作者：李鵬 上官瑞春 曹磊 相朋舉 

（北京泛華恒興科技有限公司，北京 100192 ） 

引言

航天測(cè)控設(shè)備經(jīng)常工作在強(qiáng)振動(dòng)、高噪音、粉塵多，溫度變化大的惡劣環(huán)境中。因此，其內(nèi)部電子設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信要求通過嚴(yán)格的故障檢測(cè)，以達(dá)到較高的可靠性、殘存性和容錯(cuò)能力。在實(shí)時(shí)性方面，動(dòng)力系統(tǒng)一體化控制要分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器進(jìn)行控制，二者之間的數(shù)據(jù)通信要求一條消息的最大響應(yīng)時(shí)間一般極短，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的實(shí)時(shí)控制，從而提高整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的綜合性能。此外，還有一些對(duì)數(shù)據(jù)通信的特殊要求，如協(xié)議簡(jiǎn)單性、短幀信息傳輸、信息交換的頻繁性、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的穩(wěn)定性、高安全性和性價(jià)比高等。 

為此，本文提出了一種基于PXI總線和1553B總線的高精度同步測(cè)控技術(shù)，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)總線通信與模擬信號(hào)發(fā)送、采集同步啟動(dòng)，同時(shí)提供了某型動(dòng)力系統(tǒng)一體化設(shè)備高可靠性和實(shí)時(shí)性測(cè)控解決方案。 

1 系統(tǒng)總體方案 
整體系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如下圖所示 
圖 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)基于1553B總線通信模塊和PXI總線模擬信號(hào)輸入輸出測(cè)試設(shè)備，用于某型動(dòng)力設(shè)備的控制與反饋測(cè)試的研究性實(shí)驗(yàn)。測(cè)試項(xiàng)目主要包括零位檢測(cè)、極性檢測(cè)、位置特性測(cè)試、暫態(tài)特性測(cè)試、頻率特性測(cè)試。各項(xiàng)測(cè)試都需要1553B總線通信與模擬輸出輸入控制同步開始。系統(tǒng)具備模擬信號(hào)接口和1553B總線接口，利用 1553B總線發(fā)送周期指令信號(hào)及數(shù)據(jù)信號(hào)，同時(shí)接收遙測(cè)信號(hào)以及命令反饋信號(hào)；通過模擬信號(hào)向被測(cè)組件發(fā)送控制調(diào)節(jié)指令信號(hào)，同時(shí)接收位置反饋信號(hào)以及其他模擬信號(hào)，并且可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及性能測(cè)試。 

整體系統(tǒng)功能模塊框圖設(shè)計(jì)如下圖所示。 

圖 2系統(tǒng)功能模塊框圖 
該系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分： 
（1）上位機(jī)運(yùn)行于WINDOWS系統(tǒng)下，主要功能：

• 人機(jī)交互
• 測(cè)試項(xiàng)管理
• 波形文件編輯
• 數(shù)據(jù)顯示、保存
• 總線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)
• 離線數(shù)據(jù)算法分析（位置特性、暫態(tài)特性、頻率特性）

（2）下位機(jī)建立在基于PXI的硬件平臺(tái)上，運(yùn)行于Real-time操作系統(tǒng)下，主要功能：

• 測(cè)試項(xiàng)加載
• 測(cè)試任務(wù)分配
• 物理測(cè)試資源配置
• 1553B模塊和CAN模塊離散通信指令下發(fā)
• 1553B模塊硬件定時(shí)連續(xù)數(shù)據(jù)通信
• 1553B總線通信與DAQ模塊同步觸發(fā)
• 錯(cuò)誤處理與記錄

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 
2.1 1553B總線功能模塊設(shè)計(jì) 
2.1.1 硬件定時(shí)與數(shù)據(jù)無(wú)縫加載 
1553B硬件定時(shí)數(shù)據(jù)通信，通過Transfer Scheduler模塊設(shè)計(jì)，系統(tǒng)Minor Frame Time為1ms。即1ms硬件定時(shí)時(shí)間內(nèi)，完成1553B總線的BC-RT以及RT-BC通信。硬件定時(shí)誤差±1μs。 

圖 3 Transfer Scheduler模塊 
數(shù)據(jù)通信過程中，硬件定時(shí)1ms完成一次1553B總線的數(shù)據(jù)傳遞，那么準(zhǔn)確有效的加載發(fā)射數(shù)據(jù)尤為關(guān)鍵。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了深度為256的Buffer空間（大小為32*256），初始化時(shí)寫滿啟動(dòng)數(shù)據(jù)， Message開始計(jì)數(shù)，對(duì)應(yīng)從Buffer索引0或者Buffer索引16*256的位置寫入32*128個(gè)數(shù)據(jù)；如此反復(fù)切換寫入直至數(shù)據(jù)全部發(fā)送完成，從而實(shí)現(xiàn)了1553B數(shù)據(jù)無(wú)縫加載。其程序流程算法如下圖所示。 

圖 4數(shù)據(jù)無(wú)縫加載算法流程圖 
2.1.2 同步觸發(fā)DAQ數(shù)據(jù)采集模塊 
通過Acyclic Transfers模塊設(shè)計(jì)了Strobe觸發(fā)幀，通過PXI總線背板的PXI_Trigger接口將觸發(fā)信號(hào)路由至DAQ模塊觸發(fā)源接口，利用“DAQ開始觸發(fā)”配置，實(shí)現(xiàn)了1553B總線通信數(shù)據(jù)與DAQ數(shù)據(jù)發(fā)射/采集同步進(jìn)行的功能，同步精度±80μs。 

圖 5 Strobe觸發(fā)幀 
如下圖所示，利用1553B的異步幀，發(fā)送1553B Start trigger至PXI背板PXI_Trigger，觸發(fā)模擬信號(hào)發(fā)送。關(guān)于80μs延遲，由信號(hào)切換、路由時(shí)間以及模擬信號(hào)模塊D/A轉(zhuǎn)換速率等多方面因素影響，可以通過專用的模擬信號(hào)同步模塊進(jìn)一步提升系統(tǒng)整體的同步精度。 

圖 6 1553B觸發(fā)同步開始 
2.2 Real-Time操作系統(tǒng)下數(shù)據(jù)緩沖設(shè)計(jì) 
為了避免同一個(gè)數(shù)據(jù)文件讀取多次，降低Real-Time 操作系統(tǒng)下內(nèi)存、CPU 使用率以及硬件操作，設(shè)計(jì)了PingPangFIFO數(shù)據(jù)緩沖機(jī)制，其實(shí)現(xiàn)原理如下圖所示： 

圖 7 PingPangFIFO數(shù)據(jù)緩沖機(jī)制 
 每個(gè)文件數(shù)據(jù)讀入到LaunchingFIFO 中后，其鏡像的BufferingFIFO 也會(huì)備份同樣的數(shù)據(jù)， 由此兩個(gè)FIFO 通過PingPang 緩沖的機(jī)制，循環(huán)對(duì)外輸出一份完整的文件數(shù)據(jù)到硬件發(fā)射板卡上DA，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了同一個(gè)數(shù)據(jù)文件定時(shí)循環(huán)多次發(fā)射，而不必反復(fù)執(zhí)行文件IO 的操作，有效提高了系統(tǒng)的可靠性，延長(zhǎng)了硬盤使用壽命，降低了CPU 使用率。 
該技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于每個(gè)發(fā)射文件只需要讀取一次即可；只要內(nèi)存允許，可以完成上百兆數(shù)據(jù)大小的發(fā)射；避免反復(fù)進(jìn)行硬件配置操作；保證了多次反復(fù)發(fā)射之間數(shù)據(jù)和時(shí)間上的嚴(yán)格連續(xù)。 
2.3 系統(tǒng)容錯(cuò)處理與故障恢復(fù)設(shè)計(jì) 
考慮到整體系統(tǒng)的高可靠性要求，基于Real-Time操作系統(tǒng)下設(shè)計(jì)了系統(tǒng)容錯(cuò)處理與故障恢復(fù)機(jī)制。根據(jù)系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)類型的不同，設(shè)定對(duì)應(yīng)的容錯(cuò)等級(jí)。如系統(tǒng)的某塊PXI板卡驅(qū)動(dòng)報(bào)錯(cuò)，則系統(tǒng)先重置該線程，之后重置板卡獲取對(duì)應(yīng)的反饋信息做相應(yīng)的容錯(cuò)處理并單獨(dú)設(shè)定線程做故障記錄，以便于后期檢修和維護(hù)。 另外在系統(tǒng)軟件關(guān)鍵線程上添加看門狗，用來(lái)監(jiān)控核心線程實(shí)時(shí)情況，在必要時(shí)啟動(dòng)看門狗以重新板卡和系統(tǒng)，恢復(fù)初始狀態(tài)，從而在不影響系統(tǒng)功能情況下根據(jù)系統(tǒng)時(shí)間自動(dòng)加載新的任務(wù)，使得操作人員不必實(shí)時(shí)監(jiān)控與維護(hù)系統(tǒng)，提高了設(shè)備智能化程度。 
3 測(cè)試結(jié)果與分析 
經(jīng)過多次反復(fù)測(cè)試，由下圖可見該系統(tǒng)完成了通信幀時(shí)間1ms硬件定時(shí)，誤差±1μs。 

圖 8 總線監(jiān)視器 
1553B異步Strobe觸發(fā)幀，實(shí)現(xiàn)了1553B總線通信與DAQ模擬數(shù)據(jù)發(fā)射、采集同步開始，同步誤差80μs，可以通過專用的模擬信號(hào)同步模塊進(jìn)一步提升系統(tǒng)整體的同步精度。測(cè)試結(jié)果如下圖所示。 

圖 9 同步信號(hào)數(shù)據(jù)分析 
4 結(jié)論 
綜上所述，本文提出的基于PXI總線和1553B總線的測(cè)控技術(shù)，1553B總線的命令/響應(yīng)的協(xié)議方式保證了實(shí)時(shí)的可確定性，合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得1553B總線成為分布式設(shè)備的理想連接方式。該系統(tǒng)完成了通信幀時(shí)間1ms硬件定時(shí)，誤差±1μs；同時(shí)通過1553B異步Strobe觸發(fā)幀，實(shí)現(xiàn)了1553B總線通信與DAQ模擬數(shù)據(jù)發(fā)射、采集同步開始，同步誤差正負(fù)80μs；同時(shí)實(shí)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)提高了系統(tǒng)使用效率，降低了內(nèi)存與CPU的消耗，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)容錯(cuò)與故障恢復(fù)，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，且易于操作及擴(kuò)展。目前該系統(tǒng)設(shè)備已投入實(shí)際使用中，運(yùn)行良好。