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飛控系統(tǒng)半物理仿真平臺通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建論文
1、前言
飛控系統(tǒng)半物理仿真是型號研制和試驗過程中的一個重要環(huán)節(jié)，飛控系統(tǒng)作為一種強實時性的系統(tǒng)，其半實物仿真是時間約束非常強的過程，其計算、數(shù)據(jù)通訊和關(guān)鍵信號的處理如果出現(xiàn)超時將可能導(dǎo)致整個仿真實驗的失敗。因此，實時算法和通訊技術(shù)的研究是半實物仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。
隨著計算機技術(shù)和通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，仿真主機的速度大大提高，為飛行器非線性動力學(xué)方程的高速、高精度求解提供了條件;其次，采用實時網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，可以實現(xiàn)兩結(jié)點數(shù)據(jù)傳輸時延遲為納秒級或微秒級。
2、仿真平臺構(gòu)建
為保證飛控系統(tǒng)半物理仿真平臺的可擴展性，系統(tǒng)構(gòu)建時引入分布式布局的思想，不同于傳統(tǒng)一對一的宿主機-目標(biāo)機模式，設(shè)計一對多的分布式模式�；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。采用RTW-xPC作為實時仿真的框架(仿真主計算機-仿真目標(biāo)計算機模式)，子任務(wù)被分布在系統(tǒng)的各個成員上，成員之間通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起，通過各子任務(wù)并發(fā)運行來提高解算速度，滿足實時應(yīng)用的要求。
飛控計算機一般每10ms讀取一幀數(shù)據(jù)，這要求飛控仿真系統(tǒng)的仿真周期遠小于10ms。最初的設(shè)計是通過以太網(wǎng)絡(luò)完成計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸，但是難以保證該飛控仿真系統(tǒng)強實時性的要求。以任一仿真目標(biāo)機為例，若每毫秒產(chǎn)生1000個數(shù)據(jù)，按每數(shù)據(jù)大小4字節(jié)計算，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)上的時間延遲32ms，無法滿足系統(tǒng)實時性要求。反射內(nèi)存網(wǎng)具有可高達170MB/s的數(shù)據(jù)傳輸率，在反射內(nèi)存網(wǎng)上傳輸?shù)臅r間延遲為24us，遠低于1ms的要求。
圖1 仿真平臺基本結(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)合的方法進行通訊。系統(tǒng)中對實時性要求不高的部分采用普通的以太網(wǎng)絡(luò)傳輸;系統(tǒng)中實時性要求較高的部分采用反射內(nèi)存網(wǎng)搭建。以太網(wǎng)卡實現(xiàn)計算機與局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)之間的物理連接和電信號匹配，主要針對飛控系統(tǒng)仿真過程中仿真主機-仿真目標(biāo)機的網(wǎng)絡(luò)通訊檢測，以及實時仿真過程中接受控制信號和發(fā)送各種控制命令信號。反射內(nèi)存網(wǎng)作為一種快速的實時網(wǎng)絡(luò)，用來實現(xiàn)仿真目標(biāo)計算機和信號轉(zhuǎn)換計算機的數(shù)據(jù)交互。這樣做的好處是既可以保證系統(tǒng)實時性要求，又能夠節(jié)省建設(shè)費用，減少系統(tǒng)復(fù)雜度。
3、實時網(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)采用了先進特殊的技術(shù)，具備很強的支持分布實時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力。在每個需要實時通訊的節(jié)點上插入反射內(nèi)存網(wǎng)卡(節(jié)點卡)，反射內(nèi)存卡上有一塊專門的存儲器，并且它們都映射在同一個地址空間，構(gòu)成了分布式共享存儲器。用戶可以在分布式共享存儲器中定義多個全局公用的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。當(dāng)某個節(jié)點的處理器對存儲器進行了“寫”操作，接口板將修改的數(shù)據(jù)通過光纖自動實時的寫到另一節(jié)點的對應(yīng)存儲器中，這樣，另一節(jié)點的用戶只需讀取本地接口板上的相應(yīng)的存儲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/寫操作延時為納秒級，能夠大大降低總的網(wǎng)絡(luò)延時，減小仿真周期，滿足系統(tǒng)的實時性要求。在反射內(nèi)存網(wǎng)上，節(jié)點之間的通訊對軟件是透明的。用戶不需采用消息傳遞方式進行節(jié)點間的通訊，只需在本機系統(tǒng)中對共享存儲器進行直接讀寫操作就可實現(xiàn)多機之間的通訊，大大簡化了應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，減少了用戶的編程負擔(dān)，能準(zhǔn)確地算出節(jié)點之間通訊的最大延遲時間。
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，高速復(fù)制的共享內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)。它支持不同總線結(jié)構(gòu)的多計算機系統(tǒng)，并且可以使用不同的操作系統(tǒng)來共享高速的、穩(wěn)定速率的實時數(shù)據(jù)。
VMIPCI-5565反射內(nèi)存卡可以不通過HUB直接構(gòu)成環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)的連接，也可以通過HUB構(gòu)成星型拓撲結(jié)構(gòu)的連接，每個結(jié)點的TX接口同下一個結(jié)點的RX接口交叉連接。這種環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)的連接可靠性不如星型拓撲結(jié)構(gòu)的連接，因為環(huán)網(wǎng)中任一個節(jié)點出現(xiàn)故障會造成整個實時網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接中斷，而星型拓撲結(jié)構(gòu)下不存在這樣的問題，考慮到平臺節(jié)點較多，故采用星型拓撲結(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之間通過兩條光纖進行數(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，需要對每塊反射內(nèi)存卡進行統(tǒng)一編址，不同計算機擴展槽內(nèi)的VMIPCI-5565板卡必須具有不同的地址，此地址的分配是通過板卡上的跳線來選擇的。地址跳線總共有8條，通過這8條地址跳線可以選擇0～255總共256個地址范圍。
建立反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的通訊設(shè)計，在WindowsXP系統(tǒng)下安裝反射內(nèi)存卡驅(qū)動程序，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控件中添加時鐘控件，利用時鐘周期性(周期可設(shè)置)工作的原理，在時鐘控件下進行程序設(shè)計，實時的通過反射內(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)在時鐘控件中通過執(zhí)行函數(shù)語句RFM2gRead(RFM2GHANDLE rh，RFM2G_UINT32 Offset，void *Buffer，RFM2G_UINT32 Length)從卡地址讀取指定長度的數(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)達到數(shù)據(jù)共享，只需執(zhí)行函數(shù)語句RFM2gWrite(RFM2GHANDLE rh，RFM2G_UINT32 Offset，void *Buffer，RFM2G_UINT32 Length)即可;
e)數(shù)據(jù)校驗：當(dāng)通過反射內(nèi)存網(wǎng)接收實時數(shù)據(jù)時，對每個節(jié)點的參數(shù)變量值進行求和方法計算，將得到和值與接收到的校驗和信號值進行比較，如果兩個值差值的絕對值小于10-4，則認為數(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，在此不對其概念做詳細說明。建立以太網(wǎng)的通訊設(shè)計，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)計中設(shè)置IdUDPClient需要請求連接目標(biāo)機的地址和端口，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)計上實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊了。
c)IdIcmpClient主要是在網(wǎng)絡(luò)通訊檢測中用到。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行網(wǎng)絡(luò)連通性檢測判斷。
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。該半實物仿真平臺經(jīng)使用驗證，具有通信實時性好，數(shù)據(jù)傳輸速度快，傳輸可靠性高的特點，滿足實時仿真需要，取得了良好的效果，被實踐證明是一種成熟、有效的方法。
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