基于PXI總線的星載機(jī)仿真系統(tǒng)研究

(長(zhǎng)沙湘計(jì)海盾科技有限公司，長(zhǎng)沙 410008)

0 引言

地面衛(wèi)星仿真與測(cè)試平臺(tái)可在前期的算法驗(yàn)證、硬件系統(tǒng)可靠性評(píng)估中，為設(shè)計(jì)人員提供快速、低成本、有效的解決方案。讓衛(wèi)星的通用化和小型化成為可能[1]。在現(xiàn)有的衛(wèi)星仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，功能模塊化已成為主流，并通常應(yīng)用了高性能通用處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)大部分硬件的功能，極力簡(jiǎn)化硬件復(fù)雜度，提升系統(tǒng)可靠性。與此同時(shí)，對(duì)軟件設(shè)計(jì)能力也提出了更高的要求。星載計(jì)算機(jī)必需與多個(gè)子系統(tǒng)并行進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。對(duì)衛(wèi)星星載計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備的管理也提出了更高的要求[2]。

PXI作為一種成熟的模塊化儀器系統(tǒng)，可以通過(guò)成熟的觸發(fā)總線來(lái)進(jìn)行多板同步。并可通過(guò)新型觸發(fā)總線來(lái)進(jìn)行精確定時(shí)[3-5]。通過(guò)局部總線來(lái)進(jìn)行相應(yīng)模塊的高速通信。并且PXI具備優(yōu)秀的擴(kuò)展性，當(dāng)我們需要使用一項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用到星載機(jī)上時(shí)，可以直接在已有的基礎(chǔ)上添加相應(yīng)模塊，減少投入成本[6-8]。因此，本文采用PXI來(lái)進(jìn)行星載機(jī)的仿真與測(cè)試[8-10]。

1 星載機(jī)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

整個(gè)衛(wèi)星地面仿真系統(tǒng)包含4個(gè)分系統(tǒng)：動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)、敏感器仿真系統(tǒng)、星載機(jī)仿真系統(tǒng)、執(zhí)行部件仿真系統(tǒng)。分別由4臺(tái)PC機(jī)在LabVIEW環(huán)境中運(yùn)行各分系統(tǒng)仿真程序，各分系統(tǒng)通過(guò)PC機(jī)上的CAN卡來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊[11-13]。

為了驗(yàn)證星載機(jī)源程序算法的正確性以及使用CAN總線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的可行性，將仿真系統(tǒng)分為兩個(gè)步驟進(jìn)行：

首先，在PC機(jī)下的LabVIEW環(huán)境中通過(guò)CAN卡進(jìn)行各分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊。星載機(jī)的源程序編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)后可以在LabVIEW中方便地調(diào)用。因此，通過(guò)CAN卡提供的函數(shù)，就可以在LabVIEW中進(jìn)行通訊程序的編寫(xiě)。

其次，將PC機(jī)下的CAN通訊程序移植到PXI的RT系統(tǒng)上面運(yùn)行，PXI提供了一系列的CAN通訊控件，通過(guò)調(diào)用這些控件來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。上位機(jī)上編寫(xiě)的程序下載到PXI中，檢驗(yàn)其RT系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是否可以滿足星載機(jī)的要求。

1.1 CAN總線通訊

CAN總線通訊協(xié)議描述了不同設(shè)備之間的信息傳遞方式。通過(guò)分層來(lái)有效解決數(shù)據(jù)的可靠性，實(shí)際的數(shù)據(jù)通信發(fā)生在每個(gè)設(shè)備相鄰的兩層。不同設(shè)備只需要通過(guò)物理端連接即可。實(shí)際開(kāi)發(fā)中只需要關(guān)注應(yīng)用層協(xié)議，可以由用戶根據(jù)自己的應(yīng)用場(chǎng)景自由定義。

衛(wèi)星地面仿真系統(tǒng)包括4個(gè)子系統(tǒng)：動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)、敏感器仿真系統(tǒng)、星載機(jī)仿真系統(tǒng)及執(zhí)行部件仿真系統(tǒng)，各系統(tǒng)分別運(yùn)行在PC機(jī)上，它們之間通過(guò)CAN進(jìn)行通訊。仿真系統(tǒng)之間CAN通訊結(jié)構(gòu)如圖1所示。分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊包括下面的5個(gè)部分，其中第1項(xiàng)為動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)分別向敏感器和執(zhí)行部件仿真系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行周期為25 ms，其他分系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)馬上處理，處理完畢之后立即向后面的系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣整個(gè)系統(tǒng)的周期能保持在25 ms內(nèi)，保證仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。注意執(zhí)行部件必須接收到動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)和星載機(jī)系統(tǒng)發(fā)送后的數(shù)據(jù)后才開(kāi)始運(yùn)行。

1)動(dòng)力仿真系統(tǒng)→敏感器仿真系統(tǒng)，

動(dòng)力仿真系統(tǒng)→執(zhí)行部件仿真系統(tǒng)；

2)敏感器仿真系統(tǒng)→星載機(jī)仿真系統(tǒng)；

3)星載機(jī)仿真系統(tǒng)→執(zhí)行部件仿真系統(tǒng)；

4)執(zhí)行部件仿真系統(tǒng)→動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)。

由圖1可見(jiàn)，各系統(tǒng)都通過(guò)CAN卡將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上面，因此各系統(tǒng)通過(guò)CAN控制器的驗(yàn)收與屏蔽碼的設(shè)置來(lái)接收需要的數(shù)據(jù)幀。

圖1 CAN總線結(jié)構(gòu)圖

1.2 SJA1000控制器設(shè)置

SJA1000濾波器由4個(gè)驗(yàn)收代碼寄存器和4個(gè)屏蔽代碼寄存器組成，分別為ACR0、ACR1、ACR2、 ACR3、與AMR0、AMR1、AMR2、AMR3。其中每個(gè)寄存器都為一個(gè)字節(jié)。

單濾波是指只有一個(gè)由4個(gè)驗(yàn)收碼寄存器和4個(gè)驗(yàn)收屏蔽碼寄存器組成的驗(yàn)收濾波器，總線上的信息只有通過(guò)了它的驗(yàn)收濾波，才予以接收。

1.3 CAN通訊協(xié)議

1)CAN總線協(xié)議規(guī)范：本文所采用CAN2.0 A版本的總線協(xié)議規(guī)范。 CAN總線節(jié)點(diǎn)電氣接口由82C250 CAN總線收發(fā)器芯片或其他兼容芯片構(gòu)成。

2)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)：本線系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀來(lái)傳送各部件的數(shù)據(jù)和指令，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀相關(guān)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)

說(shuō)明：

(1)不同子系統(tǒng)進(jìn)行通訊時(shí)，其發(fā)送幀和接收幀的ID號(hào)是一致的；

(2)對(duì)于一包涵蓋所有子系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)的完整的數(shù)據(jù)幀，其ID分配規(guī)則如下：

1幀： 1個(gè)ID；

2幀： 2個(gè)ID，其中頭幀ID優(yōu)先級(jí)高，尾幀ID優(yōu)先級(jí)低；

3幀： 3個(gè)ID，其中頭幀ID優(yōu)先級(jí)高，中間幀ID優(yōu)先級(jí)次之，尾幀ID優(yōu)先級(jí)最低；

3幀以上：3個(gè)ID，其中頭幀和尾幀各用一個(gè)ID，中間幀共用一個(gè)ID，采用多次傳送，其優(yōu)先級(jí)設(shè)置同3幀。

星載機(jī)CAN總線協(xié)議：

星載機(jī)每包數(shù)據(jù)包含70字節(jié)的數(shù)組，為滿足CAN數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，先將其填充?0字節(jié)的數(shù)組，然后再通過(guò)10幀發(fā)送出去。

2 基于PC機(jī)的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件平臺(tái)

PC機(jī)：

CPU：Intel Pentium4 2.4 G；

內(nèi)存：Kinston DDR 512 MB；

顯卡：NVIDIA GeForce4 Ti4200；

CAN卡：ZLGPCI9820

該卡設(shè)備參數(shù)如下：

計(jì)算機(jī)接口： 32位33 M PCI 數(shù)據(jù)總線，即插即用；

CAN控制器： PHILIPS SJA1000；

CAN收發(fā)器： PHILIPS PCA82C250；

數(shù)據(jù)傳送速率： CAN總線速率可編程，范圍在5 Kbps～1 Mbps 內(nèi)；

CAN 通訊接口： DB9 針型插座，符合DeviceNet 和CANopen 標(biāo)準(zhǔn)；

光電隔離耐壓： 1 000 VDC；

CAN協(xié)議： CAN 2.0 B規(guī)范(兼容CAN 2.0 A)；

建議最高幀流量： 單通道1 000幀/秒；

數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小： 軟件發(fā)送緩沖16 幀，軟件接收緩沖100 000幀；

溫度： 0～70 ℃；

物理尺寸： 標(biāo)準(zhǔn)PCI 短卡(130 mm*90 mm)。

2.2 軟件環(huán)境

實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering)，是一種基于圖形化的編程語(yǔ)言。這種圖形化編程工具和以往基于文本型的編程語(yǔ)言最大的不同是，使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，不需要編寫(xiě)程序代碼，而是采用圖形模塊、數(shù)據(jù)流連接線來(lái)形成流程圖。

使用圖形化編程的優(yōu)勢(shì)在于它可以充分利用行業(yè)內(nèi)所熟只的術(shù)語(yǔ)概念來(lái)設(shè)計(jì)通用的圖標(biāo)看，通過(guò)圖標(biāo)可以快速知道其基本的功能與輸入輸出接口。因此，LabVIEW是一個(gè)快速靈活構(gòu)建測(cè)試、仿真的工具。其通用的儀器編程和數(shù)據(jù)采集規(guī)范可以有效提升用戶的科學(xué)、工程系統(tǒng)的能力。使用它進(jìn)行原型機(jī)驗(yàn)證時(shí)，具備有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

LabVIEW帶有函數(shù)庫(kù)和子程序庫(kù)具有良好的擴(kuò)展性，在應(yīng)用于Windows桌面程序設(shè)計(jì)時(shí)，還提供了用于儀器設(shè)備控制、總線控制、以及科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、顯示與存儲(chǔ)等應(yīng)用程序模塊。此外，其還可以方便地調(diào)用Windows下編譯的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，通過(guò)提供CIN(Code Interface Node)節(jié)點(diǎn)來(lái)調(diào)用C或C++編譯的程序模塊，使得LabVIEW成為一個(gè)開(kāi)放的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。此外其系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具箱使得用戶能夠方便地進(jìn)行程序調(diào)試，非常直觀地觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。

2.3 通訊程序開(kāi)發(fā)

本應(yīng)用程序在PC環(huán)境下進(jìn)行編寫(xiě)。CAN卡采用周立功公司的ZLGPCI9820雙路CAN卡，該卡的驅(qū)動(dòng)程序包提供了LabVIEW下的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)文件，其包含了我們開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序所需要的VCI函數(shù)。通過(guò)LabVIEW下的CLF節(jié)點(diǎn)，可以方便地對(duì)CAN卡進(jìn)行初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收等操作。VCI函數(shù)調(diào)用流程如圖2所示。

圖2 VCI函數(shù)使用流程

根據(jù)CAN通訊協(xié)議的要求，星載機(jī)必須接收?qǐng)?zhí)行系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、敏感器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)包，然后將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后輸入到星載機(jī)源代碼中計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，通過(guò)數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。程序流程圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 星載機(jī)程序流程圖

根據(jù)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在制定的CAN通訊協(xié)議中規(guī)定了各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀驗(yàn)收碼、屏蔽碼、波特率等參數(shù)，在LabVIEW中的程序控制面板中進(jìn)行設(shè)置即可。

應(yīng)用程序中CAN0、CAN1分別為CAN卡的兩個(gè)端口，可對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)操作。DeviceType中選擇CAN卡的型號(hào)。Filter控件為濾波類(lèi)型選擇，可選擇單濾波還是雙濾波。

其中ReceiveNum控件顯示緩存中數(shù)據(jù)幀的幀數(shù)，ID控件中設(shè)置要發(fā)送數(shù)據(jù)幀的ID，IDReceived控件顯示接收到數(shù)據(jù)幀的ID號(hào)。

2.4 系統(tǒng)聯(lián)試

各分系統(tǒng)應(yīng)用程序編寫(xiě)完畢后，將其分別運(yùn)行在四臺(tái)PC機(jī)中。通過(guò)調(diào)試，各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定正常。驗(yàn)證了通訊協(xié)議的正確性與CAN總線進(jìn)行通訊的可行性。

3 PXI仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PXI總線概述

PXI作為PCI總線在儀器控制領(lǐng)域內(nèi)的擴(kuò)展。定義了相關(guān)電氣和軟件規(guī)范，形成了虛擬儀器體系。該體系具備成熟的技術(shù)規(guī)范和要求，并具有高速信號(hào)采集和存儲(chǔ)、高精度定時(shí)同步的能力，還具有優(yōu)秀的擴(kuò)展能力。

3.2 硬件平臺(tái)

機(jī)箱-1044、控制器-8196、示波器-5124、多功能卡-6259、萬(wàn)用表-4071、定時(shí)模塊-6608、矩陣開(kāi)關(guān)-2503、CAN模塊-8461。

3.3 軟件環(huán)境

PXI軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為Window和LabVIEW RT系統(tǒng)，本文中的試驗(yàn)在LabVIEW RT 系統(tǒng)中進(jìn)行編寫(xiě)。LabVIEW RT 的實(shí)時(shí)性非常好，并具有分布式工程開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)。在上位機(jī)的LabVIEW中開(kāi)發(fā)的CAN通訊程序，可以通過(guò)網(wǎng)線下載到實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中操作CAN卡，然后就可以運(yùn)行。

3.4 通訊程序開(kāi)發(fā)

PXI提供了型號(hào)為8461的CAN卡，該卡采用飛利浦SJA1000獨(dú)立控制器，并具有兩個(gè)CAN口，為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星地面仿真與測(cè)試系統(tǒng)的要求，在PXI的LabVIEW環(huán)境下進(jìn)行了CAN通訊程序設(shè)計(jì)。

PXI 8461CAN卡具有兩種程序設(shè)計(jì)方式：一種是Frame API；另一種是Channel API。本程序中采用應(yīng)用范圍更廣的Frame API，F(xiàn)rame API支持遠(yuǎn)程幀。程序主要通過(guò)以下6個(gè)VI ncConfigCANNet.vi、ncOpen.vi、ncGetAttr.vi、ncReadNetMult.vi、ncWriteNetMult.vi、ncClose.vi來(lái)進(jìn)行編寫(xiě)。

由于在PC機(jī)下PCI9820CAN卡與PXI下8461CAN卡的控制器均為SJA1000，因此，其設(shè)置方法也基本相同。不同的是其屏蔽碼的設(shè)置正好相反，在PCI9820CAN中FFFFFFFF表示全收，而在PXI中表示只接收與驗(yàn)收碼相同的ID數(shù)據(jù)幀。按前面的經(jīng)驗(yàn)對(duì)波特率、驗(yàn)收碼、屏蔽碼進(jìn)行設(shè)置后，程序即可運(yùn)行。

3.5 系統(tǒng)聯(lián)試

PXI中程序編寫(xiě)完畢后，接入衛(wèi)星地面仿真系統(tǒng)中，通過(guò)CAN總線與動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、敏感器系統(tǒng)、執(zhí)行部件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。此時(shí)動(dòng)力學(xué)仿真程序與星載機(jī)仿真程序均運(yùn)行在PXI中，通過(guò)PXI的并行處理技術(shù)來(lái)運(yùn)算。此二系統(tǒng)分別采用一個(gè)CAN口來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。其中星載機(jī)采用CAN1，動(dòng)力學(xué)采用CAN0口。

執(zhí)行部件仿真程序運(yùn)行在C8051單片機(jī)中，通過(guò)板載CAN模塊收發(fā)數(shù)據(jù)。敏感器仿真程序運(yùn)行在DSP中，通過(guò)自帶的CAN模塊來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。此二系統(tǒng)的程序流程圖與星載機(jī)相似，均為接收完數(shù)據(jù)后計(jì)算，計(jì)算后又馬上把數(shù)據(jù)發(fā)送給下一個(gè)系統(tǒng)。

4個(gè)分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)均發(fā)送到總線上，通過(guò)設(shè)置CAN參數(shù)來(lái)決定數(shù)據(jù)幀的收發(fā)。硬件仿真系統(tǒng)搭建完成后，經(jīng)過(guò)調(diào)試，各系統(tǒng)均運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)發(fā)送正確。姿軌控制參數(shù)曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 飛輪電壓(對(duì)日)

圖5 姿態(tài)角速度

3.6 仿真結(jié)果及分析

仿真系統(tǒng)源代碼的在Matlab與VC中進(jìn)行了數(shù)學(xué)仿真，其中的飛輪電壓與姿態(tài)角速度如圖6，圖7所示。將這些曲線與PXI中的曲線進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)其吻合程度非常好。其他重要參數(shù)的曲線也都與數(shù)學(xué)仿真的結(jié)果非常吻合。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)，該仿真系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖6 飛輪電壓

衛(wèi)星控制系統(tǒng)的性能由姿態(tài)角速度和姿態(tài)四元數(shù)來(lái)判定。從圖6、圖7來(lái)看，姿態(tài)角速度與四元數(shù)在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后，逐漸趨于穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)的要求。

通過(guò)對(duì)比，在PXI中的仿真結(jié)果純數(shù)學(xué)仿真結(jié)果相同。由此，可以證明使用PXI與CAN總線技術(shù)來(lái)進(jìn)行星載機(jī)仿真的可行性。

4 結(jié)論

通過(guò)本文的研究，開(kāi)發(fā)了基于PXI的衛(wèi)星地面仿真及測(cè)試系統(tǒng)，主要成果包括以下幾個(gè)方面：

1)完成基于LabVIEW環(huán)境的星載機(jī)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了該子系統(tǒng)與動(dòng)力學(xué)仿真子系統(tǒng)，敏感器仿真子系統(tǒng)，執(zhí)行部件仿真子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊。通過(guò)對(duì)衛(wèi)星各部件之間的聯(lián)試，驗(yàn)證了星載機(jī)系統(tǒng)控制算法的正確性。

2)采用CAN總線來(lái)進(jìn)行星載機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，測(cè)試了CAN總線的高速數(shù)據(jù)傳輸能力及穩(wěn)定性。

3)利用LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析工具包和良好的軟件兼容能力，設(shè)計(jì)了星載機(jī)子系統(tǒng)綜合測(cè)試系統(tǒng)，并完成了相應(yīng)的測(cè)試工作。驗(yàn)證了PXI進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)處理能力以及擴(kuò)展性能，其實(shí)時(shí)性能也很好地滿足了星載機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

本文中實(shí)驗(yàn)和仿真得到的結(jié)論反映了PXI總線技術(shù)的先進(jìn)性，為仿真與測(cè)試方面的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。本文的研究成果具有良好的通用性，本系統(tǒng)可作為航天器的通用仿真與測(cè)試平臺(tái)。本文的結(jié)論利用PXI來(lái)進(jìn)行星載機(jī)仿真與測(cè)試具有重要的實(shí)際價(jià)值。