，軟件架構(gòu)得到了進(jìn)一步改進(jìn)，軟件通用性得到了進(jìn)一步提升，對(duì)一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)等效器階段的不同項(xiàng)目測(cè)試、軟件更改維護(hù)周期有了進(jìn)一步改善，具體分析情況見表1。

4 結(jié)論與展望

新型主機(jī)控制軟件雖然解決了測(cè)試流程與軟件業(yè)務(wù)層分離、測(cè)試流程可配置等問(wèn)題，提升了軟件通用性，但在某些方面仍有可進(jìn)一步完善的空間。例如基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表數(shù)字顯示進(jìn)制問(wèn)題、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表定義問(wèn)題等。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表也可以采用成熟數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)表的定義模式，設(shè)置關(guān)鍵字、外鍵、主鍵等屬性，優(yōu)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表功能；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議還需進(jìn)一步獨(dú)立封裝，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可配置，自動(dòng)識(shí)別轉(zhuǎn)換；界面信息列表顯示定制化等；為后續(xù)主機(jī)控制軟件的研制奠定了基礎(chǔ)。

表1 系統(tǒng)效益分析表