相控陣天線主控系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)交互

萬富力，楊嘉妮，謝 镕

（1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司輸電檢修分公司，湖南 衡陽 421200；2.智能帶電作業(yè)技術(shù)及裝備（機(jī)器人）湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410000；3.帶電巡檢與智能作業(yè)技術(shù)國網(wǎng)公司實驗室，湖南 長沙 410000）

0 引 言

機(jī)載有源相控陣天線的深入研究中值得注意的一個問題就是在雷達(dá)休止期間對于各單元的檢查，以此為依據(jù)對在線的幅相分布開展實時的細(xì)節(jié)調(diào)整，確保天線的動態(tài)工作所做的特性能夠維持穩(wěn)定。為了實現(xiàn)空中預(yù)警的目，雷達(dá)使用了大功率脈沖工作的方式，以往較為常規(guī)的測量設(shè)備難以完成該任務(wù)，這就要求必須尋找新型的測試設(shè)備，并且進(jìn)行調(diào)試。

1 分布式無線波束自動控制管理系統(tǒng)

1.1 波束自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

相控陣天線陣列波束控制的處理系統(tǒng)主要由分布式天線拓?fù)湎到y(tǒng)所構(gòu)架，各個主控陣的系統(tǒng)主要對工作進(jìn)行當(dāng)中的實時性天線調(diào)度以及遠(yuǎn)程方式權(quán)限控制進(jìn)行負(fù)責(zé)和支配，其中主要還包括實時的接收天線所發(fā)出的各種信號。將其發(fā)送到各個控制陣子控制系統(tǒng)當(dāng)中，方便天線順利完成對于處理命令的工作，實現(xiàn)對各個主控天線系統(tǒng)陣列的控制，獲得實時數(shù)據(jù)。兩級分布分管主控天線控制矩陣子系統(tǒng)分別位于各個主控天線系統(tǒng)控制子陣上，并分別負(fù)責(zé)實時控制各個單元主控天線波束相位的工作所提供的參數(shù)是否符合要求。各個分部主控制陣所使用的天線波束相位控制系統(tǒng)的邏輯計算方式與天線波束控制相位處理的計算邏輯都極為相似，所設(shè)計中的天線工作量是不會隨各個主控天線系統(tǒng)陣列具體表面的天線面積不斷增加而上升[1]。

系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)通信傳輸介質(zhì)的不同可以分為以太網(wǎng)和在微控制器上的局域網(wǎng)絡(luò)以及總線。以太網(wǎng)所具有的數(shù)據(jù)通信技術(shù)具有高效性、開放性和準(zhǔn)確性的優(yōu)勢，用于系統(tǒng)指控控制系統(tǒng)與各個主控制和子系統(tǒng)。控制管理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)來完成通信任務(wù)，最終達(dá)到系統(tǒng)底層所接收的有關(guān)數(shù)據(jù)控制的信息能夠精準(zhǔn)地完成傳輸工作。上一級的現(xiàn)場控制數(shù)據(jù)信息和下級的實時控制具有密切聯(lián)系，唯有上下級的信息做到實時精準(zhǔn)的傳輸才能夠確保系統(tǒng)的順利運行。

1.2 主控系統(tǒng)軟硬件體系結(jié)構(gòu)

多任務(wù)實時調(diào)度系統(tǒng)采用了VXWORKS，通過對于優(yōu)先級的設(shè)立方式來達(dá)到搶占片段式調(diào)度的快速高效切換，與此同時關(guān)于優(yōu)先級的子任務(wù)間的功能分組和時間片段的調(diào)度切換更加穩(wěn)定，4大類子任務(wù)之間的功能能實時地完成切換功能，使得最終實時工作所具有的效果得以充分展現(xiàn)出來，如此一來可以及時發(fā)現(xiàn)將由于出現(xiàn)單一的任務(wù)延遲調(diào)度導(dǎo)致的系統(tǒng)故障發(fā)生，進(jìn)一步確保整體系統(tǒng)在運行過程當(dāng)中的快速和穩(wěn)定[2]。

2 相控陣衛(wèi)星通信天線的特點

天線是衛(wèi)星通信航天系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)部分，是連接通信站點和射頻衛(wèi)星信號的數(shù)據(jù)輸入和信號輸出主要通道，天線通信系統(tǒng)整體性能的品質(zhì)優(yōu)劣直接影響整個通信衛(wèi)星系統(tǒng)的整體性能。

相控陣列的衛(wèi)星通信輻射天線系統(tǒng)就是一種通過測量控制陣列反饋電壓和相位改變方向來繪制天線形狀的通信天線。相控陣衛(wèi)星通信專用天線通過改變控制天線相位，以準(zhǔn)確達(dá)到相位波束指向相位掃描的主要技術(shù)目的。在特殊天線應(yīng)用情況下，也就是通過相對天線的指向電壓高于水平、最小極大的數(shù)值時的指向位置和整個一條線的方向線在線中圖的具體指向形狀。用機(jī)械式的控制方法進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)這條控制天線時，慣性大、速度慢，相控陣專用衛(wèi)星通信天線正好有效克服了這一天線技術(shù)上的缺點。它的指向饋電系統(tǒng)參數(shù)及其相位一般通過采用小型的微電子天線相位控制計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行自動控制，相位波束指向掃描變化速度快（毫秒的一個數(shù)量級），這也是目前衛(wèi)星專用天線最大的特點[3]。

3 多節(jié)點區(qū)域網(wǎng)絡(luò)無線通信

3.1 多節(jié)點區(qū)域網(wǎng)絡(luò)無線通信基本模式

VXWORKS實時網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)目較多的實時無線通信處理功能，基于UDP協(xié)議的通信建立過程如下文所述。

創(chuàng)建一個接口函數(shù)SOCKET。接口函數(shù)可以利用一個名為SOCKET的類接口函數(shù)使它可以自動建設(shè)出與UDP類的接口套接字，使其返回出新型的套接字接口，并且通過文本進(jìn)行描述，該接口文本類型描述符作為接口函數(shù)的唯一接口文本描述標(biāo)識SOCKET，供其他函數(shù)使用接口SOCKET的函數(shù)類型接口函數(shù)和其他使用標(biāo)準(zhǔn)化的I/O的類接口函數(shù)運行。

本機(jī)配置函數(shù)SOCKET。本機(jī)調(diào)用BIND這個函數(shù)將本地主機(jī)的IP地址、端口號等相關(guān)信息直接捆綁到本機(jī)創(chuàng)建的套接字上。對于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中所存在的各個節(jié)點，同樣也創(chuàng)始出與其相對應(yīng)的本機(jī)套接字并對其施加綁定。

實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)信息自動接收與傳輸。終端系統(tǒng)具有自主對SENDTO與RECVFORM函數(shù)調(diào)用的功能，該函數(shù)分別實現(xiàn)了向終端發(fā)送報文的自動數(shù)據(jù)信息傳輸，正確地實現(xiàn)與不同端口的終端自動報文數(shù)據(jù)信息傳輸。

關(guān)閉SOCKET。當(dāng)所有的數(shù)據(jù)傳輸操作結(jié)束后，應(yīng)同時調(diào)用指令CLOSE函數(shù)釋放套接字。

3.2 基于緩沖隊列的SOCKET 通信軟件架構(gòu)

VXWORKS系統(tǒng)在使用者進(jìn)行通信功能時，需要首先完成對于多任務(wù)的信息處理控制系統(tǒng)的命令執(zhí)行，才能夠進(jìn)一步完成對于通信功能的使用。實現(xiàn)循環(huán)連續(xù)中斷運行的自動中斷任務(wù)，主要功能包括個人的信息處理文件循環(huán)接收連續(xù)處理發(fā)送任務(wù)、信息處理文件連續(xù)解釋間接處理發(fā)送任務(wù)、信息處理文件連續(xù)執(zhí)行間接處理發(fā)送任務(wù)和其他單個信息處理文件直接發(fā)送等任務(wù)。在特定用戶應(yīng)用實際情況下才會有可能實現(xiàn)循環(huán)連續(xù)運行的自動中斷任務(wù)。為了有效保證重要緩沖信息的不定時中斷丟失，使用一個位于緩沖區(qū)的信息儲存，隨后再進(jìn)行有關(guān)信息隊列的依次讀取并且執(zhí)行相關(guān)命令。兩個緩沖執(zhí)行隊列的端口同時運行，一個用于接收信息，另一個用于發(fā)送信息。結(jié)合任務(wù)的實際情況來設(shè)定其發(fā)送時間以及執(zhí)行時間，或是將接收到的信息直接向外界進(jìn)行傳送，為直接收發(fā)或與執(zhí)行緩沖任務(wù)兩種任務(wù)的同時進(jìn)行提供便利。若需要對所發(fā)信息開展特殊的信息處理操作，通過一個新的SOCKET緩沖發(fā)送隊列端口將其執(zhí)行發(fā)送信息返回[4]。

為每個任務(wù)發(fā)送接收前和發(fā)送信息緩沖后的任務(wù)隊列和其他任務(wù)接收發(fā)送前和接收信息緩沖后的任務(wù)隊列創(chuàng)建與其相對應(yīng)的計數(shù)型信號量，信息緩沖隊列中由接收后的其他任務(wù)自動進(jìn)行調(diào)用每個信息數(shù)量SEMGIVE將其進(jìn)行減或者加1，信號量的計算型數(shù)值及其大小分別代表了發(fā)送緩沖后的隊列中在信息系統(tǒng)中的每個任務(wù)信息數(shù)量解釋任務(wù)數(shù)量，只有僅僅是當(dāng)某個信息數(shù)量解釋任務(wù)數(shù)量的統(tǒng)計值最小大于0時，SEMTAKE才可能有一個機(jī)會自動進(jìn)行返回，使用了這個信息解釋數(shù)量進(jìn)行解釋后的其他任務(wù)則其工作也很有可能被自動停止不再執(zhí)行。

為了使控制軟件在工作中做到順暢以及高效，關(guān)于硬件定時器和中斷緩沖服務(wù)器任務(wù)相應(yīng)的順序進(jìn)行優(yōu)化和更新，將所接收到的任務(wù)信息進(jìn)行統(tǒng)計以及分析，以任務(wù)的緊急程度進(jìn)行分級，對于緊急的任務(wù)優(yōu)先發(fā)出指令，將緩沖任務(wù)設(shè)定定時并且放置隊伍的尾列。此種工作方式能夠在VXWORKS運行實時調(diào)度以及優(yōu)先響應(yīng)的多任務(wù)狀態(tài)中更加的合理化和高效化，充分滿足了系統(tǒng)對緊急任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級和響應(yīng)的強(qiáng)烈需求[5]。

3.3 應(yīng)用層通信協(xié)議

為了使得VXWORKS系統(tǒng)與其他的操作系統(tǒng)之間的通信網(wǎng)絡(luò)底層通信協(xié)議的整體進(jìn)程更加規(guī)范，關(guān)于實際應(yīng)用的底層通信協(xié)議的規(guī)范必須提上章程，規(guī)定特定命令位置上每個字符的基本含義，以便于保證系統(tǒng)下傳到的命令和用戶上傳到的信息之間能夠及時得到正確性的接收以及合理分析。有關(guān)發(fā)送方的邏輯地址中的符號字段高達(dá)16位，用于確定各個不同的發(fā)送方的邏輯接收地址各不相同，此種發(fā)送方式與實際用戶中所使用的IP地址有所不同，同樣的，接收方的邏輯地址符號字段與發(fā)送方相同也具有16位，用于確立每個接收方都有唯一的邏輯接收地址。

4 結(jié) 論

為了使得相控陣天線能夠具有快速性以及精確性的兩者相互轉(zhuǎn)換的功能，本文主要針對于分布式天線拓?fù)湎到y(tǒng)構(gòu)造的嵌入式進(jìn)行深入研究，并對于實際操作展開了分析，根據(jù)實際情況科學(xué)合理地設(shè)置了兩級分布式天線波實時控制系統(tǒng)的應(yīng)對系統(tǒng)，設(shè)計了一種基于系統(tǒng)緩沖程序隊列的多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通信處理方法，并根據(jù)所需的功能設(shè)計并嚴(yán)格制定出了符合底層通信的協(xié)議。此種通信處理方式，使得系統(tǒng)的程序隊列得到了友善的緩沖，具備了穩(wěn)定的特點，可以在面對緊急任務(wù)時，高效完成緊急任務(wù)的處理，對不重要的因素進(jìn)行延后的命令，系統(tǒng)性規(guī)避了由于簡單任務(wù)之間的通信延遲所導(dǎo)致的主系統(tǒng)出現(xiàn)安全故障的問題發(fā)生的幾率，基于VXWORKS系統(tǒng)與其他的中性之間構(gòu)建起了高效并且科學(xué)合理的多節(jié)點通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。