??? 摘 要： 以衛星氣浮轉臺實驗為背景，介紹了基于實時嵌入式系統" title="嵌入式系統">嵌入式系統的氣浮轉臺無線測控通信子系統的設計。利用VxWorks操作系統實時性強、多任務" title="多任務">多任務調度的特點，對轉臺上的串口" title="串口">串口數據采集、轉臺上下的無線網絡通信進行了任務化編程。在線測試表明，嵌入式實時操作系統VxWorks可以合理而快速地對各任務進行實時而可靠的管理和調度，嵌入式系統可以出色地完成轉臺無線測控通信任務。
??? 關鍵詞： 氣浮轉臺? 無線網? VxWorks? 嵌入式系統
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??? 在衛星的地面全物理或半物理仿真實驗中，氣浮轉臺作為衛星的運動仿真器，不僅可以模擬衛星的剛性本體，而且要承載轉臺控制系統、測控通信系統等實物部件，所以氣浮轉臺是衛星控制系統物理仿真實驗的核心設備。由于在仿真實驗中需要將轉臺上的各種實驗數據實時下傳到臺下的監控計算機中，并且有時需要臺下的監控計算機上傳必要的遙控指令和數據信息至臺上的控制計算機，因此需要有一套實時性、魯棒性很強的測控系統來完成轉臺上下的通信任務。
??? 當前，嵌入式技術發展迅猛，已經廣泛滲透到科學研究、工程設計、軍事技術以及人們的日常生活中。VxWorks作為一款實時嵌入式操作系統，以其強實時性、高可靠性成為航空航天、軍事國防、通信等領域應用最廣的操作系統之一。而PC104設備采用了緊固堆疊的安裝方式，體積小巧、結構緊湊，特別適合轉臺這種空間有限的應用。本系統針對氣浮轉臺實驗的實際需要，并結合嵌入式系統的特點，最終選取了“VxWorks+PC104”的嵌入式軟硬件搭配方式，完成轉臺數據采集管理、轉臺控制以及臺上的測控終端" title="測控終端">測控終端等實驗任務。
1 硬件實驗環境
?? ?氣浮轉臺測控實驗要完成的中心任務是：將轉臺上的各系統、各設備的遙測數據下傳到地面測控終端中，由地面測控終端進行處理、顯示以及保存。同時，地面測控終端要將轉臺上所需要的數據信息以及一些控制指令上傳到臺上測控終端中。
1.1 臺上實驗環境
??? 轉臺上采用PC104嵌入式計算機作為轉臺主控計算機，選用的型號是數字邏輯公司的CPU卡MSMP5SEV， VxWorks操作系統在此CPU卡上運行。為了能夠采集臺上設備的工程數據，并對臺上的執行部件進行控制，通過PC104總線擴展了一個8COM的串口卡和一個D/A轉換卡。臺上的GPS接收機、光纖陀螺、自制飛輪電機通過串口與PC104串口卡相連，以傳遞GPS授時數據、轉臺轉速以及飛輪轉速等遙測數據。而自制飛輪電機和磁力矩器等執行部件連接到D/A轉換卡上，由D/A卡發出的模擬信號控制執行部件。此外臺上配有多路供電電源，為臺上電子設備供電。
1.2 臺下實驗環境
??? 轉臺下需要一個工業控制計算機作為地面的監控平臺，負責接收轉臺傳來的重要數據，并向臺上傳遞控制命令及必要的實驗數據。需要上傳的數據有模擬衛星的軌道數據和轉臺感應同步器得到的轉臺位置信息。模擬衛星軌道數據可以利用STK軟件得到，而轉臺感應同步器的數據則通過一個自制數據采集板，將并行數據轉換成串行數據輸入到監控計算機中。
1.3 轉臺上下的通信鏈路
??? 由于轉臺在實驗時不斷轉動，很不適合有線通信，所以選用無線局域網作為轉臺上下的數據通信鏈路。臺上使用符合IEEE802.11g協議的無線接入點(Wireless Access Point)作為臺上的測控連接點，通過網線接入到PC104主機。臺下使用USB接口的無線網卡，直接插入到地面監控計算機中。這樣就建立起一個無線點對點的局域網。圖1給出了轉臺實驗環境的總體結構圖。
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2 基于VxWorks的轉臺測控通信端軟件開發
2.1 實時嵌入式操作系統VxWorks
??? VxWorks是美國風河公司(Windriver)為嵌入式系統量身打造的一款實時操作系統。其微秒量級的任務切換和中斷延遲時間，使其成為實時操作系統家族中的佼佼者。經過二十多年市場應用的驗證，VxWorks被認為是高度可靠的操作系統。
??? VxWorks除了強實時性和高可靠性之外，還具備多任務調度的特點。VxWorks中任務的概念類似Windows中的線程，每個明顯單獨運行的程序成為一個任務。每個任務都可以直接訪問或共享大多數資源和內存空間，并擁有自己存放局部變量的棧和存放寄存器、延時定時器、時間片定時器等控制塊。每個任務都擁有自己的任務名、任務ID和優先級。內核根據各任務優先級的高低，進行高優先級搶占式的調度，而對于同等優先級的任務采用輪轉調度策略。VxWorks任務間的同步方式也比較靈活，分別提供了共享內存、管道、信號量、消息隊列等機制。豐富的通信機制和調度方式選擇使VxWorks下的任務編制非常靈活，十分適合在有限時間內同時處理多個事件。
2.2 測控系統軟件設計
??? 測控軟件從功能角度分類可以分為遙測任務和遙控任務兩個部分。遙測任務需要采集、整理轉臺上各設備的工程數據，然后通過網絡發送到地面監控計算機中。遙控任務需要先通過網絡接收到地面監控計算機發送來的數據，然后通過解包、解碼發送給遙控處理任務來執行遙控指令。但從數據的通信類別角度分類，可以分為串口通信和網絡通信兩部分。從編程角度，更傾向于后一種分類來組織軟件的編寫。
2.2.1 串口通信
??? 串口通信的主要任務是采集遙測數據。從圖1可以看出，轉臺上有3路數據要通過串口進行通信，分別是GPS、陀螺和飛輪電機。由于3個設備的數據更新率不同(GPS為1Hz、陀螺為300Hz、飛輪電機為2Hz)，所以對于PC104主機而言，遙測數據的到來具有隨機性。為了能在各路遙測數據到來之際及時做出響應，需要利用VxWorks系統提供的I/O復用機制進行串口數據接收。具體程序代碼如下：
??? if((xxxFd =open(″/tyCo/0″，O_RDWR，0))==ERROR)
??? {
??????? perror(″Error in opening com1!″)；
??????? return(ERROR)；
????}
??? taskSpawn(TNAME_COMXXXRECV，TPRI_COMXXXRECV，0，XXX_STACK_SIZE，(FUNCPTR)xxxRecv，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0)；
??? STATUS xxxRecv(void)
??? {? …
??????? while(1)
?????{
??????? FD_ZERO(&readFds)；
??????? FD_SET(xxxFd，&readFds)；
??????? if(select (width，&readFds，NULL，NULL，NULL)==ERROR)
???????????? return (ERROR)；
??????? if(FD_ISSET(xxxFd,&readFds))
??????? {
?????????????if((recvLen=read(xxxFd，recvBuf，buf_size))==ERROR)
???????????? {
????????????????printf(″ERROR when read XXX!)；
??????????????? return(ERROR)；
???????????? }
???????????? ……
??????? //釋放相應信號量，進行數據處理、遙測數據編碼、下傳數據打包等任務的執行。
????????……
??????}
?????}
????}
??? 首先，需要通過I/O系統API函數open()打開串口，系統為相應的串口分配一個表示該串口的文件標識符xxxFd，然后通過taskSpawn()函數發起串口接收任務。串口接收任務對應的入口函數為xxxRecv()，xxxRecv()函數的函數體是一個死循環，不斷接收串口數據。在死循環的開始處應用I/O復用機制，利用FD_ISSET()函數查看文件描述符集的xxxFd位是否被置位。如果xxxFd所對應的串口有數據到來，底層的驅動程序會將數據傳遞到系統維護的接收環形隊列緩沖內存中，同時將文件描述符集中的xxxFd位置位。當FD_ISSET()函數發現xxxFd位被置位時，則使串口接收任務解除阻塞，開始向下執行，通過read()函數將存放在環形隊列中的數據接收到用戶緩沖區recvBuf[]數組中。如果沒有數據到來，則文件描述符集中的xxxFd位為復位狀態，串口接收任務阻塞。通過使用I/O復用機制，成功地解決了不同數據源更新率不同步的難題。這種機制類似一個軟中斷，真正做到了數據的即到即收。
2.2.2 網絡通信
??? 無線網絡通信擔負著連接轉臺與地面監控計算機的重任。由于PC104主機帶有網卡，而且VxWorks對多任務和BSD Socket具有良好的支持，所以完備的嵌入式軟硬件環境使得無線網絡通信在轉臺測控系統中的應用成為可能。
??? 網絡通信任務是基于BSD Socket的編程，使用的是Server/Client模式。轉臺上的嵌入式主機為服務器(Server)，臺下的監控計算機為客戶端(Client)。BSD Socket通常構造兩種應用類型：面向連接的SOCK_STREAM應用和無連接的SOCK_DGRAM應用。面向連接的應用即基于TCP協議的socket應用，無連接的應用即UDP應用。TCP協議是提供給用戶的一種可靠的全雙工面向連接的協議，而且TCP協議具有正確性檢查機制。在此選用TCP協議進行網絡通信。
??? 基于TCP協議面向連接的Socket應用框架如圖2所示。首先，在服務器端創建Socket，然后調用bind()函數將Socket與一個端點地址綁定，并通過listen()函數偵聽客戶的連接請求，然后調用accept()阻塞任務，等待請求的到來。當客戶端利用connect()連接到服務器的偵聽端口時，服務器與客戶端進行3次握手建立點到點的連接。連接建立完畢以后，就可以調用read()和write()函數進行網絡數據的接收和發送了。
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??? 從圖3可以看出，網絡通信應用程序中建立了兩個緩沖隊列，用來緩沖網絡接收和網絡發送數據。緩沖隊列由鏈表" title="鏈表">鏈表數據結構的動態添加與刪除來實現。為了節省空間，沒有用VxWorks自身提供的雙向鏈表結構，而是用單向鏈表，并用兩個全局指針來記錄鏈表頭尾的首地址，用一個全局變量來記錄鏈表的長度，以省略查找的過程。
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??? 每個鏈表元素為一個結構體struct xxxList，結構體內容包含網絡數據頭指針pTemp和指向下一個元素的指針pNext。全局變量為鏈表頭的指針listHead、指向鏈表尾的指針listRear以及鏈表的長度變量listLen。圖4表示含有n個元素的鏈表結構。
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??? 使用緩沖隊列可以有效地提高通信的可靠性。在沒有緩沖隊列的情況下，雖然實時性極強的VxWorks在絕大多數情況下能夠保證對需要傳遞的數據進行及時的處理，但仍然不能避免數據缺失情況的發生。而如果有一幀關鍵數據丟失，則有可能造成某任務的阻塞。當阻塞時間超時，可能引起Watchdog的啟動，從而中止實驗的進行。而加入緩沖隊列可以使尚未來得及處理的數據得到保護，從而避免了數據的丟失。從另一種角度說，也提高了CPU的利用率。
3 多任務調度測試
??? 由于轉臺上只有一臺嵌入式控制主機，所以臺上各種數據的采集、控制算法的實現、轉臺的自主管理等功能都將由這個嵌入式主機單獨完成。VxWorks強大而靈活的多任務調度管理能力可以協助嵌入式PC104主機完成這些功能。
??? 在轉臺仿真實驗進行過程中，VxWorks操作系統將同時維護二十多個任務。對于用戶來說，要明確各任務的運行狀況就必須了解系統對多個任務調度的情況，從而發現編程時考慮不周的bug。VxWorks的開發環境Tornado為用戶提供了一個動態監視工具WindView，此工具可以在Target端的實時系統運行過程中記錄各個元素之間動態交互的信息，然后在Host端用圖形化的方式直觀地顯示出來。
??? 圖5給出了進行轉臺仿真實驗過程中，用WindView采集到的各任務占用CPU的時序。通過WindView圖可以看出，雖然系統維護的任務很多，而且有的任務被調用或者響應中斷的頻率很高，但由于VxWorks操作系統實時多任務調度的能力很強，所以沒有造成任務的擁堵、死鎖或者饑餓等情況的發生，圓滿地完成了轉臺的仿真實驗。
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參考文獻
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