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(1.海軍航空工程學(xué)院 201教研室,山東 煙臺(tái) 264001; 2.海軍航空工程學(xué)院 研究生管理大隊(duì),山東 煙臺(tái) 264001;3.海軍航空工程學(xué)院 訓(xùn)練部數(shù)字化校園辦公室,山東 煙臺(tái) 264001)
航母隨著服役時(shí)間的增加,船體變形、機(jī)械磨損以及外部撞擊等因素會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備的水平、方位零位發(fā)生變化,電器元器件的老化導(dǎo)致電器零位發(fā)生漂移,這些都會(huì)影響其將引導(dǎo)系統(tǒng)的精度,為保障艦載機(jī)的安全降落,對(duì)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)的定期標(biāo)校,是航母著艦引導(dǎo)系統(tǒng)安全可靠工作的重要保障。
無(wú)人機(jī)校飛作為一種標(biāo)校方式,完成著艦引導(dǎo)系統(tǒng)下滑道檢查,是一種非常有效的標(biāo)校方法[1-2],相比于直升機(jī)校飛,具有安全有效的優(yōu)點(diǎn)。但是校飛中標(biāo)校模塊裝置較多,系統(tǒng)工作流程復(fù)雜,實(shí)時(shí)性高,標(biāo)校系統(tǒng)模塊之間數(shù)據(jù)通信較多。因此,對(duì)標(biāo)校系統(tǒng)進(jìn)行模塊化分析、完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)具有重要意義。
著艦引導(dǎo)系統(tǒng)主要由著艦引導(dǎo)雷達(dá)、光學(xué)助降裝置、中線電視等設(shè)備組成。校飛系統(tǒng)組成框圖如圖1所示,對(duì)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)備的標(biāo)校,需要對(duì)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)備提供合作目標(biāo),形成閉環(huán)的標(biāo)校回路,完成著艦引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)備的測(cè)量工作,中線電視標(biāo)定裝置與雷達(dá)應(yīng)答機(jī)作為合作目標(biāo),完成中線電視與著艦引導(dǎo)雷達(dá)的測(cè)量工作,對(duì)于光學(xué)助降裝置,為了形成閉環(huán)的標(biāo)校回路,標(biāo)校系統(tǒng)通過(guò)光學(xué)標(biāo)定攝像頭拍攝艦載機(jī)著艦時(shí)光學(xué)助降裝置的光學(xué)信息并且存儲(chǔ),也可將光學(xué)標(biāo)定攝像頭作為合作目標(biāo)分析處理。標(biāo)校系統(tǒng)自身需要獲取約定真值(以下簡(jiǎn)稱(chēng)真值),將著艦引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)和真值進(jìn)行比對(duì),從而對(duì)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定。整個(gè)系統(tǒng)需要在處理器的統(tǒng)一協(xié)同控制下工作。設(shè)備標(biāo)校過(guò)程中,真值測(cè)量設(shè)備與其它測(cè)量設(shè)備需在統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)下工作。
圖1 校飛系統(tǒng)組成框圖
標(biāo)校系統(tǒng)嵌入式裝置中,真值測(cè)量設(shè)備采用基于載波相位事后差分相對(duì)定位技術(shù)的GPS設(shè)備[3],艦上的理想著艦點(diǎn)和校飛無(wú)人機(jī)上分別采集GPS的原始測(cè)量數(shù)據(jù)和NMEA0183格式的衛(wèi)星數(shù)據(jù)并存儲(chǔ),事后差分能夠提供厘米級(jí)的定位精度,同時(shí)處理器根據(jù)GPS設(shè)備提供GPS秒脈沖和對(duì)應(yīng)的UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,完成系統(tǒng)的授時(shí)同步功能。電視標(biāo)定裝置采用燈光源作為合作目標(biāo),光學(xué)標(biāo)定攝像頭在標(biāo)校系統(tǒng)軟件的統(tǒng)一控制下完成光學(xué)助降裝置的圖像信息采集功能,燈光源與雷達(dá)應(yīng)答機(jī)只需加電開(kāi)機(jī)即可工作,同時(shí)無(wú)人機(jī)上需安裝姿態(tài)傳感器采集無(wú)人機(jī)的姿態(tài)信息,所有測(cè)量設(shè)備在系統(tǒng)的統(tǒng)一控制下完成采集功能。
標(biāo)校系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)采用模塊化的設(shè)計(jì)原理[4],軟件體系由真值測(cè)量模塊、授時(shí)同步模塊和測(cè)量信息采集模塊組成。真值測(cè)量模塊完成GPS信息的采集和存儲(chǔ)功能[5-6],將GPS原始測(cè)量數(shù)據(jù)與NMEA0183信息存儲(chǔ)至文件中,以事后處理數(shù)據(jù),其中NMEA0183信息包含秒脈沖對(duì)應(yīng)的UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間[7],同時(shí)處理器還需時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)GPS設(shè)備輸出的秒脈沖信息,因此本文設(shè)計(jì)一種多線程機(jī)制來(lái)完成真值測(cè)量模塊的有關(guān)功能[8-10]。授時(shí)同步模塊根據(jù)GPS秒脈沖與秒脈沖對(duì)應(yīng)的UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間完成系統(tǒng)的授時(shí)功能[11-13],同時(shí)根據(jù)真值測(cè)量模塊提供的秒脈沖信息和標(biāo)校的需求采用芯片內(nèi)部的定時(shí)器完成測(cè)量信息采集模塊各進(jìn)程的時(shí)間片分配功能,測(cè)量信息采集模塊根據(jù)系統(tǒng)分配的時(shí)間片完成測(cè)量信息的采集并用特定的格式和方式存儲(chǔ)在統(tǒng)一時(shí)間系統(tǒng)工作下的各個(gè)模塊采集的數(shù)據(jù)以事后處理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的設(shè)備較多,采用開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)需有很好的設(shè)備管理能力。采用模塊化設(shè)計(jì)方法的軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
本文的設(shè)計(jì)基于LINUX操作系統(tǒng),具有較好的設(shè)備管理、進(jìn)程(線程)管理、作業(yè)管理以及定時(shí)計(jì)數(shù)功能,能夠完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。CPU采用ARMV8處理器,是ARM公司首推的支持64位指令集的處理器,同時(shí)也支持32位的指令。
標(biāo)校系統(tǒng)模塊多,實(shí)時(shí)性要求高,模塊之間通信多,需要對(duì)各模塊的程序加以管理和控制,各模塊的程序需要并發(fā)執(zhí)行,本文設(shè)計(jì)了一種基于多進(jìn)程技術(shù)的解決方案[14-17]。標(biāo)校系統(tǒng)主要由GPS信息采集進(jìn)程、授時(shí)進(jìn)程、同步信號(hào)產(chǎn)生進(jìn)程、圖像采集壓縮存儲(chǔ)進(jìn)程、姿態(tài)信息采集存儲(chǔ)進(jìn)程組成。各進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行,但進(jìn)程之間需要進(jìn)行通信,本文采用消息傳遞系統(tǒng)的進(jìn)程通信方式來(lái)完成各進(jìn)程之間的通信,傳遞消息系統(tǒng)方式是當(dāng)今進(jìn)程間最為廣泛應(yīng)用的通信機(jī)制,它能夠很好的支持多處理機(jī)系統(tǒng)和分布式系統(tǒng),采用這種方式時(shí),進(jìn)程之間的通信是以格式化的數(shù)據(jù)為單位進(jìn)行傳遞,適合進(jìn)程之間通信數(shù)據(jù)量大且格式單一的通信方式。嵌入式標(biāo)校系統(tǒng)模塊多,且通信的數(shù)據(jù)都被處理器格式化處理,通信數(shù)據(jù)格式單一,適合采用消息傳遞系統(tǒng)的方式完成進(jìn)程之間的通信,因此,各進(jìn)程通信方式上采用消息傳遞系統(tǒng)的方式完成各進(jìn)程間的通信。
軟件系統(tǒng)的各進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行,雖然提高了嵌入式標(biāo)校系統(tǒng)的時(shí)間和空間效率,但各個(gè)進(jìn)程之間有制約關(guān)系,需要采用進(jìn)程同步技術(shù)來(lái)保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。嵌入式標(biāo)校系統(tǒng)組成復(fù)雜,設(shè)備多,系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量多,且存儲(chǔ)空間有限,處理器的任務(wù)繁重,需要一種高效率低空間開(kāi)銷(xiāo)的方式完成進(jìn)程間的同步機(jī)制,保證標(biāo)校系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。本文采用信號(hào)量機(jī)制來(lái)完成進(jìn)程間的同步功能,采用信號(hào)量機(jī)制實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥時(shí),方式簡(jiǎn)單,只需占有少量的系統(tǒng)空間便可保證各個(gè)進(jìn)程對(duì)臨界資源的共享。標(biāo)校系統(tǒng)的各進(jìn)程關(guān)系和進(jìn)程之間通信的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)進(jìn)程結(jié)構(gòu)圖
3.1.1 授時(shí)進(jìn)程
嵌入式標(biāo)校系統(tǒng)的各個(gè)模塊需要在統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)下工作,授時(shí)進(jìn)程完成系統(tǒng)的授時(shí)功能。GPS信息采集進(jìn)程采集3種信息,GPS秒脈沖、原始測(cè)量數(shù)據(jù)和NMEA0183格式信息。GPS秒脈沖是每秒輸出的脈沖信號(hào),高電平有效,是系統(tǒng)授時(shí)與同步的重要時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),NMEA0183信息包含秒脈沖對(duì)應(yīng)的UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。當(dāng)GPS信息采集進(jìn)程采集到GPS秒脈沖時(shí),喚醒授時(shí)進(jìn)程,授時(shí)進(jìn)程根據(jù)GPS信息采集進(jìn)程采集的NMEA0183信息提取UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與本地LINUX系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)間進(jìn)行對(duì)比,得出時(shí)鐘偏差并對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行校正。最終使本地時(shí)鐘與UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致,
3.1.2 同步信號(hào)產(chǎn)生進(jìn)程與進(jìn)程同步
根據(jù)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)校的工作要求,產(chǎn)生同步信號(hào)同步系統(tǒng)的工作是同步信號(hào)產(chǎn)生進(jìn)程的主要工作,本系統(tǒng)的工作頻率為5 Hz,則需每200 ms產(chǎn)生一個(gè)同步信號(hào),同步系統(tǒng)的工作。同步信號(hào)產(chǎn)生需要利用ARM芯片的PWM脈寬調(diào)制定時(shí)計(jì)數(shù)器的定時(shí)功能,當(dāng)GPS信息采集進(jìn)程采集到GPS秒脈沖信號(hào)后,喚醒同步信號(hào)產(chǎn)生進(jìn)程,同步信號(hào)產(chǎn)生進(jìn)程查詢(xún)授時(shí)進(jìn)程是否完成授時(shí)功能,如完成則啟動(dòng)PWM的定時(shí)功能,200 ms計(jì)時(shí)完成后,產(chǎn)生中斷,處理器發(fā)控制命令啟動(dòng)測(cè)量模塊有關(guān)進(jìn)程完成測(cè)量信息采集工作。
授時(shí)進(jìn)程與同步信號(hào)產(chǎn)生進(jìn)程有制約關(guān)系,根據(jù)對(duì)嵌入式標(biāo)校系統(tǒng)的分析,只有授時(shí)功能完成時(shí),軟件系統(tǒng)才能啟動(dòng)同步信號(hào)產(chǎn)生進(jìn)程。為防止進(jìn)程異步造成的混亂,需要采用進(jìn)程同步技術(shù)來(lái)控制并發(fā)執(zhí)行的程序。根據(jù)方案設(shè)計(jì),采用信號(hào)量機(jī)制實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的互斥,完成進(jìn)程同步機(jī)制。本文設(shè)立信號(hào)量lock,初始化lock=0,作為兩個(gè)進(jìn)程之間的臨界資源,當(dāng)授時(shí)功能完成時(shí),執(zhí)行以下代碼,
lock = Lock()
if lock.acquire() : //如對(duì)信號(hào)量加鎖
lock=lock+1
lock.release()//對(duì)信號(hào)量釋放鎖
當(dāng)同步進(jìn)程開(kāi)始查詢(xún)授時(shí)功能是否完成時(shí),如完成啟動(dòng)PWM脈寬調(diào)制定時(shí)計(jì)數(shù)器,主要代碼:
if lock.acquire() : //如對(duì)信號(hào)量加鎖
if lock>0://如果完成授時(shí)功能
lock=lock-1
PWM.start()//啟動(dòng)定時(shí)器
lock.release()//釋放鎖
3.1.3 測(cè)量模塊有關(guān)進(jìn)程
測(cè)量模塊有關(guān)進(jìn)程包括圖像信息采集壓縮存儲(chǔ)等進(jìn)程和姿態(tài)信息采集存儲(chǔ)等進(jìn)程,各進(jìn)程在統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)下同步工作,為事后能夠處理數(shù)據(jù),本文設(shè)計(jì)了一種特定格式圖4所示,將采集的圖像壓縮為JPG格式后用設(shè)計(jì)特定格式數(shù)據(jù)命名,同時(shí)將設(shè)計(jì)的特定格式作為采集的姿態(tài)信息的幀頭。
圖4 存儲(chǔ)格式圖
前6個(gè)字節(jié)代表經(jīng)過(guò)GPS授時(shí)后系統(tǒng)的時(shí)間,后兩個(gè)字節(jié)代表此時(shí)統(tǒng)下采集的信息的序列。8個(gè)字節(jié)的特殊格式數(shù)據(jù)作為圖像信息和姿態(tài)傳感數(shù)據(jù)的幀頭。實(shí)驗(yàn)中,系統(tǒng)的工作頻率為5 Hz,通過(guò)對(duì)合作目標(biāo)模塊采集的信息進(jìn)行處理按照特定的格式存儲(chǔ)在嵌入式標(biāo)校系統(tǒng)的SD卡中,事后傳輸至數(shù)據(jù)處理單元,將GPS模塊的
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中,真值測(cè)量模塊需要時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)GPS秒脈沖信號(hào)并啟動(dòng)授時(shí)同步進(jìn)程,同時(shí)需要不斷接收NMEA0183格式信息與GPS原始測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至文件中,以事后處理。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)多任務(wù)的需求并保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行,本文設(shè)計(jì)一種多線程機(jī)制來(lái)完成真值測(cè)量模塊的功能[8,16]。
真值測(cè)量模塊主要有串口讀寫(xiě)線程和監(jiān)聽(tīng)秒脈沖線程組成。為管理這兩個(gè)子線程,創(chuàng)建線程數(shù)組,將串口讀寫(xiě)線程與監(jiān)聽(tīng)GPS秒脈沖線程加入線程數(shù)組中,并將兩個(gè)子線程聲明為守護(hù)線程,否則會(huì)被無(wú)限掛起。程序運(yùn)行時(shí),同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)線程, 程序代碼主要有
threads=[] //創(chuàng)建線程數(shù)組
t1=threading.Thread(target=readgps,args=(u'ss',))//創(chuàng)建線程t1
threads.append(t1) //將讀取衛(wèi)星數(shù)
//據(jù)函數(shù)加入線程數(shù)組中。
t2=threading.Thread(target=pps,args=(u'ss',)) //創(chuàng)
//建線程t2
threads.append(t2) //將監(jiān)聽(tīng)GPS秒脈沖函數(shù)//加//入線程數(shù)組中
for t in threads: //遍歷線程數(shù)組
t.setDaemon(True)//將線程聲明為守護(hù)
//線程
t.start()
t.join()//等待子線程終止
f.close()//關(guān)閉文件操作
為檢驗(yàn)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,在前期搭建的嵌入式標(biāo)校系統(tǒng)的硬件平臺(tái)上根據(jù)本文的方案設(shè)計(jì)編寫(xiě)軟件系統(tǒng),其中授時(shí)同步進(jìn)程主要采用基于多線程技術(shù)完成系統(tǒng)的授時(shí)同步功能,軟件系統(tǒng)的多線程包括監(jiān)聽(tīng)GPS秒脈沖線程和讀寫(xiě)線程,兩個(gè)線程同時(shí)工作,共同完成授時(shí)同步進(jìn)程的有關(guān)功能,實(shí)驗(yàn)每監(jiān)聽(tīng)一次GPS秒脈沖測(cè)量嵌入式標(biāo)校系統(tǒng)的時(shí)鐘與UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的偏差,最終測(cè)量的時(shí)鐘偏差結(jié)果如表1所示。
表1 時(shí)間偏差量監(jiān)聽(tīng)次數(shù)
在完成授時(shí)同步功能的同時(shí),系統(tǒng)需要采集GPS原始測(cè)量數(shù)據(jù)與NMEA0183格式數(shù)據(jù)存儲(chǔ),以事后差分處理得出無(wú)人機(jī)的精確飛行軌跡,采集的GPS原始測(cè)量數(shù)據(jù)與NMEA0183格式數(shù)據(jù)如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)采集GPS數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出: (1)隨著基于多線程技術(shù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件中授時(shí)同步進(jìn)程的運(yùn)行,最終使得系統(tǒng)時(shí)鐘與衛(wèi)星上的UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致,使得嵌入式標(biāo)校系統(tǒng)各個(gè)模塊在統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)下可靠工作運(yùn)行并完成標(biāo)校系統(tǒng)的授時(shí)功能。(2) 系統(tǒng)在完成采集GPS秒脈沖的同時(shí)采集GPS原始測(cè)量數(shù)據(jù)和NMEA0183格式數(shù)據(jù)并存儲(chǔ),因此,嵌入式標(biāo)校系統(tǒng)基于多線程模塊設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件能夠滿足著艦引導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)校的功能需求。
基于多進(jìn)程技術(shù)設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)采集的姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)與圖像信息經(jīng)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件處理后如圖6所示。
圖6 測(cè)量信息采集模塊實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:測(cè)量信息采集模塊有關(guān)進(jìn)程在統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)下同步工作,能夠按照筆者設(shè)計(jì)要求正確完成測(cè)量模塊的任務(wù),各個(gè)進(jìn)程在采用信號(hào)量機(jī)制解決進(jìn)程同步問(wèn)題后能夠保證各個(gè)進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行和穩(wěn)定工作,通過(guò)消息傳遞系統(tǒng)的方式能夠完成各進(jìn)程之間的通信功能,各進(jìn)程采集的數(shù)據(jù)能夠按照本文設(shè)計(jì)的格式存儲(chǔ)以事后處理數(shù)據(jù),進(jìn)而能夠按照標(biāo)校系統(tǒng)的需求完成合作目標(biāo)模塊和姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理功能。
本文針對(duì)基于無(wú)人機(jī)的標(biāo)校系統(tǒng)硬件裝置的工作情況,通過(guò)模塊化的軟件設(shè)計(jì)原理對(duì)標(biāo)校系統(tǒng)進(jìn)行分析后,提出了基于多進(jìn)程與多線程技術(shù)結(jié)合的軟件設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)了真值測(cè)量模塊與合作目標(biāo)模塊各部分的功能,針對(duì)嵌入式標(biāo)校系統(tǒng)的進(jìn)程多和進(jìn)程間通信數(shù)據(jù)格式單一的特點(diǎn),通過(guò)消息傳遞系統(tǒng)的方式完成進(jìn)程間的通信,采用信號(hào)量機(jī)制完成進(jìn)程間的同步,保證了系統(tǒng)軟件的可靠運(yùn)行。真值測(cè)量模塊基于多線程技術(shù)完成標(biāo)校系統(tǒng)授時(shí)同步功能和GPS數(shù)據(jù)采集功能。標(biāo)校系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)對(duì)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)保障的常態(tài)化具有重要意義。
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