張健楠

(中國兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065)

?

RTX實時系統(tǒng)在半實物仿真中的應(yīng)用

張健楠

(中國兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065)

文中介紹了一種應(yīng)用于紅外制導體制半實物仿真系統(tǒng)中的通信接口設(shè)計方法，此方法針對以往采用的Windows系統(tǒng)通信不夠?qū)崟r、定時不夠穩(wěn)定等缺點，提出了一種基于Windows+RTX的仿真應(yīng)用架構(gòu)，通過增加RTX實時擴展子系統(tǒng)，使得仿真系統(tǒng)的實時性和開發(fā)效率得到了大幅提高；探討了在半實物仿真中開發(fā)的要點，給出了一種通用的開發(fā)模式及流程，設(shè)計了共享內(nèi)存及任務(wù)調(diào)度的編寫算法共享內(nèi)存機制的建立，保證了上位機MFC界面與下位機實時通信模塊之間的協(xié)同工作；經(jīng)試驗測定，該系統(tǒng)應(yīng)用在紅外制導仿真系統(tǒng)回路中具有實時性高、靈活性好、穩(wěn)定可靠等特點，同時降低了半實物仿真系統(tǒng)的復(fù)雜度。

半實物仿真；實時系統(tǒng)；RTX；進程調(diào)度

0 引言

半實物仿真又稱為物理-數(shù)學仿真，準確稱謂是硬件(實物)在回路中(hardware in the loop)的仿真[1]。它以數(shù)學模型的方式來表征系統(tǒng)的部分功能，并將其轉(zhuǎn)換為仿真計算模型，而仿真回路所需的另一部分則是以實物(或物理模型)的方式引入的。

對于半實物仿真系統(tǒng)，由于實際對象和物理效應(yīng)模擬設(shè)備實物的接入，要求系統(tǒng)實現(xiàn)實時控制，以更真實地仿真實際系統(tǒng)的工作特性。所以，實時性的要求對于半實物仿真系統(tǒng)來說就顯得十分重要。實時性是一個相對的概念，即計算機運算、監(jiān)測和控制事件的產(chǎn)生能夠滿足被控對象對相關(guān)事件時延特性要求的性能。實時并不是“快”的意思，它指的是系統(tǒng)的時間響應(yīng)特性。實時性的衡量標準是最壞情況下的響應(yīng)特性而不是系統(tǒng)的平均相應(yīng)時間特性。

本文正是基于以上背景，對應(yīng)用在紅外制導體制半實物仿真試驗系統(tǒng)中的Windows+RTX實時通信模塊進行了研究。首先對該系統(tǒng)的架構(gòu)和工作原理進行了系統(tǒng)描述；其次對半實物仿真中實時通信軟件的開發(fā)方法進行了探討；最后對該系統(tǒng)在實際的半實物仿真試驗系統(tǒng)中的應(yīng)用給出了數(shù)據(jù)分析和結(jié)論。

1 RTX架構(gòu)及實時原理

RTX被實現(xiàn)為一套靜態(tài)庫和動態(tài)庫的集合，RTSS作為RTX采用HAL擴展技術(shù)為Windows系統(tǒng)安裝的實時子系統(tǒng)，通過一套實時API實現(xiàn)了系統(tǒng)對實時對象的擴展和調(diào)度[1]。同時，HAL通過在Windows XP和RTX線程之間增加中斷隔離，以保證在運行RTSS線程時，屏蔽所有Windows系統(tǒng)的控制中斷，保證Windows下RTSS線程的實時性。

系統(tǒng)中對內(nèi)存、IRQ、I/O的精確控制都可以通過RTX來實現(xiàn)，這樣就確保了實時任務(wù)執(zhí)行時具有100%的可靠性。RTX支持30 KHz的持續(xù)中斷觸發(fā)速度，平均IST延遲小于1 μs。

RTX中動態(tài)庫與靜態(tài)庫中的函數(shù)均以Rt開頭，用戶進入RTSS的方法是對庫函數(shù)進行調(diào)用，且Win32也可以調(diào)用這些庫函數(shù)[2]，如圖1。RTSS擁有其獨立的進程間通訊、中斷、時鐘、IO管理、進程線程管理機制，這一點和其它的實時系統(tǒng)是一致的。RTSS線程優(yōu)先級個數(shù)為128個，見表1。RTX與Windows之間的數(shù)據(jù)通信是通過應(yīng)用高速的IPC信息和同步機制來完成的。RTX的時鐘分辨率可以達到100 ns，這使得它的最小定時器周期可以做到100 μs，滿足多數(shù)情況下的需要。

表1 RTSS與Win32線程優(yōu)先級比對表

圖1 RTX對Win32的擴展架構(gòu)

2 半實物仿真實時通信軟件的開發(fā)方法

2.1 半實物仿真軟件設(shè)計流程

RTX支持標準的Windows編程開發(fā)環(huán)境，半實物仿真軟件的設(shè)計框圖如圖2所示。利用向?qū)?chuàng)建標準RTX工程和MFC工程，Windows系統(tǒng)下的MFC工程負責人機交互等功能的實現(xiàn)，完成上位機的功能；而RTX工程則負責實時通信，包括采集部件的數(shù)據(jù)，并實時輸出等，完成下位機的功能。上、下位機之間信息的交互是通過RTX線程的調(diào)度及共享內(nèi)存機制完成的。

圖2 半實物仿真軟件設(shè)計框圖

2.2 MFC界面設(shè)計

半實物仿真軟件除了要完成實時通信的功能，良好的操作界面也是必不可少的。MFC模塊主要完成了Windows下的操作界面的設(shè)計，功能主要包括對導引頭光軸、波門的控制，對導引頭鎖定、解鎖的操作，仿真條件的設(shè)置，對彈上計算機擊發(fā)等指令的發(fā)出，采集舵機及彈上計算機的模擬指令信號，采集導引頭框架角及視線角速度信號并在MFC界面中實時圖形顯示。而RTSS進程是在MFC程序初始化過程中開啟的，并通過共享內(nèi)存在實時模塊與非實時模塊之間傳遞仿真初始化參數(shù)。

2.3 RTSS實時通信設(shè)計

RTSS實時通信模塊在MFC模塊初始化即啟動，并讀取共享內(nèi)存中的仿真初始條件設(shè)置，然后啟動Timer定時模塊完成精確的1 ms定時，并在一個定時周期內(nèi)，讀取上位機的指令，完成各部件數(shù)據(jù)的采集，并實時輸出給仿真機進行彈道解算。

在這一模塊中，實時數(shù)據(jù)的采集，RTX環(huán)境下板卡驅(qū)動的編寫以及試驗過程中的軟保護是設(shè)計的重點。

2.4 Windows與RTSS之間的交互設(shè)計

共享內(nèi)存機制是RTX提供的用于實時進程與非實時進程之間進行數(shù)據(jù)交互的重要方式，也是半實物仿真軟件設(shè)計的關(guān)鍵，其原理框圖如圖3所示。

圖3 進程間共享內(nèi)存框架

共享內(nèi)存的創(chuàng)建是在MFC的初始化程序中完成的，這里需要用到一個函數(shù)：

RtCreateSharedMemoryA(PAGE_READWRITE,0,size,name,&pMem);

而打開一片共享內(nèi)存是通過調(diào)用RTX的內(nèi)存打開函數(shù)完成的，如下所示：

RtOpenSharedMemoryA ( SHM _MAP _WR ITE, FALSE, name, &pMem) ;

3 半實物仿真試驗結(jié)果分析

將Windows+RTX模式的設(shè)計應(yīng)用到某型號導彈半實物仿真中，開發(fā)了基于MFC+RTSS的仿真應(yīng)用平臺。仿真周期為1 ms。試驗中，仿真計算機運行導彈動力學、運動學模型，實時輸出導彈運動信號(x,y,z,vx,vy,vz,ax,ay,az)和姿態(tài)角、彈目視線角數(shù)據(jù)，通過仿真接口送給彈載計算機和五軸轉(zhuǎn)臺，姿態(tài)角(γ,?,ψ)以及彈目視線角控制五軸轉(zhuǎn)臺實時運動；紅外圖像目標模擬器安裝在五軸轉(zhuǎn)臺的目標軸(外兩軸)上，其光學出瞳位于導引頭入瞳位置，按照彈目相對關(guān)系輸出動態(tài)紅外圖像；彈載計算機放置在試驗臺上，慣性導航裝置、導引頭和彈載端機安裝在五軸轉(zhuǎn)臺的內(nèi)三軸上；慣性測量裝置隨同轉(zhuǎn)臺一起運動，慣性導航裝置測量獲得導彈姿態(tài)角信號、角速率信號、導彈位置、速度、加速度誤差信號(轉(zhuǎn)臺沒有線位移，慣性測量裝置測得零位移運動誤差信號)；導引頭敏感目標背景圖像，通過光纖傳輸系統(tǒng)給圖像跟蹤器，并接收武器站跟蹤指令跟蹤目標，輸出視線角速度；彈載計算機采集導引頭的視線角速度，慣性導航裝置輸出的姿態(tài)角、角速率，并綜合仿真專用接口和慣性測量裝置的導彈位置、速度、加速度誤差信號作為控制系統(tǒng)模型輸入。彈載計算機針對控制模型輸入?yún)?shù)，運行控制模型，分段形成控制指令(姿態(tài)控制，中制導的位置控制，末制導的比例導引、過載及落角控制)，通過D/A接口送給舵機；舵機跟隨控制指令運動，形成舵偏角，通過A/D接口到VMIC轉(zhuǎn)換送給仿真計算機；仿真計算機根據(jù)舵偏角計算控制力和控制力矩實現(xiàn)導彈閉環(huán)控制。其中部分仿真的技術(shù)參數(shù)如下：

1)仿真周期：1 ms；

2)彈載計算機的指令計算周期：1 ms；

3)五軸轉(zhuǎn)臺內(nèi)三軸最大加速度分別為：3 500°/s2，4 500°/s2,12 000°/s2，外兩軸最大加速度分別為：1 000°/s2，1 000°/s2 ；

基于五軸轉(zhuǎn)臺半實物仿真(紅外成像制導)系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 半實物仿真系統(tǒng)原理圖

仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

如圖所示，部件發(fā)出的數(shù)據(jù)與采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)延遲小，無丟幀情況，數(shù)據(jù)響應(yīng)穩(wěn)定，滿足半實物仿真的要求。

4 結(jié)論

圖5 各部件輸出的時標

圖6 仿真輸出與部件輸出數(shù)據(jù)對比

文中對應(yīng)用在紅外尋的制導半實物仿真系統(tǒng)中的實時通信模塊進行了研究。首先詳細的分析了RTX技術(shù)的特點和優(yōu)勢，給出了基于Windows+RTX實時通信模塊的詳細設(shè)計方法，對MFC界面的設(shè)計、RTSS實時進程的設(shè)計以及進程間的數(shù)據(jù)交互方法等關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細的分析。最后將該模塊引入到半實物仿真系統(tǒng)中進行了測試和檢驗，結(jié)果表明該模塊設(shè)計良好，性能優(yōu)越，滿足紅外尋的制導半實物仿真的要求。

[1] 單家元，孟秀云，丁 艷，等. 半實物仿真[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[2] Mike Cherepov,Mike Hirst,Chris Jones,et al.Hard Real-time with Venturcom RTX on Microsoft Windows XP and Windows XP Embedded[R]. Microsoft MSDN, 2002.

[3] Ardence Inc. RTX SDK Help Document [Z].

[4] 黃 鍵，宋 曉，薛順虎. RTX平臺下實時仿真系統(tǒng)的設(shè)計方法[J]. 計算機應(yīng)用與軟件，2009，26 (4)：167-169.

[5] 閆宇壯, 楊祚堂. RTX在半實物仿真中的軟件開發(fā)方法[J]. 軟件開發(fā)與應(yīng)用， 2006，25 (9)：89-90.

[6] Ardence公司. RTX技術(shù)白皮書[Z]. 北京航天捷越(美斯比)科技有限公司，2004.

Application of Real-Time System Based on RTX For HL Simulation

Zhang Jiannan

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries，Xi’an 710065，China)

In this thesis, a design scheme for real-time system in the infrared guidance hardware-in-the-loop simulation system is introduced. In the past, the Windows system is used in the HL simulation. Aiming at the disadvantage of complexity ,this paper introduce a simulation frame based on Windows+RTX, ,it improves the efficiency and capability of real time simulation through adding the RTX extension. The keys of development of HL based on RTX technology was discussed, a general develop mode and process were given, an algorithm was designed for shared memory and task dispatching.This paper developed an upper computer by using MFC interface and realized Co - Simulation between non - real - time simulation process and real - time simulation process. According to the simulation test, the system is reliable and stable, and has other excellent characteristics in the infrared guidance hardware-in-the-loop simulation system,reduces the complexity of developing HL system.

HL simulation; real-time system; RTX; task dispatch

2015-08-15；

2015-11-05。

張健楠(1986-)，男，遼寧沈陽人，碩士，主要從事導彈半實物仿真方向的研究。

1671-4598(2016)03-0136-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.037

TP3

A