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PCI5565 PCI-5565 PMC5565 VMIC5565 反射內(nèi)存 反射內(nèi)存卡 GE反射內(nèi)存
1引言
半實(shí)物仿真是評價(jià)反艦導(dǎo)彈抗干擾性能的一種有效技術(shù)手段，在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估的整個(gè)過程中占有重要地位。在導(dǎo)彈半實(shí)物仿真中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用，一方面，在仿真運(yùn)行過程中需要實(shí)時(shí)采集導(dǎo)引頭及各仿真設(shè)備的輸出數(shù)據(jù)用于解算彈道模型，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)仿真另一方面，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過程中，需要豐富、詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)作為支撐，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確、可靠。鑒于導(dǎo)彈半實(shí)物仿真數(shù)據(jù)采集的實(shí)際需求，需要綜合考慮體系結(jié)構(gòu)、軟硬件組成及技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)等多個(gè)方面的因素，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以滿足數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和靈活性要求。本文以主動式雷達(dá)制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)為應(yīng)用背景，分析數(shù)據(jù)采集任務(wù)特點(diǎn)，通過軟硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)性優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，以滿足反艦導(dǎo)彈半實(shí)物仿真的數(shù)據(jù)采集需求。
2實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集任務(wù)分析
2．1數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容
反艦導(dǎo)彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，利用通信網(wǎng)絡(luò)將被試?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭、三軸飛行轉(zhuǎn)臺、射頻環(huán)境模擬器和仿真主機(jī)相連，基于通用計(jì)算機(jī)和通用操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈閉環(huán)仿真，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見圖1。在半實(shí)物仿真中，依據(jù)信息的來源不同，可將待采集的信息分為以下幾類l2I【：被試?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭工作狀態(tài)信息及目標(biāo)檢測信息；三軸飛行轉(zhuǎn)臺角位置反饋信息；射頻環(huán)境模擬器目標(biāo)信號及干擾信號控制信息；模型解算所得彈道及控制信息；以及實(shí)驗(yàn)過程狀態(tài)信息�？梢�，本系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)具有來源分散、形式多樣、實(shí)時(shí)性要求高、記錄內(nèi)容多變等特點(diǎn)。
圖1反艦導(dǎo)彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2．2數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性分析
數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和交互，是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)的必要前提。而在仿真系統(tǒng)中由于實(shí)物(導(dǎo)引頭)的引入，要求仿真的推進(jìn)應(yīng)該與實(shí)時(shí)的外部事件相適應(yīng)…。因此，數(shù)據(jù)的采集與處理應(yīng)該在仿真模型解算要求的時(shí)限內(nèi)完成，從而對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提出了很高的要求。在仿真運(yùn)行過程中，仿真系統(tǒng)在每一個(gè)幀周期內(nèi)需要完成數(shù)據(jù)的采集、處理、交互和保存等工作，于是可將仿真運(yùn)行幀周期大致劃分為六個(gè)部分，如圖2所示。
圖2仿真運(yùn)行幀周期組成圖
在圖2所示的幀周期中，有效工作內(nèi)容包括：以A／D轉(zhuǎn)換為核心的數(shù)據(jù)采集、節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸與交互、數(shù)據(jù)保存等。如果系統(tǒng)采用非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，會因?yàn)槿蝿?wù)調(diào)度及資源分配等因素導(dǎo)致進(jìn)程掛起，形成操作系統(tǒng)打斷時(shí)間。為了彌補(bǔ)操作系統(tǒng)打斷時(shí)間等不確定性，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)時(shí)性需求，一般設(shè)置幀周期稍大于有效工作時(shí)間，形成幀等待時(shí)間。半實(shí)物仿真中的實(shí)時(shí)性問題，可以從快速性、穩(wěn)定性和同步性三個(gè)方面進(jìn)行考慮：
1)在快速性方面，數(shù)據(jù)的采集和傳輸部分可通過高性能硬件提高A／D轉(zhuǎn)換效率，減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間；在數(shù)據(jù)保存部分，寫人數(shù)據(jù)庫一般耗時(shí)較多，需要在軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高數(shù)據(jù)保存效率。
2)數(shù)據(jù)采集時(shí)間的穩(wěn)定性，主要是指數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲過程所用時(shí)間的穩(wěn)定性。在本系統(tǒng)中，由于采用通用計(jì)算機(jī)平臺和非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(WindowsNT)，必然帶來操作系統(tǒng)打斷問題，影響數(shù)據(jù)采集時(shí)間的穩(wěn)定性。
3)數(shù)據(jù)采集的同步性，是指各仿真節(jié)點(diǎn)所采集數(shù)據(jù)在時(shí)間上的一致性。導(dǎo)彈半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)采用固定幀周期控制，為數(shù)據(jù)采集的同步性提供了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。針對系統(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)特征，分解數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并可通過幀周期內(nèi)部的時(shí)間片劃分可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的數(shù)據(jù)采集。
3系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3．1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
導(dǎo)彈半實(shí)物仿真按工作時(shí)序可劃分為實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、仿真運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)后結(jié)果分析三個(gè)階段，在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)后結(jié)果分析兩個(gè)階段，要求數(shù)據(jù)交互形式靈活，但實(shí)時(shí)性要求較低；在仿真運(yùn)行階段，數(shù)據(jù)交互內(nèi)容可事先確定，但需要嚴(yán)格按照系統(tǒng)工作幀周期進(jìn)行，對實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格。鑒于此，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)網(wǎng)，以太網(wǎng)用于實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)后結(jié)果分析兩個(gè)非實(shí)時(shí)工作階段，滿足數(shù)據(jù)傳輸靈活的需求；實(shí)時(shí)網(wǎng)用于仿真運(yùn)行階段，滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?qiáng)實(shí)時(shí)要求。系統(tǒng)其它硬件主要包括：數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集上位機(jī)及I／O接口子系統(tǒng)，其中，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲及管理的平臺；數(shù)據(jù)采集上位機(jī)通過I／O接口子系統(tǒng)與導(dǎo)引頭進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)交互，系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。
圖3采集系統(tǒng)硬件組成示意圖
3．2硬件選型
為滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性指標(biāo)要求，選取系統(tǒng)主要硬件配置如下：
1)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集上位機(jī)均采用工控機(jī)，其CPU為PD一3．2G，內(nèi)存為DDR2—1G，和160G硬盤存儲器高配置工控機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力可以有效縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間提高數(shù)據(jù)采集的快速性。
2)I／O接口子系統(tǒng)利用32路D／A、32路A／D高速接口進(jìn)行模擬量處理，32路DI、32路DO高速接口進(jìn)行開關(guān)量處理，8路串行接口進(jìn)行數(shù)字量傳輸。其中，模擬量采集通過
l2位的ADS7805完成，其A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過lO微秒，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的快速采集。
3)實(shí)時(shí)網(wǎng)由美國VMIC公司生產(chǎn)的5565系列反射內(nèi)存卡組成。利用該反射內(nèi)存卡加上光纖傳輸介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)174M字節(jié)／秒的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲不超過400納秒，使得網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間主要取決于共享內(nèi)存讀寫時(shí)間，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩浴?/span>
4數(shù)據(jù)采集流程設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中，物理設(shè)備的分布式特征決定了數(shù)據(jù)采集任務(wù)的分布實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)的時(shí)間一致性、管理使用的復(fù)雜性又要求集中、統(tǒng)一的綜合數(shù)據(jù)管理。因此，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上呈現(xiàn)分布采集與集中管理相結(jié)合的特征。基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源分散特征，可將數(shù)據(jù)采集任務(wù)分解為各仿真節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的數(shù)據(jù)存儲兩個(gè)部分，采集數(shù)據(jù)通過反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)送至數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。為保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，在流程主要進(jìn)行了以下優(yōu)化設(shè)計(jì)：
1)利用反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)精確的幀同步。
VMIC反射內(nèi)存卡支持多個(gè)中斷事件，利用中斷事件可以實(shí)現(xiàn)快速的節(jié)點(diǎn)通信，推進(jìn)各仿真節(jié)點(diǎn)按幀周期同步運(yùn)行，有效保證采集數(shù)據(jù)的時(shí)問一致性。
2)通過時(shí)間片劃分避免讀寫沖突。由于反射內(nèi)存機(jī)制的特殊性，不同仿真節(jié)點(diǎn)有可能同時(shí)對同一地址進(jìn)行操作，發(fā)生讀寫沖突。為了避免讀寫沖突問題，在統(tǒng)一幀周期的基礎(chǔ)上進(jìn)行時(shí)間片劃分：在同一幀周期內(nèi)部，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的節(jié)點(diǎn)先進(jìn)行自身的運(yùn)算處理，在幀周期后半部分采集數(shù)據(jù)并寫入反射內(nèi)存網(wǎng)；負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲的節(jié)點(diǎn)則在幀周期前半部分讀取實(shí)時(shí)網(wǎng)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行存儲。通過這種時(shí)間片劃分機(jī)制，可以避免讀寫沖突，而且不會影響各仿真節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行效率。
3)實(shí)驗(yàn)后數(shù)據(jù)入庫，提高仿真運(yùn)行實(shí)時(shí)性。對于數(shù)據(jù)存儲節(jié)點(diǎn)，相對于仿真運(yùn)行幀周期，寫入數(shù)據(jù)庫花費(fèi)時(shí)間較長；同時(shí)，數(shù)據(jù)記錄長度的靈活多變也給數(shù)據(jù)入庫時(shí)間帶來了不確定性。為了保證在幀周期內(nèi)完整記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用如下方法：數(shù)據(jù)存儲節(jié)點(diǎn)首先開辟一塊較大內(nèi)存區(qū)；然后在仿真運(yùn)行幀周期內(nèi)，讀取實(shí)時(shí)網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過內(nèi)存拷貝記錄到已開辟內(nèi)存區(qū)內(nèi)；仿真運(yùn)行結(jié)束后，將內(nèi)存區(qū)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。
通過以上技術(shù)措施，形成優(yōu)化后的數(shù)據(jù)采集流程如圖4。
5通用操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性優(yōu)化設(shè)計(jì)
圖4優(yōu)化的實(shí)時(shí)采集流程圖
為提高系統(tǒng)通用性和可擴(kuò)展性，本系統(tǒng)采用了通用計(jì)算機(jī)平臺和WindowsNT操作系統(tǒng)。通常情況下，作為非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，WindowsNT在任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理等機(jī)制上難以滿足導(dǎo)彈半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)性需求。為完成嚴(yán)格的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中，主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：
5．1中斷管理
在WindowsNT操作系統(tǒng)中，中斷主要由I／O設(shè)備、處理器時(shí)鐘或定時(shí)器產(chǎn)生，可以被啟用(打開)或禁用(關(guān)閉)。WindowsNT采用基于優(yōu)先級可搶先的中斷管理機(jī)制，通過“中斷請求級”(IRQL)可以將中斷源按優(yōu)先級排序，較高優(yōu)先級的中斷可搶先較低優(yōu)先級中斷得到服務(wù)l5J。在默認(rèn)狀態(tài)下，WindowsNT的外部中斷大部分都是開啟的，而且其優(yōu)先級高于任何用戶進(jìn)程。因此，對于實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場合，需要屏蔽非必要的外部中斷，保證實(shí)時(shí)進(jìn)程對CPU資源的優(yōu)先使用權(quán)。
每個(gè)處理器都有一個(gè)IRQL設(shè)置，其值決定了處理器可以接收哪些中斷。在WindowsNT系統(tǒng)中，核心態(tài)線程可以通過內(nèi)核函數(shù)KeRaiseIrql()提高它所使用的處理器的IRQL優(yōu)先級，從而可以封鎖所有等于或低于此IRQL的中斷，確保正在服務(wù)于該中斷的的處理器不會被同級或較低級的中斷搶先。被屏蔽的中斷將被另一個(gè)處理器處理或阻擋，直到IRQL降低。在本系統(tǒng)中，通過核心態(tài)的設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)置處理器IRQL優(yōu)先級來屏蔽非必要中斷，保證相應(yīng)服務(wù)的實(shí)時(shí)性。
5．2優(yōu)先級控制
通過中斷管理可以屏蔽非必要中斷，在一定程度上減少了操作系統(tǒng)的不確定性；但WindowsNT是搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)，采用基于優(yōu)先級的搶先式調(diào)度策略，從而給線程的執(zhí)行帶來了不可預(yù)測性，因此有必要進(jìn)行優(yōu)先級控制。在操作系統(tǒng)內(nèi)部，WindowsNT使用32個(gè)線程優(yōu)先級，范圍從0到31。依據(jù)Win32API觀點(diǎn)，Win32API首先依據(jù)在創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)分配的優(yōu)先級等級(實(shí)時(shí)級、高級、中級或空閑級)組織進(jìn)程，然后依據(jù)進(jìn)程中各個(gè)線程的相對優(yōu)先級(時(shí)間緊要級、最高級、中上級、中級、中下級、最低級和空閑級)組織線程。WindowsNT以線程為單位進(jìn)行調(diào)度，而不考慮給予調(diào)度的線程屬于哪個(gè)進(jìn)程。
在本系統(tǒng)中，通過win32函數(shù)SetPriorityClass()和SetThreadPriority()設(shè)置線程優(yōu)先級為時(shí)間關(guān)鍵級J，在系統(tǒng)調(diào)度意義上保證數(shù)據(jù)讀寫的實(shí)時(shí)性。
5．3虛擬內(nèi)存管理
WindowsNT采用基于平面32位地址空間的虛擬內(nèi)存系統(tǒng)，頁面的換入／換出會影響實(shí)時(shí)系統(tǒng)的可預(yù)測性�？紤]到實(shí)時(shí)應(yīng)用需求，WindowsNT通過以下措施減小影響：實(shí)時(shí)優(yōu)先級線程不采用內(nèi)存交換，不受換頁影響；NT允許應(yīng)用程序把自己鎖到內(nèi)存(使用VirtualLock()API)，免受換頁的影響。
因此，在本系統(tǒng)中，通過頁面鎖定方法將關(guān)鍵頁面鎖定到內(nèi)存中，不被交換出內(nèi)存。Win32API函數(shù)VirtualLock()可將VirtualAlloc()指定的內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行鎖定；當(dāng)不在需要鎖定時(shí)，通過VirtualUnlock()進(jìn)行解鎖，最后通過VirrualFree()進(jìn)行釋放。
6仿真結(jié)果分析
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)如下條件開展數(shù)字仿真：
1)利用一個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成數(shù)據(jù)存儲；
2)為統(tǒng)計(jì)實(shí)際的數(shù)據(jù)采集時(shí)間，仿真以幀同步方式推進(jìn)。即完成一次數(shù)據(jù)采集之后，通過中斷事件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間通信，進(jìn)入下一幀；
3)每個(gè)幀周期采集數(shù)據(jù)量為30個(gè)double型數(shù)據(jù)，采集次數(shù)為30萬次；
4)仿真運(yùn)行中，在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上運(yùn)行其它程序作為干擾因素，考察數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。設(shè)置計(jì)時(shí)區(qū)間為實(shí)時(shí)網(wǎng)寫入數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸、讀取實(shí)時(shí)網(wǎng)數(shù)據(jù)和內(nèi)存拷貝的總時(shí)間，開展仿真試驗(yàn)，得結(jié)果如圖5所示。
圖5數(shù)據(jù)采集時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖
由圖5可知，在同時(shí)運(yùn)行其它程序的干擾條件下，一次數(shù)據(jù)采集時(shí)間不超過100微秒，均方差為1．17微秒，表明該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲。
另外，在相同條件下屏蔽針對操作系統(tǒng)的優(yōu)化程序，發(fā)現(xiàn)一次數(shù)據(jù)采集時(shí)間最大可達(dá)4．5毫秒，超過了系統(tǒng)幀周期要求，從而驗(yàn)證了通用操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。
7結(jié)束語
通過針對性的系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集工作流程，以及通用操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性優(yōu)化設(shè)計(jì)等步驟，實(shí)現(xiàn)了功能完備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)踐應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠適應(yīng)半實(shí)物仿真嚴(yán)格的幀周期控制，且運(yùn)行性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)丟幀或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤現(xiàn)象，滿足了反艦導(dǎo)彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與管理需求。
應(yīng)用通用計(jì)算機(jī)平臺和成熟的反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品構(gòu)建
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以有效利用電子、信息技術(shù)的最新成果，方便系統(tǒng)的升級和改造，本文的設(shè)計(jì)思想也可為類似系統(tǒng)建設(shè)提供一定的參考和借鑒。
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