涂晉 張震

【摘要】本文介紹了飛控系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和反射內(nèi)存網(wǎng)結(jié)合的方法進(jìn)行通訊，在保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求下，節(jié)省建設(shè)經(jīng)費(fèi)。并簡(jiǎn)要介紹基于C++Builder6.0開發(fā)環(huán)境中反射內(nèi)存網(wǎng)、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的軟件開發(fā)。

【關(guān)鍵詞】實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)；反射內(nèi)存網(wǎng)；標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)

1、前言

飛控系統(tǒng)半物理仿真是型號(hào)研制和試驗(yàn)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，飛控系統(tǒng)作為一種強(qiáng)實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)，其半實(shí)物仿真是時(shí)間約束非常強(qiáng)的過(guò)程，其計(jì)算、數(shù)據(jù)通訊和關(guān)鍵信號(hào)的處理如果出現(xiàn)超時(shí)將可能導(dǎo)致整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)的失敗。因此，實(shí)時(shí)算法和通訊技術(shù)的研究是半實(shí)物仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，仿真主機(jī)的速度大大提高，為飛行器非線性動(dòng)力學(xué)方程的高速、高精度求解提供了條件；其次，采用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)兩結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延遲為納秒級(jí)或微秒級(jí)。

2、仿真平臺(tái)構(gòu)建

為保證飛控系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)的可擴(kuò)展性，系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)引入分布式布局的思想，不同于傳統(tǒng)一對(duì)一的宿主機(jī)-目標(biāo)機(jī)模式，設(shè)計(jì)一對(duì)多的分布式模式?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。采用RTW-xPC作為實(shí)時(shí)仿真的框架（仿真主計(jì)算機(jī)-仿真目標(biāo)計(jì)算機(jī)模式），子任務(wù)被分布在系統(tǒng)的各個(gè)成員上，成員之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，通過(guò)各子任務(wù)并發(fā)運(yùn)行來(lái)提高解算速度，滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求。

飛控計(jì)算機(jī)一般每10ms讀取一幀數(shù)據(jù)，這要求飛控仿真系統(tǒng)的仿真周期遠(yuǎn)小于10ms。最初的設(shè)計(jì)是通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)完成計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，但是難以保證該飛控仿真系統(tǒng)強(qiáng)實(shí)時(shí)性的要求。以任一仿真目標(biāo)機(jī)為例，若每毫秒產(chǎn)生1000個(gè)數(shù)據(jù)，按每數(shù)據(jù)大小4字節(jié)計(jì)算，其數(shù)據(jù)量4KB，按照千兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸率，則在以太網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)間延遲32ms，無(wú)法滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。反射內(nèi)存網(wǎng)具有可高達(dá)170MB/s的數(shù)據(jù)傳輸率，在反射內(nèi)存網(wǎng)上傳輸?shù)臅r(shí)間延遲為24us，遠(yuǎn)低于1ms的要求。

圖1 仿真平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)組成

本方案采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和反射內(nèi)存網(wǎng)（內(nèi)存映射網(wǎng)）結(jié)合的方法進(jìn)行通訊。系統(tǒng)中對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的部分采用普通的以太網(wǎng)絡(luò)傳輸；系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性要求較高的部分采用反射內(nèi)存網(wǎng)搭建。以太網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)之間的物理連接和電信號(hào)匹配，主要針對(duì)飛控系統(tǒng)仿真過(guò)程中仿真主機(jī)-仿真目標(biāo)機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊檢測(cè)，以及實(shí)時(shí)仿真過(guò)程中接受控制信號(hào)和發(fā)送各種控制命令信號(hào)。反射內(nèi)存網(wǎng)作為一種快速的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真目標(biāo)計(jì)算機(jī)和信號(hào)轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交互。這樣做的好處是既可以保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，又能夠節(jié)省建設(shè)費(fèi)用，減少系統(tǒng)復(fù)雜度。

3、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)

3.1反射內(nèi)存網(wǎng)

3.1.1反射內(nèi)存的概念

反射內(nèi)存光纖網(wǎng)絡(luò)采用了先進(jìn)特殊的技術(shù)，具備很強(qiáng)的支持分布實(shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力。在每個(gè)需要實(shí)時(shí)通訊的節(jié)點(diǎn)上插入反射內(nèi)存網(wǎng)卡（節(jié)點(diǎn)卡），反射內(nèi)存卡上有一塊專門的存儲(chǔ)器，并且它們都映射在同一個(gè)地址空間，構(gòu)成了分布式共享存儲(chǔ)器。用戶可以在分布式共享存儲(chǔ)器中定義多個(gè)全局公用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理器對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行了“寫”操作，接口板將修改的數(shù)據(jù)通過(guò)光纖自動(dòng)實(shí)時(shí)的寫到另一節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器中，這樣，另一節(jié)點(diǎn)的用戶只需讀取本地接口板上的相應(yīng)的存儲(chǔ)器就可以獲得修改的數(shù)據(jù)。采用反射內(nèi)存通訊方式的好處是：數(shù)據(jù)傳輸速度快，讀/寫操作延時(shí)為納秒級(jí)，能夠大大降低總的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，減小仿真周期，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。在反射內(nèi)存網(wǎng)上，節(jié)點(diǎn)之間的通訊對(duì)軟件是透明的。用戶不需采用消息傳遞方式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的通訊，只需在本機(jī)系統(tǒng)中對(duì)共享存儲(chǔ)器進(jìn)行直接讀寫操作就可實(shí)現(xiàn)多機(jī)之間的通訊，大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，減少了用戶的編程負(fù)擔(dān)，能準(zhǔn)確地算出節(jié)點(diǎn)之間通訊的最大延遲時(shí)間。

3.1.2反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

本方案采用的VMIC5565反射內(nèi)存（RFM）是基于環(huán)狀/星狀的，高速?gòu)?fù)制的共享內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)。它支持不同總線結(jié)構(gòu)的多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且可以使用不同的操作系統(tǒng)來(lái)共享高速的、穩(wěn)定速率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

VMIPCI-5565反射內(nèi)存卡可以不通過(guò)HUB直接構(gòu)成環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連接，也可以通過(guò)HUB構(gòu)成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連接，每個(gè)結(jié)點(diǎn)的TX接口同下一個(gè)結(jié)點(diǎn)的RX接口交叉連接。這種環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連接可靠性不如星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連接，因?yàn)榄h(huán)網(wǎng)中任一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障會(huì)造成整個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接中斷，而星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下不存在這樣的問(wèn)題，考慮到平臺(tái)節(jié)點(diǎn)較多，故采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連接。

3.1.3反射內(nèi)存卡使用

VMIPCI-5565反射內(nèi)存卡之間或與智能型HUB之間通過(guò)兩條光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。其中TX插口連接發(fā)送光纖，RX插口連接接收光纖。在組網(wǎng)前，需要對(duì)每塊反射內(nèi)存卡進(jìn)行統(tǒng)一編址，不同計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽內(nèi)的VMIPCI-5565板卡必須具有不同的地址，此地址的分配是通過(guò)板卡上的跳線來(lái)選擇的。地址跳線總共有8條，通過(guò)這8條地址跳線可以選擇0～255總共256個(gè)地址范圍。

建立反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的通訊設(shè)計(jì)，在WindowsXP系統(tǒng)下安裝反射內(nèi)存卡驅(qū)動(dòng)程序，然后在C++ Builder 6.0開發(fā)環(huán)境中添加VMIPCI-5565反射內(nèi)存卡的頭文件：rfm2g_windows.h，rfm2g_api.h和庫(kù)文件rfm2gdll_stdc.lib到工程文件路徑。至此完成了反射內(nèi)存網(wǎng)配置。

在C++ Builder控件中添加時(shí)鐘控件，利用時(shí)鐘周期性（周期可設(shè)置）工作的原理，在時(shí)鐘控件下進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)的通過(guò)反射內(nèi)存卡完成數(shù)據(jù)通訊，具體方法：

a）先自定義反射內(nèi)存卡設(shè)備名稱，再申明句柄RFM2GHANDLE RFM2gHandle；

b）系統(tǒng)啟動(dòng)完成后，打開反射內(nèi)存卡端口，調(diào)用函數(shù)：RFM2gOpen（char *DevicePath，&RFM2gHandle）；

c）在時(shí)鐘控件中通過(guò)執(zhí)行函數(shù)語(yǔ)句RFM2gRead（RFM2GHANDLE rh，RFM2G_UINT32 Offset，void *Buffer，RFM2G_UINT32 Length）從卡地址讀取指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，至此完成了數(shù)據(jù)的獲取；

d）同樣，如果用戶需要給反射內(nèi)存卡地址寫入數(shù)據(jù)達(dá)到數(shù)據(jù)共享，只需執(zhí)行函數(shù)語(yǔ)句RFM2gWrite（RFM2GHANDLE rh，RFM2G_UINT32 Offset，void *Buffer，RFM2G_UINT32 Length）即可；

e）數(shù)據(jù)校驗(yàn)：當(dāng)通過(guò)反射內(nèi)存網(wǎng)接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)變量值進(jìn)行求和方法計(jì)算，將得到和值與接收到的校驗(yàn)和信號(hào)值進(jìn)行比較，如果兩個(gè)值差值的絕對(duì)值小于10-4，則認(rèn)為數(shù)據(jù)接收正確，否則丟掉這一包數(shù)據(jù)。

3.2標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)

由于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)已普及使用，在此不對(duì)其概念做詳細(xì)說(shuō)明。建立以太網(wǎng)的通訊設(shè)計(jì)，需要先在網(wǎng)絡(luò)連接中的TCP/IP屬性中設(shè)置協(xié)議約定好的IP地址，子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。然后用C++Builder的網(wǎng)絡(luò)通訊控件IdUDPServer和IdUDPClient，以及IdIcmpClient建立通訊。

a）作為客戶端應(yīng)該在程序設(shè)計(jì)中設(shè)置IdUDPClient需要請(qǐng)求連接目標(biāo)機(jī)的地址和端口，即設(shè)置控件的Host和Port屬性，并用Open函數(shù)打開IdUDPClient控件或者將Active屬性設(shè)置為true。

b）作為服務(wù)器端，需要設(shè)置接收數(shù)據(jù)端口，必須與客戶端端口一致才能正確建立通訊，同時(shí)還必須用Open函數(shù)打開IdUDPServer控件或者將Active屬性設(shè)置為true。建立客戶服務(wù)器之間連接之后，就可在程序設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊了。

c）IdIcmpClient主要是在網(wǎng)絡(luò)通訊檢測(cè)中用到。可以設(shè)置該控件IP地址屬性，然后調(diào)用ping函數(shù)，在Reply事件中得到返回值進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連通性檢測(cè)判斷。

4、結(jié)論

本文主要介紹了飛控系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，并給出了具體的通訊協(xié)議及注意事項(xiàng)。該半實(shí)物仿真平臺(tái)經(jīng)使用驗(yàn)證，具有通信實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)傳輸速度快，傳輸可靠性高的特點(diǎn)，滿足實(shí)時(shí)仿真需要，取得了良好的效果，被實(shí)踐證明是一種成熟、有效的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]陸衛(wèi)忠，劉文亮.C++Builder6.0程序設(shè)計(jì)教程[M].北京：科技出版社，2009.8.

[2]GE Fanuc Intelligent Platforms.Common RFM2g Application Program Interface（API） and Command Line Interpreter for VMISFT/RFM2g Drivers.

作者簡(jiǎn)介

涂晉，男，本科，助理工程師，畢業(yè)于畢業(yè)于武漢大學(xué)電子信息工程專業(yè)，主要從事浮空器控制律設(shè)計(jì)研究。

張震，男，本科，助理工程師，畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)，主要從事浮空器綜合控制研究。