李樹業(yè),賀庚賢,李俊霖,葛欣宏,孫　武,2

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,長春　130033;2.中國科學院大學,北京　100049)

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星務1553B總線仿真板卡指令執(zhí)行的高實時性設計

李樹業(yè)1,2,賀庚賢1,李俊霖1,葛欣宏1,孫武1,2

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,長春130033;2.中國科學院大學,北京100049)

為實現(xiàn)對某新型衛(wèi)星總體1553B總線新的“1秒20幀，1幀50條消息”的“幀消息模式”的仿真，研究并實現(xiàn)了一種在滿足“幀消息模式”的基礎上，使1553B總線仿真板卡的指令執(zhí)行時間延遲小于1 ms的新方法;在分析原星務仿真系統(tǒng)實現(xiàn)機制的基礎上，改進軟件的整體設計，并在VxWorks下位機中設計了高精度時間獲取模塊與板卡控制模塊等，實現(xiàn)了高精度、短消息傳輸執(zhí)行時間的星務1553B總線仿真系統(tǒng);結(jié)果表明：該系統(tǒng)不僅滿足對“幀消息模式”的仿真，且將1553B板卡指令執(zhí)行最大延遲時間縮短為0.713 ms，相對于原星務仿真系統(tǒng)中4.5 ms的最大延遲，指令執(zhí)行精度提高了6.5倍以上，為被測設備的故障排查、問題定位提供準確的時間數(shù)據(jù)支持。

星務仿真；1553B；實時性；幀消息模式；VxWorks

0　引言

MIL-STD-1553B是在1978年提出的一種串行數(shù)據(jù)傳輸總線標準，具有分布式處理、集中式控制和實時性響應的特點。1553B 總線采用雙冗余的通道，能夠提高整個系統(tǒng)的可靠性。由于1553B總線具有可靠性高、實時性好、使用靈活等優(yōu)點，廣泛應用于飛機、衛(wèi)星, 甚至國際空間站等航空航天領域。

隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，某新型衛(wèi)星總體使用了“1秒20幀，1幀50條消息”的1553B“幀消息模式”，在該“幀消息模式”下，1秒內(nèi)1553B總線仿真板卡(后文中簡稱為“1553B板卡”)理論上最多可執(zhí)行1000條指令，指令執(zhí)行時間為整ms時間點。由于文獻1中的星務系統(tǒng)1553B板卡1秒內(nèi)只執(zhí)行一條指令，指令執(zhí)行時間為整秒時間點，指令執(zhí)行的最大延遲時間為4.5 ms，不能滿足新型衛(wèi)星的仿真測試需求。

文獻1中對星務仿真系統(tǒng)硬件架構(gòu)及時間同步設計的硬件實現(xiàn)進行了描述。星務仿真系統(tǒng)由上位機管理子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、下位機數(shù)據(jù)收發(fā)子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)間使用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)在硬件設計上使用GPS秒脈沖授時板卡作為時鐘源，實現(xiàn)上位機系統(tǒng)與下位機系統(tǒng)、被測設備與仿真測試系統(tǒng)、下位機系統(tǒng)板卡間的時間同步[2]。為了滿足1553B“幀消息模式”的仿真測試需求，需要在原星務仿真系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及Windows+VxWorks框架的基礎上，設計滿足“幀消息模式”，且保證1553B總線仿真板卡執(zhí)行指令延遲的時間小于1 ms的1553B總線仿真軟件。進而保證全測試過程在時間上嚴格受控，為系統(tǒng)故障的排查、問題的定位提供更嚴格的時間數(shù)據(jù)支持[3]。

1　1553B“幀消息模式”

圖2　系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)圖

在原有的某型號衛(wèi)星總體的需求中，1553消息傳輸都是在整秒時間點完成的，且每秒只傳輸1條1553B消息(Message)。因此，原系統(tǒng)是根據(jù)“整秒單指令”的模式設計的，即每一整秒時間里1553B板卡只執(zhí)行一條1553B指令，發(fā)送一條1553B消息。在原上位機管理軟件設計中，設計了“秒中斷效應模塊”，該模塊實現(xiàn)對GPS秒脈沖每1 s的中斷響應，實現(xiàn)上位機系統(tǒng)與GPS秒脈沖授時卡的時間同步。上位機軟件中的“測試用例配置讀取模塊”實現(xiàn)對測試用例的各信息讀取功能，測試用例的信息包括各指令的名稱、執(zhí)行時間等信息。當管理軟件發(fā)現(xiàn)當前時間與用例中最近一條指令執(zhí)行時間相同時，則將該指令下發(fā)至下位機的緩沖區(qū)；下位機中的控制程序一旦檢測到緩沖區(qū)中有1553B指令信息，經(jīng)過解析后，立刻驅(qū)動1553B板卡進行相應動作。

某新型號衛(wèi)星總體使用了新的1553B“1秒20幀，1幀50條消息”的“幀消息模式”，本文中將1整秒內(nèi)的1553B板卡需要執(zhí)行的指令的總和稱為一條1553B“整秒批指令”；如圖1所示，一條1553B“整秒批指令”由20幀1553B幀消息(Frame)組成，每幀所占用的時間為50 ms；而一個1553B幀消息(Frame)最多又可包含50條1553B消息(Message)，每條1553B消息最多由32個字(Word)組成，每個字由20個位(bit)組成[4]。即在“幀消息模式”下，1秒內(nèi)要求1553B板卡執(zhí)行多條指令，發(fā)送多條1553B消息(最多可包含1 000條1553B消息(Message))，每條1553B消息發(fā)送時間為整ms量級。顯然，原有基于“整秒單指令”的設計已經(jīng)不能滿足“幀消息模式”的需求。而且原有1553B板卡指令執(zhí)行時間精度為不大于4.5 ms，新的幀消息模式下1553B消息傳輸時間為整ms量級，因此需要將1553B總線消息傳輸執(zhí)行精度控制在1 ms以內(nèi)，進而保證全測試過程在時間上嚴格受控，為被測設備的排故檢查提供精確的數(shù)據(jù)支持。

圖1　1553B整秒批指令格式示意圖

2　1553B板卡指令執(zhí)行的高實時性設計

2.1軟件框架設計

在對原有系統(tǒng)的設計進行深入分析之后，可在保持原有硬件架構(gòu)不變的基礎上，重新設計軟件實現(xiàn)的框架，以滿足“幀消息模式”的需求。

星務仿真系統(tǒng)1553B總線仿真軟件使用層次化、模塊化思想設計實現(xiàn)其具體功能，并綜合考慮了代碼重用、可擴展性等原則[5]。圖2是系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)圖，由圖2可以看出，對應于系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，將軟件分為監(jiān)控軟件、管理軟件、控制軟件。監(jiān)控軟件主要實現(xiàn)系統(tǒng)當前傳輸數(shù)據(jù)的實時顯示、異常報警、歷史數(shù)據(jù)回放等功能，原系統(tǒng)的監(jiān)控軟件部分可在“幀消息模式”下繼續(xù)使用，無需修改。管理軟件和控制軟件的各功能以模塊的方式實現(xiàn)，上位機管理軟件實現(xiàn)1553B“整秒批指令”的編輯、配置、下發(fā)工作，而下位機控制軟件實現(xiàn)對1553B板卡指令執(zhí)行的控制。

2.2軟件的新執(zhí)行機制

為滿足“幀消息模式”的需求，提高1553B板卡指令執(zhí)行的實時性，將系統(tǒng)軟件執(zhí)行的機制設計如下：上位機管理軟件通過響應GPS秒脈沖授時卡1 s一次的中斷，獲取GPS秒脈沖卡的時間信息，實現(xiàn)上位機管理軟件與GPS秒脈沖授時卡時間的同步。在測試用例運行之前，上位機管理軟件預先讀取用戶配置的所有1553B“整秒批指令”的執(zhí)行時間信息，比對當前系統(tǒng)時間。測試用例運行時，上位機管理軟件提前1 s將下1秒要執(zhí)行的1553B“整秒批指令”下發(fā)至下位機中。這樣的設計帶來兩個方面的好處：一方面，將1553B板卡指令執(zhí)行的控制權(quán)轉(zhuǎn)讓給了下位機，且保證了下位機有足夠的時間來解析“整秒批指令”，為下位機軟件的設計奠定了時間基礎；另一方面，一條預執(zhí)行的1553B“整秒批指令”的數(shù)據(jù)量不大，可保證下位機緩存空間足夠，使得下位機有足夠的緩存空間去進行其它工作，進而保證程序運行的高效性和穩(wěn)定性[6]。下位機取出緩沖區(qū)中的“整秒批指令”并根據(jù)設定好的通信協(xié)議進行解析，主要包括整秒批指令中1553B消息的拆解、解析指令的執(zhí)行時間、指令內(nèi)容等。將解析結(jié)果存入自己的緩沖區(qū)中，通過響應GPS秒脈沖守時卡每1 ms產(chǎn)生的中斷以獲取系統(tǒng)高精度時間信息，當執(zhí)行消息時間與當前時間相同時，驅(qū)動板卡完成相應的動作。

3　軟件實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)研究

3.11553B “整秒批指令”編輯和拆解的逐層細化設計

一個測試用例由多條1553B“整秒批指令”組成，1條1553B“整秒批指令”由20幀(Frame)消息組成，每個幀由最多由50條消息(Message)組成，每條消息最多由32個字(word)組成，每個字又由20位(bit)組成。為實現(xiàn)每個幀、每個字、每個位都可定義的通用性設計，管理軟件中“整秒批指令”的編輯和拆解采用自頂向下，逐層細化的方法[7]。具體實現(xiàn)如下：1553B消息編輯模塊實現(xiàn)在1553B協(xié)議框架下，1553B消息格式的編輯、命令字的編輯、數(shù)據(jù)字的編輯、消息字長的編輯等功能；框架編輯模塊實現(xiàn)一秒鐘內(nèi)20幀、每幀50條消息的整體框架的編輯，具體包含每一幀的總消息條數(shù)、有效消息條數(shù)、有效消息所在位置及無效消息等消息內(nèi)容的編輯；1553B消息填充模塊，在整體框架上實現(xiàn)對有效消息所在位置進行1553B消息的填充，生成1553B“整秒批指令”；“整秒批指令”用例編輯模塊實現(xiàn)測試用例的組建功能。各功能模塊所生成的信息均存入數(shù)據(jù)庫中供管理軟件讀取調(diào)用。用例運行模塊將用例中的每條整秒批指令進行拆解分析，并將對應的1553B消息的各項基本信息進行提取、根據(jù)與下位機的通信協(xié)議進行報文的組織，在軟件設定的時刻通過以太網(wǎng)將報文下發(fā)至下位機。

3.2Vxworks多任務程序設計

下位機控制軟件分為多個任務并行運行，為保證1553B板卡指令執(zhí)行的實時性，采用基于優(yōu)先級搶占調(diào)度的算法[8]，首先，高精度時間獲取任務通過響應GPS秒脈沖每1 ms的中斷的方式獲取系統(tǒng)高精度毫秒級時間信息，精簡的中斷處理程序保證系統(tǒng)的實時性；其次，板卡控制任務享有最高的優(yōu)先級以保證1553B板卡執(zhí)行指令的實時性；再次，報文解析任務享有次高的優(yōu)先級可保證對報文的實時解析；最后，對實時性要求不高的數(shù)據(jù)接收任務和數(shù)據(jù)發(fā)送任務享有最低的優(yōu)先級。合理的任務優(yōu)先級設計和中斷程序的精簡保證1553B板卡執(zhí)行指令的高實時性。

3.3 管理軟件中的多線程技術(shù)

多線程技術(shù)的特點是保證多個任務多個線程并行執(zhí)行，縮短作業(yè)的周期時間，保證程序執(zhí)行的高效性[9]。在上位機管理軟件設計中，采用多線程技術(shù)以提高軟件執(zhí)行的速率和實時性。管理軟件中的時間設置及獲取模塊中通過中斷響應的方式獲取系統(tǒng)時間。為此，開辟一個新的線程來獲取系統(tǒng)時間，保證程序運行的實時性；在“測試用例運行模塊”中，為保證用例報文下發(fā)的工作能快速完整，專門開辟一個新的線程完成報文下發(fā)任務。軟件實現(xiàn)時采用MFC封裝線程函數(shù)實現(xiàn)線程的創(chuàng)建及調(diào)用功能。

3.4上位機管理軟件的兼容性設計

為保證星務仿真系統(tǒng)能實現(xiàn)原有的仿真功能，對于“幀消息模式”的需求，采用在原有軟件構(gòu)架的基礎上，添加新工程的方式對系統(tǒng)進行改進。兼容性設計體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，用戶在使用時，如果需要運行新模式下的測試用例，只需點擊界面中的“切換到幀消息模式”按鈕，而對原有功能沒有任何不良影響；其次，在新功能的實現(xiàn)時，大多調(diào)用系統(tǒng)原有的接口函數(shù)，以增強代碼的可重用性；最后，在“幀消息模式”下的接受及處理模塊對數(shù)據(jù)的解析、判讀、處理、轉(zhuǎn)發(fā)、存儲都采用原系統(tǒng)的格式，確保在不升級監(jiān)控軟件前提下，監(jiān)控計算機也能對“幀消息模式”下的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和回放，縮短了軟件的開發(fā)周期[10]。

4　測試結(jié)果及分析

為驗證升級后的星務仿真系統(tǒng)功能，以某型號空間相機控制器為被測對象，構(gòu)建了測試平臺[11]。為實現(xiàn)星務仿真系統(tǒng)的功能全覆蓋測試，在“幀消息模式”下構(gòu)建了10個不同的測試用例，每個測試用例中的1553B整秒批指令均包含重復發(fā)送指令、服務請求指令及響應服務請求指令，均設置了與秒脈沖下降沿的間隔時間等信息。界面顯示的信息中包含了下位機當前時間、指令預計執(zhí)行時間、指令名稱、指令類型、附加信息等信息。1553B接口將收發(fā)的一切數(shù)據(jù)與μs級時間戳打包進行存儲，星務仿真系統(tǒng)監(jiān)控軟件將將這些信息進行回放。

通過對1553B“整秒批指令”中的1553B消息進行拆解，對比監(jiān)控軟件所得執(zhí)行信息，對1553B板卡指令執(zhí)行時間進行分析，將測試用例中各“整秒批指令”中延時最大的指令執(zhí)行時間進行統(tǒng)計，見表1。

表1　消息發(fā)送時間延時統(tǒng)計

從表1 中可以看出，該系統(tǒng)1553B板卡指令執(zhí)行的實際時間相對于用戶設置的理想執(zhí)行時間，最大延時為0.713 ms，較之原星務仿真系統(tǒng)最大4.5 ms的延時[1]，延時精度提高6.5倍以上。在實際衛(wèi)星總體的仿真測試中，1553B“整秒批指令”中所含1553B消息一般為幾十條，遠遠不會達到滿負荷1 000條消息的狀態(tài)，該系統(tǒng)0.713 ms的最大延時完全能滿足仿真需求，保證全測試過程在時間上嚴格受控，為被測設備的排故檢查提供精確的數(shù)據(jù)支持。

5　結(jié)論

該系統(tǒng)在保持原有星務仿真系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架的基礎上，設計了星務1553B仿真軟件，滿足“幀消息模式”的任務需求，充分發(fā)揮了VxWorks多任務實時操作系統(tǒng)的優(yōu)點；采用基于優(yōu)先級搶占調(diào)度算法，提升了1553B板卡的指令執(zhí)行時間精度，將指令執(zhí)行的最大延遲優(yōu)化至0.713 ms；滿足對新型衛(wèi)星總體“1秒20幀，1幀50條消息”的“幀消息模式”的全面仿真，為被測設備故障的定位排查提高數(shù)據(jù)支持。目前該系統(tǒng)已使用在某型號空間相機控制器調(diào)試過程中，滿足仿真測試需求。

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High Real-time Design of 1553B Bus House-keeping Simulation System

Li Shuye1,2, He Gengxian1, Li Junlin1, Ge Xinhong1, Sun Wu1,2

(1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun130033, China;2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049, China)

To realize the simulation of a new type of satellite system’s "frame message model" of 1553B bus, a new 1553B bus house-keeping simulation system is designed and established. Through the analysis of the original implementation mechanism, changing the design of the simulation software and adding the high-precision time acquisition module and 1553B board control module to VxWorks computer, a high real-time 1553B bus simulation systems is designed. It is showed that: The system can not only meet the "frame message mode" simulation, but the 1553B board execution maximum delay time is reduced to 0.713 ms, which is shorter 6.5 times than the original house-keeping simulation system maximum delay 4.5 ms, and provides accurate time data support for the device under test.

house-keeping simulation; 1553B; real-time; frame message module; VxWorks

2015-07-20；

2015-08-27。

國家自然科技基金項目(60506014);吉林省科技發(fā)展計劃(20120331)。

李樹業(yè)(1990-)，男，貴州六盤水市人，碩士研究生，主要從事航天有效載荷仿真測試系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2016)01-0168-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.047

TP311.5

A