復雜嵌入式管控軟件開放式架構(gòu)

徐加彥

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都610036）

面對新時期作戰(zhàn)對象的要求，電子偵察系統(tǒng)越來越復雜。電子戰(zhàn)的功能復雜，隨之帶來的是軟件設(shè)計龐大，編碼和維護也越發(fā)困難。同時隨著雷達技術(shù)的快速發(fā)展，軟件升級改造日益頻繁，型號在服役沒多久，功能便開始不斷升級，這就要求現(xiàn)在的軟件必須考慮模塊化、開放式架構(gòu)，為新技術(shù)的長期可插入式升級和后期可維護性提供方便[1]。

另一方面，型號研制周期的縮短，裝備個性化需求越來越強，目前基于對象的軟件開發(fā)模式很難應對。

目前的開放式軟件架構(gòu)研究主要為兩方面：①航電系統(tǒng)可開放式架構(gòu)，研究對象為不同軟件系統(tǒng)集成的可開放式架構(gòu)，如通信子系統(tǒng)、飛控子系統(tǒng)、導航子系統(tǒng)等系統(tǒng)集成的開放式架構(gòu)[1]；②航電系統(tǒng)應用軟件開發(fā)平臺的開放架構(gòu)，實現(xiàn)底層軟件和上層應用軟件的隔離。對直接面向電子偵察系統(tǒng)的應用層嵌入式軟件的開放式架構(gòu)缺乏研究。

本文提出的電子偵察系統(tǒng)智能嵌入式軟件開放式架構(gòu)，采用邏輯和物理上的解耦和隔離的設(shè)計思想，面對雷達數(shù)字接收機的個性化功能需求，可快速重構(gòu)、快速迭代，極大地縮短研發(fā)周期和人力成本，大大提高了電子偵察系統(tǒng)嵌入式軟件的全生命周期中可維護性和可移植性。

1 雷達數(shù)字接收機系統(tǒng)概述

雷達數(shù)字接收機主要功能是，截獲雷達信號，測量其參數(shù)，形成雷達脈沖描述字，包含每個脈沖的頻率、入射方向、脈沖寬度、脈沖幅度和到達時間等參數(shù)編碼信息。圖1所示為雷達數(shù)字接收機的原理框圖。

圖1 雷達數(shù)字接收機原理框圖Fig.1 Schematic diagram of radar digital receiver

2 開放式架構(gòu)軟件設(shè)計

當前嵌入式功能軟件和硬件綁定緊密，采用軟硬件綁定式設(shè)計，耦合性高，一旦設(shè)計好，很難進行升級修改。軟件重用性非常差，軟件系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)、測試成本極高。

當前的嵌入式管控軟件，針對系統(tǒng)的個性化功能需求，定制性開發(fā)。采用個性化開發(fā)軟件成熟度低，出錯概率高，難以保證系統(tǒng)的可靠性、安全性、魯棒性，更為后續(xù)的功能升級帶來挑戰(zhàn)[2-4]。

因此嵌入式管控軟件應該降低軟件系統(tǒng)的開發(fā)難度和維護成本，提高嵌入式軟件的可移植性、可重用性、可擴展性，為新技術(shù)的長期可插入式更新提供便利。

本文設(shè)計的嵌入式管控軟件開放式設(shè)計架構(gòu)，如圖2所示，采用模塊化開放式系統(tǒng)架構(gòu)，由于共性軟件被反復使用，不斷迭代，成熟度和穩(wěn)定性越來越高，魯棒性也越來越高。

圖2 嵌入式管控軟件開放式設(shè)計架構(gòu)Fig.2 Open design architecture of embedded control software

2.1 硬件資源的動態(tài)重構(gòu)

圖1所示為雷達數(shù)字接收機的原理框圖，不同硬件模塊掛在不同的總線上，模塊間通過高速總線進行數(shù)據(jù)信息的傳輸，在不同的電子偵察系統(tǒng)，其物理系統(tǒng)也不同。

在圖2中，通過可視化界面，標記電子偵察系統(tǒng)內(nèi)物理模塊掛在哪條總線上、系統(tǒng)內(nèi)的模塊編號，導出原理框圖和藍圖配置文件，實現(xiàn)真實物理系統(tǒng)的映射。通過配置，可以實現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能模塊組合在真實物理系統(tǒng)當中的映射，控制系統(tǒng)的模塊化集成，也就是說系統(tǒng)的功能需求，是由嵌入式軟件通過系統(tǒng)配置來集成不同的應用模塊完成的。

2.2 應用功能的模塊化設(shè)計

如圖3所示，針對設(shè)備共性需求采用抽象化、模塊化、組件化設(shè)計。圖4為日志記錄功能，日志記錄功能有管控軟件和其他軟件的通信記錄，設(shè)備系統(tǒng)運行狀態(tài)的記錄，系統(tǒng)運行錯誤、異常監(jiān)測的記錄等，對外的接口可以發(fā)送到記錄模塊或者記錄設(shè)備，也可以記錄到本地Flash 文件系統(tǒng)。

圖3 應用軟件功能的模塊化設(shè)計Fig.3 Modular design of application software functions

圖4 應用軟件日志記錄功能Fig.4 Application software logging function

功能模塊化設(shè)計，采用商用貨架產(chǎn)品技術(shù)，以高內(nèi)聚、低耦合方式，實現(xiàn)開放式架構(gòu)，應具備如下特征：

（1）系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)、保證各層的相對獨立性，降低耦合性，可提高軟件的可移植性和后期升級方便性。

（2）接口采用標準化設(shè)計，確保軟件系統(tǒng)本身的開放性，可有效支持新技術(shù)的插入。

2.3 系統(tǒng)任務模式可配置

當前電子偵察系統(tǒng)的功能越來越復雜，雷達數(shù)字接收機不再滿足于單一的任務模式，而是多種任務模式的切換。對嵌入式管控軟件的需求，是能支持多種不同的任務模式。

通過實現(xiàn)邏輯系統(tǒng)和真實系統(tǒng)完全隔離。邏輯系統(tǒng)只是一種配置描述，通過映射的方法映射到真實的物理系統(tǒng)中。

用適當?shù)挠布?shù)為代價，處理同時到達多個信號的能力，陣列概念是其中一個。陣列概念是先用粗略的方式在寬的瞬時帶寬上測量一些物理量，再把得到的信息用于引導一些窄帶的測量系統(tǒng)，去獲得輸入信號的詳細信息[5]。如圖5為常用的電子偵察系統(tǒng)的功能架構(gòu)。天線陣列可以是線性天線陣列、圓形天線陣列等布局[5]，通過控制天線收發(fā)開關(guān)，重構(gòu)射頻信號輸入到不同的接收機。測向接收機可以做比幅測向、干涉儀測向、空域上的波束合成測向、時差測向等，取決于前端天線陣列的實時動態(tài)重構(gòu)。通過可視化界面規(guī)劃不同的偵察系統(tǒng)任務模式，形成可配置文件，實現(xiàn)邏輯系統(tǒng)任務模式和真實物理系統(tǒng)的映射，可以根據(jù)系統(tǒng)需求，實時動態(tài)重構(gòu)電子偵察系統(tǒng)的功能架構(gòu)。

圖5 電子偵察系統(tǒng)常用功能架構(gòu)Fig.5 Common functional architecture of electronic reconnaissance system

2.4 不同廠家硬件模塊的統(tǒng)一封裝

當前，同樣的功能需求，不同廠家的硬件模塊對外接口眾多，控制方式不一。如圖6所示，接收機有超外差接收機、信道化接收機、壓縮采樣接收機等，不同廠家的校正源也不同，為實現(xiàn)開放式架構(gòu)，屏蔽接口和控制方式的差異，采用基類和派生類的方法，封裝硬件模塊差異的控制，實現(xiàn)對外的統(tǒng)一接口，基類為開放式架構(gòu)統(tǒng)一控制流程和接口，不同的差異化模塊通過派生類封裝以組件的形式嵌入開放式架構(gòu)中。

圖6 不同數(shù)字接收機的接口Fig.6 Interfaces for different digital receivers

圖7 不同廠家校正源的接口Fig.7 Interface for calibration sources from different manufacturers

3 結(jié)語

通過可視化界面編輯真實的物理系統(tǒng)，規(guī)劃邏輯任務系統(tǒng)，形成管控軟件開放式架構(gòu)的藍圖配置文件。

開放式軟件架構(gòu)基于應用功能模塊化設(shè)計，通過對不同廠家硬件模塊的差異化接口封裝，實現(xiàn)統(tǒng)一的對外接口，通過藍圖配置文件實現(xiàn)系統(tǒng)的個性化硬件資源重構(gòu)、不同任務模式邏輯系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的映射。

基于可視化界面的雷達數(shù)字接收機軟件開放式架構(gòu)可實現(xiàn)邏輯和物理上的解耦和隔離，面對個性化的設(shè)備功能需求，可快速重構(gòu)、快速迭代，使得新技術(shù)的集成整合更容易、更快。

軟件開放式架構(gòu)，離不開軟件架構(gòu)標準化工作開展。同樣功能的需求下，不同廠家的硬件模塊對外接口和控制方式的標準化，任務系統(tǒng)軟件對外接口的標準化，不用軟件運行載體的接口標準化，都可以推動軟件開放式架構(gòu)的發(fā)展。