祁 春，毛小玲，房 瑾

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安 710089）

飛行試驗(yàn)是航空技術(shù)發(fā)展與航空武器裝備研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，近年來(lái)隨著新型飛機(jī)的不斷涌現(xiàn)，特別是多機(jī)編隊(duì)協(xié)同試飛科目的增多，給地面實(shí)時(shí)監(jiān)控的遙測(cè)資源帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了解決這一突出矛盾，在多機(jī)編隊(duì)協(xié)同試飛科目中利用雷情數(shù)據(jù)是節(jié)約寶貴的遙測(cè)資源和提高整體試飛效率的一種有效途徑。針對(duì)雷情數(shù)據(jù)采用RS232串口通信的特點(diǎn)，本文介紹了基于MSCOMM控件實(shí)現(xiàn)雷情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收與處理的方法。同時(shí)，作為面向?qū)ο蟮目梢暬_發(fā)工具Visual C++，在PC的串口通信方面具有很強(qiáng)的功能，且代碼執(zhí)行效率高[1]，是本軟件開發(fā)的首選開發(fā)平臺(tái)。同時(shí)，在數(shù)值分析等復(fù)雜計(jì)算方面實(shí)現(xiàn)了VC與Matlab的混合編程，有效提高了軟件開發(fā)效率并保證了雷情數(shù)據(jù)擬合與插值計(jì)算的正確性。目前該軟件已成功應(yīng)用于多機(jī)編隊(duì)協(xié)同試飛科目的實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)，緩解了對(duì)遙測(cè)資源的需求壓力。

1 功能組成與通信實(shí)現(xiàn)方式

1.1 功能組成

在多機(jī)編隊(duì)協(xié)同試飛科目中，雷情實(shí)時(shí)處理軟件根據(jù)通信協(xié)議負(fù)責(zé)對(duì)導(dǎo)航雷達(dá)綜合處理系統(tǒng)發(fā)送的雷情數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)解析、誤碼剔除、目標(biāo)篩選和參數(shù)計(jì)算等工作，并將結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)局域網(wǎng)分發(fā)至各監(jiān)控客戶機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。所以，從功能上軟件主要由配置、串口通信、實(shí)時(shí)處理、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送等模塊組成，如圖1所示。其中，串口通信和實(shí)時(shí)處理模塊是整個(gè)軟件的核心部分，也是本文討論的重點(diǎn)。

圖1 雷情實(shí)時(shí)處理軟件功能組成Fig.1 Functional components of the software

1.2 通信實(shí)現(xiàn)方式

目前在Windows系統(tǒng)平臺(tái)下開發(fā)串口通信應(yīng)用程序主要有兩種方式：1）利用 Windows的 API函數(shù)；2）利用MSComm控件[2-3]。前者可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)軟件進(jìn)行功能裁剪，使用靈活，但代碼實(shí)現(xiàn)較繁瑣；后者是Microsoft公司為簡(jiǎn)化串口通信編程的復(fù)雜度而設(shè)計(jì)開發(fā)的ActiveX控件[4]，具有事件驅(qū)動(dòng)和查詢兩種工作模式[5]，利用自身提供的屬性和方法可快速實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的串口通信。因此，為了簡(jiǎn)化雷情實(shí)時(shí)處理軟件編程的復(fù)雜度，且針對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)要求和數(shù)據(jù)信息有效長(zhǎng)度變化的特點(diǎn)，采用MSComm控件及事件驅(qū)動(dòng)模式更能有效保證通信數(shù)據(jù)的完整性和實(shí)時(shí)性，其應(yīng)用設(shè)置及關(guān)鍵代碼如圖2所示。

圖2 MSComm的應(yīng)用設(shè)置Fig.2 Apply setting of the MSComm

首先利用GetPortOpen函數(shù)對(duì)串口資源使用情況進(jìn)行檢測(cè)，使端口資源處于釋放狀態(tài)。然后用SetInBufferSize函數(shù)設(shè)置接收緩存的大?。ㄒ宰止?jié)為單位），該大小應(yīng)大于實(shí)際通信中最大一幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，以防止數(shù)據(jù)溢出。由于雷情數(shù)據(jù)中含有不可見字符，所以數(shù)據(jù)檢取應(yīng)采用二進(jìn)制方式，即SetInputMode（1）。協(xié)議格式的設(shè)定可通過(guò)SetSettings函數(shù)設(shè)置，如圖 2 中的字符串“115200，N，8，1”，其參數(shù)字段分別代表波特率、奇偶效驗(yàn)方式、數(shù)據(jù)位和停止位。針對(duì)雷情數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，SetRThreshold（1）表示當(dāng)接收緩存區(qū)有1個(gè)及以上字符時(shí)將觸發(fā)接收事件，以提高數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。最后，用SetPortOpen（TRUE）函數(shù)打開端口，完成串口的設(shè)置。值得注意的是，在通信之前常常需要調(diào)用SetInputLen（0）函數(shù)，它將引起MSComm讀取整個(gè)接收緩存區(qū)，以清空緩存中初始的隨機(jī)內(nèi)容。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)接收與處理技術(shù)

雷情數(shù)據(jù)包含了特定空域內(nèi)所有飛機(jī)的信息，具有信息長(zhǎng)度不固定和存在較多無(wú)效信息內(nèi)容的特點(diǎn)，為了準(zhǔn)確獲取指定目標(biāo)飛機(jī)的信息，需要完成目標(biāo)挑選、信息有效性判斷和可變數(shù)據(jù)信息的接收與處理。在MSComm事件觸發(fā)函數(shù)中可利用函數(shù)GetInput獲取緩存數(shù)據(jù)，其返回值的類型為VARIANT，它是一種特殊的數(shù)據(jù)類型，直接操作較為繁瑣。為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)獲取，設(shè)計(jì)中利用GetInput的VARIANT類型返回值構(gòu)造一個(gè)COleSafeArray類對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的。COleSafeArray類是用來(lái)處理任意類型和維數(shù)的數(shù)組的類，是從OLE VARIANT結(jié)構(gòu)派生而來(lái)的，利用其成員函數(shù)GetOneDimSize即可獲得本次緩存區(qū)字符個(gè)數(shù)，然后利用GetElement將數(shù)據(jù)格式化到定義好的字節(jié)數(shù)組中以待進(jìn)一步處理。因此，靈活轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)類型可使數(shù)據(jù)接收簡(jiǎn)單化。

雷情數(shù)據(jù)通信格式如圖3所示，每一幀的開始均采用了雙同步設(shè)置。由于在通信過(guò)程中每次從緩存中讀取的數(shù)據(jù)并不是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀，因此在處理上并不能直接對(duì)數(shù)據(jù)緩存進(jìn)行操作，而是需要對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，直至找到完整的數(shù)據(jù)幀。本軟件在處理上采用了雙指針法，其處理過(guò)程如圖3所示。

圖3 雷情數(shù)據(jù)幀處理方法Fig.3 The processing method of data frames

1）當(dāng)檢取接收緩存區(qū)數(shù)據(jù)時(shí)，指針Ptr1根據(jù)函數(shù)GetOne DimSize獲取的字節(jié)數(shù)，對(duì)接收緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)逐字節(jié)進(jìn)行分析，并存入處理緩存中，當(dāng)找到SynWord1并且下一字節(jié)是SynWord2時(shí)，記錄Ptr1在處理緩存中的位置Pos1，代表數(shù)據(jù)幀起始位置；

2）利用指針Ptr2尋找下一幀的 SynWord1，如果本次沒有找到，則將下次到來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，利用指針Ptr2繼續(xù)尋找，當(dāng)找到下一幀的SynWord1時(shí)記錄位置Pos2，則完整的數(shù)據(jù)幀即為[Pos1，Pos2-1]區(qū)段上的數(shù)據(jù)。

3）為了提高數(shù)據(jù)處理效率，如果完整幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（Pos2-Pos1）小于最小有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度則進(jìn)行拋棄處理，否則對(duì)飛機(jī)代碼進(jìn)行判別，如果是需求的目標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)，則對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行分析處理。

4）為了防止處理緩存溢出，在尋找一下完整數(shù)據(jù)幀前，從標(biāo)記Pos2位置的字節(jié)開始，將剩余字節(jié)數(shù)據(jù)從處理緩存首地址開始存放，并使指針Ptr1從首地址開始尋找SynWord1，如果下一字節(jié)為SynWord2，記錄Ptr1位置Pos1；

5）重復(fù) 2）、3）、4），如此循環(huán)處理。

2.2 多線程及線程消息

多線程技術(shù)的應(yīng)用使得軟件在實(shí)現(xiàn)雷情數(shù)據(jù)幀的接收、分析與處理的同時(shí)，可以顯著提高軟件的運(yùn)行性能，避免界面操作出現(xiàn)假死現(xiàn)象。在實(shí)現(xiàn)上，將雷情數(shù)據(jù)的接收和雷情數(shù)據(jù)的分析處理分別置于不同的線程當(dāng)中，由主線程MSComm事件觸發(fā)函數(shù)實(shí)現(xiàn)接收緩存區(qū)中數(shù)據(jù)的讀取，在子線程中完成分析與處理工作。雷情數(shù)據(jù)多線程處理方法如圖4所示。

圖4 雷情數(shù)據(jù)多線程處理方法Fig.4 The processing method of multithreading

為了防止各線程同時(shí)對(duì)共有緩存區(qū)進(jìn)行讀寫操作而出現(xiàn)不可預(yù)知的結(jié)果，利用多線程同步技術(shù)對(duì)共有緩存區(qū)進(jìn)行保護(hù)，使得在同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程對(duì)共有緩存區(qū)進(jìn)行讀取或者寫入操作，確保數(shù)據(jù)正確解析。常用的線程同步技術(shù)主要有互斥對(duì)象、事件對(duì)象和關(guān)鍵代碼段等。但是，互斥對(duì)象和事件對(duì)象都屬于內(nèi)核對(duì)象，利用內(nèi)核對(duì)象進(jìn)行線程同步速度較慢，而關(guān)鍵代碼段工作在用戶方式下，同步速度較快且使用較為簡(jiǎn)單[6]，所以，利用關(guān)鍵代碼段能更好地滿足雷情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理要求。在接收線程和處理線程中分別在共有緩存區(qū)前調(diào)用EnterCriticalSection函數(shù)，在訪問(wèn)完緩存數(shù)據(jù)后，調(diào)用LeaveCriticalSection函數(shù)。需要注意關(guān)鍵代碼段這兩個(gè)函數(shù)必須是成對(duì)出現(xiàn)的，否則另一線程會(huì)因無(wú)法獲取所有權(quán)而無(wú)法執(zhí)行。

Windows通信基于消息機(jī)制的[7]，采用線程的消息隊(duì)列可解決數(shù)據(jù)接收線程和數(shù)據(jù)處理線程間通信及協(xié)同運(yùn)行問(wèn)題。線程消息，即數(shù)據(jù)接收線程收到雷情數(shù)據(jù)后，利用PostThreadMessage函數(shù)向數(shù)據(jù)處理線程發(fā)送特定的消息，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)PARAM類型傳遞出去。PostThreadMessage函數(shù)會(huì)立即返回，而不用等待投遞的消息被處理完。防止消息得不到及時(shí)處理導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收線程無(wú)法執(zhí)行而丟失數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理線程利用GetMessage函數(shù)循環(huán)查詢指定消息，當(dāng)收到PostThreadMessage函數(shù)發(fā)送的消息后，從MSG消息結(jié)構(gòu)中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.3 VC與Matlab混合編程

目標(biāo)機(jī)雷情數(shù)據(jù)更新率是1pps，為了滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控至少4pps數(shù)據(jù)更新率的要求，本設(shè)計(jì)采用VC6.0與Matlab混合編程實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)擬合與插值計(jì)算。利用Matlab編譯工具將調(diào)有Matlab polyfit函數(shù)的M文件轉(zhuǎn)為C動(dòng)態(tài)庫(kù)文件供VC使用，以利用Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析計(jì)算能力，減輕VC在復(fù)雜數(shù)值計(jì)算方面的編程負(fù)擔(dān)，確保處理的正確性，且這種方式可以實(shí)現(xiàn)脫離Matlab運(yùn)行環(huán)境。

由生成的頭文件可知，VC與動(dòng)態(tài)庫(kù)函數(shù)的數(shù)據(jù)交互是通過(guò)mxArray來(lái)實(shí)現(xiàn)的，mxArray是一種復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)于Matlab的Array類型。所以VC與Matlab混合編程的重點(diǎn)在于參數(shù)的傳遞與交互上，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵代碼如下：

//定義代表X/Y坐標(biāo)軸的mxArray類型變量用于參數(shù)傳遞

mxArray PointX， PointY ，mRes；

double*m_result；

//創(chuàng)建 PointNum*1的雙精度double類型數(shù)組，mxREAL代表元素為實(shí)數(shù)

PointX=mxCreateDoubleMatrix（PointNum，1，mxREAL）；

PointY=mxCreateDoubleMatrix（PointNum，1，mxREAL）；

mRes=mxCreateDoubleMatrix（PointNum-1，1，mxREAL）；

//將接收到雷情數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在mxArray類型數(shù)組

memcpy （mxGetPr （PointX），XData， PointNum*sizeof（double））；

memcpy （mxGetPr （PointY），YData， PointNum*sizeof（double））；

//注意：動(dòng)態(tài)庫(kù)中的函數(shù)名稱加有ml前綴，形參和M函數(shù)文件定義不一樣，增加了輸出變量數(shù)和函數(shù)值的指針返回形式

mlMyNiHe（1，&mRes， PointX， PointY，3）；

//獲取處理結(jié)果，使用C指針指向mxArray結(jié)果數(shù)組

m_result=mxGetPr（mRes）；

…

//開辟的mxArray類型數(shù)組空間的銷毀，釋放資源

mxDestroyArray（PointX）；

mxDestroyArray（PointY）；

mxDestroyArray（mRes）；

3 結(jié)束語(yǔ)

雷情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件能夠同時(shí)接收和分析處理多架目標(biāo)機(jī)的雷情數(shù)據(jù)，并將結(jié)果數(shù)據(jù)組播至各個(gè)監(jiān)控席位驅(qū)動(dòng)畫面的運(yùn)行。該軟件的成功研制有效緩解了現(xiàn)今緊張的遙測(cè)資源，特別是在多機(jī)編隊(duì)試飛任務(wù)中，雷情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件提供的目標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)信息完全滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控要求，是解決資源緊缺問(wèn)題的一種有效實(shí)現(xiàn)途徑，已經(jīng)成功應(yīng)用于多機(jī)編隊(duì)試飛任務(wù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)中。

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，并利用微軟MSComm控件快速實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的串口通信，采用多線程設(shè)計(jì)并靈活運(yùn)用線程消息機(jī)制提高了數(shù)據(jù)處理效率和軟件運(yùn)行性能；在數(shù)據(jù)的接收上，利用雙指針法實(shí)現(xiàn)了幀識(shí)別和拼接處理；同時(shí)，為了滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)數(shù)據(jù)更新率的要求，采用VC和Matlab混合編程實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)擬合和插值運(yùn)算，將數(shù)值分析計(jì)算任務(wù)交由Matlab工具函數(shù)完成，彌補(bǔ)了VC在復(fù)雜運(yùn)算方面的不足，減輕了編程負(fù)擔(dān)和提高了軟件研制效率。

[1]王正強(qiáng).VC中應(yīng)用MSComm控件實(shí)現(xiàn)串口通信[J].電子測(cè)試，2010（5）:73-76.WANG Zheng-qiang，Realization serial-communication applied MSComm in VC[J].Electronic Testing，2010（5）:73-76.

[2]李現(xiàn)勇.Visual C++串口通信技術(shù)與工程實(shí)踐[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[3]高遠(yuǎn).通過(guò)MSComm控件實(shí)現(xiàn)串口的設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸[J].鐵道通信信號(hào)，2009（1）:56-57.GAOYuan.Realization devices serial-communication applied MSComm[J].Railway Communication Signal，2009（1）:56-57.

[4]田添.利用控件MSComm實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的串口通信[J].數(shù)字通信，2012（2）:95-97.TIAN Tian.Realization computer serial-communication applied MSComm[J].Digital communication，2012（2）:95-97.

[5]邱育橋.基于MSCOMM的PC機(jī)與單片機(jī)串行通訊程序設(shè)計(jì)[J].科技信息，2009（15）:446-458.QIU Yu-qiao.Design of serial-communication between PC and SCM based on MSCOMM[J].Scientific and Technical Information，2009（15）:446-458.

[6]孫鑫，余安萍.VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[7]宋坤，劉銳寧，李偉明.Visual C++開發(fā)技術(shù)大全[M].北京:人民郵電出版社，2007.