戴志晃 黃建青 劉艷麗 張明棟 胡曉剛 馬佰振

(上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)

根據(jù)我國載人航天發(fā)展“三步走”的戰(zhàn)略規(guī)劃,我國在第三階段建造長期有人駐留的空間站?？臻g站不同于其他在軌飛行器,是一個長壽命、高可靠、可維修、高電壓大功率的載人飛行器,其中電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)為整個空間站的電子設(shè)備供電?？臻g站電源系統(tǒng)采用的是多功率通道、多機(jī)組的架構(gòu),除了常規(guī)的數(shù)據(jù)采集下行和遙控指令上行之外,系統(tǒng)長壽命、可維修性及在軌系統(tǒng)管理所產(chǎn)生的系統(tǒng)信息量非常龐大[1-2]。其他航天器電源通過一臺單機(jī)的軟硬件能實(shí)現(xiàn)自身電源的控制及單個總線通信功能,而空間站電源信息系統(tǒng)包含多臺單機(jī),實(shí)現(xiàn)電源充放電、艙內(nèi)外驅(qū)動控制、分流和展收控制、多個內(nèi)外總線通信等。空間站電源系統(tǒng)信息管理軟件(簡稱空間站電源軟件)運(yùn)行在電源管理器上,完成電源系統(tǒng)內(nèi)部多個單機(jī)與外部多總線信息管理功能,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)外的數(shù)據(jù)交換,顯然傳統(tǒng)電源下位機(jī)軟件無法直接移植到空間站上使用。我國空間站電源系統(tǒng)是國內(nèi)首次在載人航天器電源系統(tǒng)中采用多層1553B 總線通信的結(jié)構(gòu),“國際空間站”上采用空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會-高級在軌系統(tǒng)(CCSDS-AOS)通信體制,由4個局域網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)互聯(lián)而構(gòu)成信息系統(tǒng),因此我國空間站電源軟件設(shè)計(jì)無直接借鑒或引用的原型。

我國空間站電源軟件相對于傳統(tǒng)電源下位機(jī)軟件來說,需要增加多總線參數(shù)、總線指令的中轉(zhuǎn)收發(fā),對電源系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)管理,同時作為電源系統(tǒng)與數(shù)管系統(tǒng),制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制(GNC)系統(tǒng)等外部系統(tǒng)的接口,完成系統(tǒng)內(nèi)外的數(shù)據(jù)交換。因此,本文提出一種基于電源下位機(jī)軟件的重構(gòu)方案,能有效解決多總線管理和多任務(wù)處理的問題,同時具有繼承性和可靠性。

1 空間站電源系統(tǒng)信息管理特點(diǎn)與需求

如圖1所示,空間站電源系統(tǒng)的信息管理分為內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)兩部分[3]。

圖1 空間站電源系統(tǒng)信息網(wǎng)Fig.1 Information network of space station power system

(1)內(nèi)網(wǎng):以功率通道為單位,每個功率通道組成一個電源系統(tǒng)功率通道內(nèi)網(wǎng)。內(nèi)網(wǎng)是由電源管理器、充放電調(diào)節(jié)器(4臺)、艙內(nèi)驅(qū)動控制器、艙外驅(qū)動控制器組成的1553B 總線通信網(wǎng)。電源管理器作為總線控制器(BC),負(fù)責(zé)收集電源系統(tǒng)其余設(shè)備的總線參數(shù),同時將數(shù)管系統(tǒng)上行的總線指令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)設(shè)備。電源系統(tǒng)其余設(shè)備作為遠(yuǎn)程終端(RT),將本設(shè)備采集的參數(shù)傳輸給電源管理器,同時接收并執(zhí)行電源管理器轉(zhuǎn)發(fā)的總線指令。

(2)外網(wǎng):與功率通道內(nèi)網(wǎng)相對,內(nèi)網(wǎng)以外的通信網(wǎng)絡(luò)稱為外網(wǎng)。電源管理器作為RT,與1553B總線外網(wǎng)相連,同數(shù)管系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)和指令的交換;電源管理器作為RT,與GNC系統(tǒng)1553B局部總線相連,進(jìn)行對對日定向指令、參數(shù)交換。

電源管理器作為總線控制器,負(fù)責(zé)功率通道所有總線參數(shù)、總線指令的中轉(zhuǎn)收發(fā),對電源系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)管理,同時作為電源系統(tǒng)與數(shù)管系統(tǒng)、GNC系統(tǒng)等外部系統(tǒng)的接口設(shè)備,完成系統(tǒng)內(nèi)外的數(shù)據(jù)交換。因此,電源管理器要實(shí)現(xiàn)3組1553B 的通信,還有1組RS422通信總線用于內(nèi)部測試,如圖2所示。多個系統(tǒng)之間的通信構(gòu)成多總線結(jié)構(gòu),它們之間通信任務(wù)需求的差異性會產(chǎn)生多總線任務(wù)競爭問題,因此,解決多總線任務(wù)處理問題是空間站電源系統(tǒng)信息管理的關(guān)鍵。

圖2 多總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Multi-bus topology structure

2 空間站電源軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

在上述多層總線系統(tǒng)中,多路設(shè)備同時發(fā)出總線請求時就會沖突。為有效利用總線資源,對競爭設(shè)備進(jìn)行仲裁并根據(jù)結(jié)果對設(shè)備賦權(quán),就是仲裁算法。仲裁算法對于系統(tǒng)性能的影響起著重要的作用。常用的仲裁算法分為靜態(tài)算法和動態(tài)算法,在算法中主模塊的優(yōu)先級是確定的稱為靜態(tài)算法,在仲裁過程中主模塊自身優(yōu)先級可變的稱為動態(tài)算法。固定優(yōu)先級仲裁算法、循環(huán)優(yōu)先級仲裁算法、彩票仲裁算法都是靜態(tài)優(yōu)先級算法。固定優(yōu)先級仲裁算法容易導(dǎo)致高優(yōu)先級設(shè)備長時間占用總線,而低優(yōu)先級設(shè)備長時間爭用不到總線;循環(huán)優(yōu)先級仲裁算法使各設(shè)備優(yōu)先級過于公平,而忽視設(shè)備本身優(yōu)先級高低的差異;彩票仲裁算法的仲裁受到概率的影響。

空間站電源軟件執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)先級是確定的,且不能存在單機(jī)設(shè)備長時間不被響應(yīng)的情況,所以傳統(tǒng)的靜態(tài)優(yōu)先級算法無法適用。傳統(tǒng)電源下位機(jī)的總線通信中斷觸發(fā)的軟件架構(gòu)僅適應(yīng)于簡單的單總線架構(gòu)體系,但無法支持多總線和多任務(wù)的模式要求。本文結(jié)合空間站電源軟件所采用的80C32平臺特點(diǎn)和電源下位機(jī)的總線通信中斷觸發(fā)架構(gòu),利用CPU 的軟硬中斷,通過軟件中斷擴(kuò)展系統(tǒng)本身的中斷源,并根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級的高低進(jìn)行調(diào)度執(zhí)行。它能實(shí)現(xiàn)多總線背景下系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分級處理,按數(shù)據(jù)處理的輕重緩急進(jìn)行響應(yīng),并通過設(shè)計(jì)基于多級靜態(tài)優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度處理架構(gòu),達(dá)到數(shù)據(jù)流的合理通信。圖3為空間站電源軟件架構(gòu),它以任務(wù)調(diào)度模塊為架構(gòu)核心,其他模塊在任務(wù)調(diào)度模塊的調(diào)度下執(zhí)行。下文論述了如何通過傳統(tǒng)電源下位機(jī)進(jìn)行架構(gòu)重構(gòu)和代碼重構(gòu)的具體步驟,并且描述了重構(gòu)的效果。

圖3 空間站電源軟件架構(gòu)Fig.3 Software architecture of space station power system

3 軟件重構(gòu)方案

當(dāng)前,軟件重構(gòu)技術(shù)主要分為架構(gòu)重構(gòu)和代碼重構(gòu)2種。架構(gòu)重構(gòu)通常是在設(shè)計(jì)模式的基礎(chǔ)上,對軟件的功能及接口進(jìn)行局部或整體的重新劃分[4-5]。代碼重構(gòu)是按照團(tuán)隊(duì)規(guī)范整理代碼,使之更加整潔、規(guī)范,提高代碼的自表現(xiàn)力。電源下位軟件主流程以充電控制為主,結(jié)合星務(wù)計(jì)算機(jī)觸發(fā)的總線通信中斷進(jìn)行處理[6-7]?？臻g站電源軟件設(shè)計(jì)以總線通信管理為主要功能,不具備充電控制能力。因此,只有對電源下位機(jī)的架構(gòu)進(jìn)行重構(gòu),才能滿足空間站電源軟件符合多總線和多任務(wù)處理的要求。

基于上述理由,首先對電源下位機(jī)軟件架構(gòu)重構(gòu),即在原總線通信中斷觸發(fā)架構(gòu)的基礎(chǔ)上增加多級靜態(tài)優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度處理模式,以有效解決多總線管理和多任務(wù)處理問題;然后在空間站電源軟件架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)對電源下位機(jī)軟件代碼重構(gòu)復(fù)用。

3.1 架構(gòu)重構(gòu)

3.1.1 基于多級靜態(tài)優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度處理模式

空間站電源軟件采取3級優(yōu)先級,將所有的任務(wù)模塊設(shè)置在這3級優(yōu)先級中,然后通過任務(wù)調(diào)度模塊安排各功能模塊執(zhí)行。對響應(yīng)時間最敏感的任務(wù),通過單片機(jī)硬件中斷直接執(zhí)行;其他任務(wù)則通過以單片機(jī)內(nèi)部定時器為基礎(chǔ)的任務(wù)調(diào)度模塊安排執(zhí)行。高優(yōu)先級任務(wù)擁有高響應(yīng)性,可以較快進(jìn)入調(diào)度執(zhí)行隊(duì)列。任務(wù)調(diào)度模塊根據(jù)事先定義的任務(wù)優(yōu)先級查詢各個任務(wù)標(biāo)志,確認(rèn)是否需要啟動任務(wù)執(zhí)行。

任務(wù)調(diào)度模塊以單片機(jī)內(nèi)部定時器為基礎(chǔ),初始化時設(shè)置定時器的定時時間作為調(diào)度的最小時間精度,通過定時器中斷機(jī)制建立一個調(diào)度其他任務(wù)的模塊。同時,軟件設(shè)置多種時間精度來分配任務(wù)的優(yōu)先級,優(yōu)先級高的任務(wù)具有最高查詢時間精度,任務(wù)調(diào)度模塊以高優(yōu)先級來執(zhí)行此任務(wù),其他任務(wù)則需要等待此任務(wù)執(zhí)行完畢后才能占用CPU 資源。例如:定時器在初始化時設(shè)置定時值為200μs,即每200μs±1μs產(chǎn)生1個定時中斷,調(diào)度模塊通過事先定義好的優(yōu)先級對任務(wù)待處理狀態(tài)進(jìn)行查詢,優(yōu)先級高的任務(wù)查詢間隔短,在每個時間片均進(jìn)行查詢是否有執(zhí)行請求,優(yōu)先級低的任務(wù)由于對執(zhí)行時間不敏感,一般10個時間片以上查詢1次。若查詢到有多個任務(wù)處于待執(zhí)行狀態(tài),則按照任務(wù)優(yōu)先級高低安排任務(wù)執(zhí)行的先后順序。任務(wù)調(diào)度流程如圖4所示。其中:任務(wù)調(diào)度模塊根據(jù)事先定義的任務(wù)優(yōu)先級決定查詢的頻率,高優(yōu)先級任務(wù)具有最高的查詢頻率,從而具有最快的響應(yīng)時間。

圖4 任務(wù)調(diào)度流程Fig.4 Task scheduling flow

圖2中3層總線的優(yōu)先級由最上層的1553B網(wǎng)絡(luò)向下逐級降低,RS422網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級最低。分系統(tǒng)A1和B1的數(shù)據(jù)通信對時間最敏感,必須給予數(shù)據(jù)最高優(yōu)先級處理,這樣第1層的數(shù)據(jù)得到最及時的實(shí)時處理。RS422 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理對實(shí)時性要求不高,對延時容忍大,所以設(shè)置為最低優(yōu)先級。

優(yōu)先級在程序初始階段確定,即采用靜態(tài)優(yōu)先級的方式。第1層分系統(tǒng)A1和分系統(tǒng)B1總線中斷作為硬件中斷,使用單片機(jī)的外部中斷0,1連接總線中斷引腳,作為軟件外部輸入的驅(qū)動事件,設(shè)置優(yōu)先級為最高;第2層的分系統(tǒng)A2總線對實(shí)時要求較高,所以設(shè)置優(yōu)先級為次高;第3層RS422網(wǎng)絡(luò)對執(zhí)行時間要求低,設(shè)置為最低優(yōu)先級。

3.1.2 工作流程設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)電源下位機(jī)軟件采用簡單的單總線通信中斷觸發(fā)軟件架構(gòu),中斷來后根據(jù)不同的1553B 子地址置位消息標(biāo)志,在主程序中判斷消息標(biāo)志后執(zhí)行相關(guān)處理,其工作流程如圖5所示?？臻g站電源下位機(jī)軟件則是利用任務(wù)調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)中斷按優(yōu)先級排隊(duì),從而按優(yōu)先級處理相應(yīng)任務(wù),其工作流程如圖6所示。

圖5 傳統(tǒng)電源下位機(jī)軟件工作流程Fig.5 Software workflow of tradition power system slave computer

圖6 空間站電源軟件工作流程Fig.6 Software workflow of space station power system

外部輸入信號連接單片機(jī)外部中斷引腳,硬件中斷相對于軟件中斷來說具有更高的優(yōu)先級。軟件中斷分為2級,根據(jù)任務(wù)的重要性和執(zhí)行時間等綜合因素設(shè)置優(yōu)先級。從任務(wù)需求角度考慮,軟件把對實(shí)時要求高的模塊作為軟件高優(yōu)先級處理,處于執(zhí)行隊(duì)列的隊(duì)首,其他低優(yōu)先級任務(wù)則根據(jù)請求依次進(jìn)入處理隊(duì)列的隊(duì)尾。

空間站電源軟件按任務(wù)重要程度和實(shí)時性要求,對優(yōu)先級作進(jìn)行劃分(見表1)。T1,T2總線中斷作為硬件中斷,使用單片機(jī)的外部中斷0,1連接總線中斷引腳,作為第1層網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)A1和B1外部輸入的驅(qū)動事件,設(shè)置優(yōu)先級為最高;T3對實(shí)時要求較高,設(shè)置優(yōu)先級為次高;T4,T5對執(zhí)行時間要求一致,設(shè)置為最低優(yōu)先級。

表1 任務(wù)優(yōu)先級Table 1 Task priority

為了提高CPU 利用率,減少CPU 空轉(zhuǎn)時間,在執(zhí)行任務(wù)隊(duì)列為空的情況下,任務(wù)調(diào)度模塊把CPU 分配給高優(yōu)先級任務(wù)占用,比如分系統(tǒng)A2總線傳輸?shù)热蝿?wù)。這樣,在提高CPU 利用率的同時,均衡了CPU 的負(fù)載。

3.2 代碼重構(gòu)

如圖7所示,為了滿足對電源系統(tǒng)的控制要求,傳統(tǒng)電源下位機(jī)采用硬件實(shí)現(xiàn)對模擬量電壓變換、處理工作,軟件實(shí)現(xiàn)對蓄電池充放電閉環(huán)控制、遙測采集、執(zhí)行遙控指令和總線通信等工作。電源下位機(jī)軟件包括1553B 總線通信、指令發(fā)送模塊、遙測采集模塊和控制模塊。通過1553B 總線實(shí)現(xiàn)與其上位機(jī)星務(wù)系統(tǒng)通信[8-10],包括發(fā)送組幀后的遙測值和接收指令參數(shù)。

圖7 傳統(tǒng)電源下位機(jī)原理框圖Fig.7 Schematic diagram of tradition power system slave computer

電源下位機(jī)軟件主要完成3項(xiàng)功能:對氫鎳蓄電池組進(jìn)行氫壓和安時計(jì)充電控制;對鋰離子蓄電池組進(jìn)行充電控制和均衡管理;與星務(wù)主機(jī)進(jìn)行通信。其中:與星務(wù)主機(jī)的1553B 總線通信,包括對65170芯片初始化,芯片寄存器和內(nèi)存的讀寫,并將遙測組幀發(fā)送,接收總線指令并執(zhí)行。

如圖1 和圖2 所示,空間站電源軟件要實(shí)現(xiàn)3組1553B的通信,需要采集系統(tǒng)內(nèi)單機(jī)的遙測,組幀后轉(zhuǎn)發(fā)給2個外系統(tǒng),并且接收2個系統(tǒng)的指令注入轉(zhuǎn)發(fā)給電源系統(tǒng)內(nèi)單機(jī)?？臻g站電源軟件因需求變化,要對電源下位機(jī)軟件代碼進(jìn)行重構(gòu)。需求差異體現(xiàn)在芯片初始化數(shù)量、遙測組幀、接收指令和注數(shù)、指令處理及新增總線監(jiān)測上,具體如下。

(1)直接復(fù)用:寄存器讀寫和內(nèi)存讀寫模塊。

(2)部分復(fù)用:芯片初始化模塊,因?yàn)橐獙?個1553B芯片進(jìn)行初始化,各個芯片寄存器的設(shè)置、查找表及子地址控制字都不一樣,所以根據(jù)它們各自的設(shè)置生成3個芯片初始化函數(shù);遙測模塊,復(fù)用模擬量采集和數(shù)字濾波代碼;接收指令模塊,復(fù)用執(zhí)行集電極開路(OC)指令代碼。

(3)新增代碼:接收指令和注數(shù)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)函數(shù);電源系統(tǒng)內(nèi)總線數(shù)據(jù)收發(fā)函數(shù);總線監(jiān)測函數(shù);串口函數(shù);遙測組幀模塊;任務(wù)調(diào)度模塊。

由以上可知:直接復(fù)用和部分復(fù)用的函數(shù)模塊為5個,占到整個13個函數(shù)模塊的38.47%,實(shí)現(xiàn)了38.47%的軟件代碼復(fù)用率。

4 應(yīng)用與驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)的空間站電源軟件已在我國空間站電源系統(tǒng)中得到應(yīng)用。軟件接收數(shù)管計(jì)算機(jī)的總線指令和注入數(shù)據(jù)后,分發(fā)給系統(tǒng)內(nèi)部各單機(jī);軟件收集系統(tǒng)內(nèi)各單機(jī)的遙測數(shù)據(jù)(包括工程、常規(guī)、儀表和蓄電池遙測數(shù)據(jù)),組幀后將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)管系統(tǒng);響應(yīng)來自GNC 系統(tǒng)的驅(qū)動控制指令,分發(fā)給相關(guān)的驅(qū)動控制設(shè)備;接收驅(qū)動控制設(shè)備反饋的驅(qū)動控制數(shù)據(jù),組幀后發(fā)送給GNC 系統(tǒng)。下面以電源系統(tǒng)內(nèi)各單機(jī)的遙測數(shù)據(jù)采集的T3任務(wù)晚于T4,T5任務(wù)的執(zhí)行比率為例,對重構(gòu)后空間站電源軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

如果采用傳統(tǒng)電源下位機(jī)總線通信中斷處理方法,則收集電源系統(tǒng)內(nèi)各單機(jī)的遙測數(shù)據(jù)的T3任務(wù)晚于表1中T4,T5任務(wù)執(zhí)行的比率如圖8所示。T3任務(wù)中收集分系統(tǒng)4種遙測晚于T4,T5任務(wù)執(zhí)行的比率總計(jì)為44.48%。通過重構(gòu)后的空間站電源軟件,優(yōu)先執(zhí)行T3任務(wù),不會晚于T4,T5任務(wù)執(zhí)行,即執(zhí)行比率提高了44.48%。通過以上驗(yàn)證,可知空間站電源軟件采用具有靜態(tài)優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度處理模式,實(shí)時性任務(wù)的響應(yīng)率提高了44.48%,保證了系統(tǒng)內(nèi)實(shí)時性任務(wù)的響應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?能有效滿足空間站電源系統(tǒng)的信息管理任務(wù)需求。

圖8 T3任務(wù)晚于T4,T5任務(wù)執(zhí)行的比率Fig.8 Execution rate that T3 task is later than T4,T5 tasks

5 結(jié)束語

經(jīng)過重構(gòu)的空間站電源軟件,實(shí)現(xiàn)了多重總線的互聯(lián)互通。在它的管理下,連接了不同層次的網(wǎng)絡(luò),擴(kuò)展了系統(tǒng)原有設(shè)備數(shù)量和數(shù)據(jù)負(fù)載的限制。軟件采用具有靜態(tài)優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度處理模式,保證了系統(tǒng)內(nèi)實(shí)時性任務(wù)的響應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴：罄m(xù)根據(jù)航天電源的發(fā)展方向,必定需要更加復(fù)雜的信息網(wǎng)絡(luò),軟件需要處理能力更強(qiáng)的CPU平臺。下一代空間站電源軟件可以結(jié)合新型平臺的特點(diǎn)和軟件重構(gòu)技術(shù)繼續(xù)迭代開發(fā),從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)通信和大量數(shù)據(jù)的實(shí)時處理。