徐志躍，王玉龍，劉亞斌

（北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191）

隨著我國紅外制導(dǎo)武器的快速發(fā)展，制導(dǎo)武器對目標(biāo)的識別、穩(wěn)定跟蹤、高精度的打擊等性能要求變得越來越高，除了對紅外武器最初設(shè)計和研制階段進(jìn)行嚴(yán)格控制外，后期的性能測試也是保證制導(dǎo)武器各項指標(biāo)的必要步驟[1]。

半實物仿真測試方式為武器性能測試的主要方法[2]。紅外導(dǎo)引頭半實物仿真測試系統(tǒng)主要由紅外目標(biāo)模擬器、總控計算機(jī)、三軸轉(zhuǎn)臺控制計算機(jī)等組成[3]?？偪赜嬎銠C(jī)是整個測試系統(tǒng)的核心，用來運行仿真測試軟件，并通過測試網(wǎng)絡(luò)收集和處理試驗數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個設(shè)備穩(wěn)定工作。為了盡可能的提高各個設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，避免傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信可能存在的不可預(yù)測特性，提高導(dǎo)引頭測試環(huán)境的逼真度，使用合適的實時網(wǎng)絡(luò)技術(shù)顯得尤其重要。

反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)是一種以光纖作為主要通信電纜的高速性、實時性、確定性實時網(wǎng)絡(luò)。反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)在紅外導(dǎo)引頭測試系統(tǒng)中的運用，可以很好的滿足測試系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸高效率、傳輸時間可預(yù)測、數(shù)據(jù)強(qiáng)糾錯能力等方向的要求。文中針對反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的特點，提出了一種高效，穩(wěn)定和強(qiáng)實時性的紅外導(dǎo)引頭測試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案。

1 反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的基本概念

1.1 反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的通信原理

反射內(nèi)存網(wǎng)（Reflective Memory Network）是一種高速的、強(qiáng)實時性、傳輸確定性和可預(yù)測性的實時網(wǎng)絡(luò)[4]。相比于以太網(wǎng)等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)有著不占用或較少占用主機(jī)CPU時間、極強(qiáng)的可拓?fù)湫浴⒁子谑褂?、維護(hù)方便、高速的數(shù)據(jù)傳輸、可靠的數(shù)據(jù)糾錯能力、支持中斷傳輸?shù)忍攸c。反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)主要由各個節(jié)點計算機(jī)內(nèi)部的反射內(nèi)存卡和通信光纖組成，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)還有反射內(nèi)存集線器（Hub）。

反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)中的每張反射內(nèi)存卡的存儲器中都有著其他節(jié)點的共享數(shù)據(jù)拷貝。網(wǎng)絡(luò)中每個反射內(nèi)存卡中都占有一段內(nèi)存地址，當(dāng)單個節(jié)點計算機(jī)向本地反射內(nèi)存卡中的特定地址內(nèi)寫數(shù)據(jù)的同時，反射內(nèi)存卡會將該數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)存放的地址以廣播的方式發(fā)送到其它反射內(nèi)存卡，其他板卡接收到廣播后，會自動更新本地存儲器中相應(yīng)地址中的數(shù)據(jù)，在極短的時間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中所有反射內(nèi)存卡存儲器中會有相同的數(shù)據(jù)。

反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)主要有兩種連接方式，一種為常見的環(huán)型連接（圖 1），另一種是星型連接（圖 2）。

圖1 反射內(nèi)存網(wǎng)環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Reflective memory network topology structure diagram

圖2 反射內(nèi)存網(wǎng)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Reflective memory network star topology

環(huán)型連接的主要特點是使用光纖把網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點串連形成一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)。環(huán)型連接的優(yōu)點是不需要額外的Hub、光纖的總使用量少、成本較低；缺點是每個節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸都有延時，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的任意一個節(jié)點計算機(jī)損壞或出現(xiàn)故障，都會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。

星型網(wǎng)絡(luò)連接的主要特點是網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都通過一對光纖連接到Hub機(jī)箱。星型連接的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)中的一個或多個節(jié)點發(fā)生故障時，不會影響整個反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)通信，并且數(shù)據(jù)傳輸遲延相對較??；缺點是若Hub發(fā)生故障，則整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，且連接方式復(fù)雜、光纖使用量大、增加節(jié)點可能會增加多個Hub。星型連接雖然將所有的節(jié)點都通過一對光纖連接到Hub上，在物理上看似為星型，但其本質(zhì)上仍為環(huán)型連接。

1.2 反射內(nèi)存網(wǎng)的性質(zhì)特點

反射內(nèi)存網(wǎng)不僅具有數(shù)據(jù)傳輸高速性、確定性、可靠性以及中斷傳輸?shù)忍攸c，而且還有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間通信不涉及到復(fù)雜的通信協(xié)議、傳輸遲延短、實時性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)搭建方法簡單快捷和后期維護(hù)方便等優(yōu)點[5]。

1）反射內(nèi)存網(wǎng)通信時間的可確定性

以太網(wǎng)的傳輸機(jī)制決定了它很難做到傳輸遲延時間的可確定性，F(xiàn)DDI網(wǎng)絡(luò)雖然也有反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)存在的傳輸確定性，但是FDDI網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸過程中不存在中斷傳輸，很少運用在強(qiáng)實時性的系統(tǒng)環(huán)境。

2）跨平臺支持

反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)允許各個節(jié)點使用不同種類的反射內(nèi)存卡，并且各節(jié)點使用何種操作系統(tǒng)對反射內(nèi)存進(jìn)行操作都不會影響網(wǎng)絡(luò)正常通信。

3）高效的容錯機(jī)制

反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) （星型拓?fù)浔举|(zhì)上也是環(huán)型），能夠可靠的對通信過程中出現(xiàn)的傳輸錯誤進(jìn)行差錯檢測和錯誤修正。在環(huán)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，系統(tǒng)中任意一個節(jié)點都會將發(fā)出的原消息和經(jīng)環(huán)狀傳輸后返回的消息進(jìn)行逐一比較，出現(xiàn)任何的不同都會使原消息被重新傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。

2 基于反射內(nèi)存網(wǎng)的紅外導(dǎo)引頭測試系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 測試系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計方案

系統(tǒng)主要由7臺PXI總線的計算機(jī)、1個紅外目標(biāo)模擬器、1個三軸轉(zhuǎn)臺、一個星型連接Hub組成。7臺PXI計算機(jī)組成反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的7個節(jié)點，每臺計算機(jī)都安裝一塊VMICPXI-5565反射內(nèi)存卡。各個節(jié)點計算機(jī)的主要功能分別是：

1）總控計算機(jī)：用來控制、監(jiān)視和協(xié)調(diào)整個測試系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對整個導(dǎo)引頭測試系統(tǒng)的任務(wù)進(jìn)行總體調(diào)度、控制和管理；總控制臺通過光纖網(wǎng)絡(luò)向各子節(jié)點發(fā)出指令，并且根據(jù)測試的具體要求從各子節(jié)點獲取最新的處理信息，對各個子節(jié)點進(jìn)行控制和管理。

2）評估監(jiān)測計算機(jī)：用來對紅外導(dǎo)引頭的各項采集數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和計算，并將計算結(jié)果與對應(yīng)性能指標(biāo)進(jìn)行對比，得出評估結(jié)果；

3）目標(biāo)監(jiān)測計算機(jī)：負(fù)責(zé)顯示和監(jiān)測目標(biāo)模擬器的目標(biāo)源信息和干擾源信息；

4）轉(zhuǎn)臺監(jiān)測計算機(jī)：負(fù)責(zé)顯示和設(shè)置相關(guān)參數(shù)，并監(jiān)測轉(zhuǎn)臺的運動方式、位置、速度和報警等信息；

5）環(huán)境監(jiān)測計算機(jī)：監(jiān)視當(dāng)前測試環(huán)境的溫度、濕度、潔凈度和煙霧等；

6）圖像采集計算機(jī)：用來對紅外導(dǎo)引頭進(jìn)行紅外圖像采集、壓縮、存儲、回放等圖像數(shù)據(jù)處理；

7）數(shù)據(jù)采集計算機(jī)：對其它RS422等測試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、壓縮、存儲、回放等處理。

整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 紅外導(dǎo)引頭通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Infrared seeker communication network structure diagram

2.2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

軟件設(shè)計的核心部分是對VMIC5565反射內(nèi)存卡128M的地址空間進(jìn)行分配和基于反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)和命令的發(fā)送與接收、數(shù)據(jù)實時顯示、各種狀態(tài)監(jiān)控等[6]。

1）反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計

針對反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)種類的3種形式：命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)。將整個內(nèi)存共享區(qū)劃分為4個獨立的區(qū)域：數(shù)據(jù)區(qū)、圖像區(qū)、命令區(qū)和狀態(tài)區(qū)。每個區(qū)域里的數(shù)據(jù)形式相對單一，管理起來更加容易，并由中斷號來管理這些分區(qū)，中斷號與分區(qū)一一對應(yīng)，如表1所示。

表1 中斷號分配Tab.1 Interrupt number distribution

對紅外導(dǎo)引頭測試系統(tǒng)的7個節(jié)點計算分配如表2所示的節(jié)點號，并將VMIC5565反射內(nèi)存卡中的128M存儲空間按表3分配給每個節(jié)點。

表2 系統(tǒng)節(jié)點分配Tab.2 Node distribution system

表3 共享儲存區(qū)的內(nèi)存地址分配Tab.3 Shared memory address allocation of storage areas

2）節(jié)點計算機(jī)軟件通信流程

紅外導(dǎo)引頭測試通信系統(tǒng)中的每個節(jié)點計算機(jī)對本地VMIC卡的操作流程框圖如圖4所示。

各節(jié)點計算機(jī)首先會創(chuàng)建一個VMIC反射內(nèi)存卡的實例，并在初始化設(shè)置后，使能各個中斷。若此節(jié)點計算機(jī)有數(shù)據(jù)需要下發(fā)到其它節(jié)點，會先判斷此數(shù)據(jù)是命令，圖像，還是狀態(tài)之后，更新本地反射內(nèi)存卡對應(yīng)地址中的內(nèi)存，再發(fā)送對應(yīng)中斷至其它節(jié)點計算機(jī)，若接收到目標(biāo)節(jié)點回傳的中斷，并判斷標(biāo)志位確定為“0”后，則本次數(shù)據(jù)通信結(jié)束，等待下一次發(fā)送循環(huán)。本地計算機(jī)同時運行接收數(shù)據(jù)線程，用來等待其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)更新中斷，在收到中斷并更新對應(yīng)地址內(nèi)的數(shù)據(jù)后設(shè)置對應(yīng)參數(shù)為“0”。

3 測試系統(tǒng)性能測試

由于紅外導(dǎo)引頭測試系統(tǒng)在星型連接方式下，各個節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸具有發(fā)送開始時間不確定和發(fā)送數(shù)據(jù)塊大小不確定。本測試系統(tǒng)中，為了使系統(tǒng)在更嚴(yán)格的測試環(huán)境下得到最可靠的測試結(jié)果，這里采用通過主節(jié)點在不確定的時間內(nèi)向其他子節(jié)點發(fā)送隨機(jī)大小的數(shù)據(jù)塊，并主要記錄大小為 16 Byte、64 Byte、1 024 Byte、1 MB 的種常用的塊大小進(jìn)行測試速率計算。由于節(jié)點計算機(jī)讀反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)地址數(shù)據(jù)主要是讀自身反射內(nèi)存卡存儲器中對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，讀取速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)送速率[7]。因此本系統(tǒng)主要測試發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，即通過總控計算機(jī)向其它子計算機(jī)發(fā)送命令、狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)大小和發(fā)送到回傳所經(jīng)過的時間，通過多次測試并計算得出數(shù)據(jù)傳輸速率如表4。

圖4 節(jié)點計算機(jī)程序流程Fig.4 Node computer program flow

表4 星型結(jié)構(gòu)下單點發(fā)多點收的傳輸速率測試結(jié)果Tab.4 Transmission rate?test results under star structure

測試結(jié)果表明：對系統(tǒng)通信速率，遲延，誤碼率等各項指標(biāo)測試，可以驗證基于反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的紅外導(dǎo)引頭測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)有著實時性好、數(shù)據(jù)傳輸可靠、傳輸速度快等特點，可以很好的滿足紅外測試系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡(luò)的多種要求。

4 結(jié) 論

根據(jù)紅外導(dǎo)引頭測試系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡(luò)有著強(qiáng)時實性、可靠性、數(shù)據(jù)傳輸可預(yù)測性、高速性等要求，提出了基于反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)組建紅外導(dǎo)引頭測試系統(tǒng)的方案，并設(shè)計了測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件實現(xiàn)方法。通過實驗驗證了反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)有著實時性好、數(shù)據(jù)傳輸速度高、極強(qiáng)的容錯機(jī)制的特點。證明反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)是紅外導(dǎo)引頭測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的理想技術(shù)，對我國航空武器的生產(chǎn)和發(fā)展都有著十分重要的意義。

[1]林曉煥，唐長春，柳文安.基于反射內(nèi)存的實時網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計[J].西安工程大學(xué)學(xué)報，2010，24（1）:60-65.LIN Xiao-huan，TANG Chang-chun，LIU Wen-an.Real-time the real-time network system design based on the reflection memory[J].Journal of Xi’an Polytechnic University，2010，24（1）:60-65.

[2]馮旭哲，羅飛路，陳建云，等.基于反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的實時測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)測量與控制，2007，15（11）:1447-1448.FENG Xu-zhe，LUO Fei-lu，CHEN Jian-yun，et al.Design and realization of real-time test system based on reflective memory network[J].Computer Measurement&Control，2007，15（11）:1447-1448.

[3]鄭小寶，王仕成，張金生.基于反射內(nèi)存網(wǎng)的紅外圖像實時生成系統(tǒng)[J].計算機(jī)應(yīng)用，2008，28（z2）:344-346，359.ZHENG Xiao-bao，WANG Shi-cheng，ZHANG Jin-sheng.Real-time infrared image generation system based on reflective memory network[J].Computer Application，2008，28（z2）:344-346，359.

[4]肖衛(wèi)國，爾聯(lián)潔，謝廷毅，等.基于共享內(nèi)存機(jī)制微機(jī)實時網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸實時性研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2004，16（8）:1717-1720.XIAOWei-guo，ERLian-jie，XIETing-yi，etal.Research on data communication real-time based on shared-memory mechanism micro-computer real-timenetwork[J].Journal of System Simulation，2004，16（8）:1717-1720.

[5]徐琦，方澄.基于反射內(nèi)存網(wǎng)的多飛行模擬器時間同步[J].火力與指揮控制，2009，34（11）:164-167.XU Qi，F(xiàn)ANG Cheng.Realization of clock synchronization in multi-simulator based on shared-memory network[J].Fire Control&Command Control，2009，34（11）:164-167.

[6]肖龍，于守謙.VMIC網(wǎng)絡(luò)在紅外導(dǎo)引頭監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算機(jī)測量與控制，2010，18（3）:608-610.XIAO Long，YU Shou-qian.Research on VMICnetwork and application in a monitored control systemof infrared seeker[J].Computer Measurement&Control，2010，18（3）:608-610.

[7]王仕成，曲劍，劉志國，等.實時通訊網(wǎng)絡(luò)的實時性能測試與分析[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2011，7（1）:16-19.WANG Shi-cheng，QU Jian，LIU Zhi-guo，et al.Real-time communications network based on performance tests and analyses of real-time[J].System Simulation Technology，2011，7（1）:16-19.