基于分布式仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)架構(gòu)設(shè)計(jì)

(中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫 214063)

0 引言

復(fù)雜的大型系統(tǒng)如航空航天飛行器、艦船、車輛等都是由機(jī)械、電子、液壓、流體、軟件、控制等不同專業(yè)系統(tǒng)組成的綜合體。如何更好、更快的開展大系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)工作，仿真技術(shù)已經(jīng)成為復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)必不可少的重要手段[1]。

復(fù)雜的大型系統(tǒng)已經(jīng)不再是一個(gè)單位、一個(gè)專業(yè)可以獨(dú)立完成的。面對不同領(lǐng)域的設(shè)計(jì)模型，如何有效集成這些不同專業(yè)、不同格式、不同階段的模型，從而開展系統(tǒng)級的功能、性能、接口等驗(yàn)證工作，并促進(jìn)不同系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)是各大型系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程中面臨的重要問題，通過模型的聯(lián)合仿真在設(shè)計(jì)前期就可開展相關(guān)的測試驗(yàn)證工作，促進(jìn)產(chǎn)品快速迭代以便加速其成熟。

目前，國內(nèi)外在飛機(jī)、飛行器等大型系統(tǒng)研發(fā)過程中廣泛采用先進(jìn)的分布式飛行仿真技術(shù)[2]。本文針對控制系統(tǒng)研發(fā)過程中的測試仿真需求，構(gòu)建了一套通用的分布式仿真平臺(tái)，支持不同模型的加載、支持模型的實(shí)時(shí)仿真、支持模型間的實(shí)時(shí)通訊且可靈活擴(kuò)展仿真節(jié)點(diǎn)。

1 分布式仿真架構(gòu)及原理

分布式仿真系統(tǒng)首先需要為多個(gè)仿真模型提供通訊技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)各個(gè)模型之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。為了支持各模型便捷的接入仿真網(wǎng)絡(luò)以及在仿真過程中不斷的升級與變更，分布式仿真系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要簡單易維護(hù)，仿真模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)間的通訊協(xié)議均可靈活配置?；镜木W(wǎng)絡(luò)構(gòu)型見圖1。

圖1 分布式仿真系統(tǒng)基本網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型

分布式仿真中除了基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊外，仿真節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)仿真能力是另一個(gè)關(guān)鍵因素。

針對航空航天等安全關(guān)鍵的領(lǐng)域，實(shí)時(shí)性至關(guān)重要[3]。數(shù)控系統(tǒng)對控制時(shí)間有著嚴(yán)格的要求，在進(jìn)行仿真平臺(tái)構(gòu)建時(shí)，仿真設(shè)備必須要按照控制系統(tǒng)規(guī)定控制周期完成規(guī)定的仿真任務(wù)，以保證仿真時(shí)序與控制時(shí)序的同步性和一致性[4]。否則仿真時(shí)序驗(yàn)證不到位，與真實(shí)時(shí)序不一致則可能在后續(xù)試驗(yàn)及使用過程中造成重大的隱患。

實(shí)時(shí)性并不是指傳輸速度快，它包含了一種確定性[5]。實(shí)時(shí)性是指在制定的時(shí)間內(nèi)完成制定工作的能力。

在實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中，需要與外界設(shè)備進(jìn)行交互，整個(gè)響應(yīng)流程包含外部事件數(shù)據(jù)的采集功能、仿真模型的運(yùn)行功能、與其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互功能等。在安全關(guān)鍵控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，如何在限定的時(shí)間內(nèi)完成對外部的響應(yīng)至關(guān)重要，直接影響整個(gè)大系統(tǒng)的運(yùn)行安全。針對實(shí)時(shí)系統(tǒng)異常情況產(chǎn)生的后果等級不同，將實(shí)時(shí)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)分為了兩類，硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)限是剛性不可改變的任何一次偶然的超時(shí)都會(huì)帶來災(zāi)難性的影響。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)限相對靈活，偶然的超時(shí)不會(huì)造成不可挽回的后果[6]。

針對分布式仿真系統(tǒng)架構(gòu)的需求，本文主要開展實(shí)時(shí)仿真、實(shí)時(shí)通訊技術(shù)研究。為仿真系統(tǒng)提供硬實(shí)時(shí)的仿真環(huán)境，加載用戶的自定義模型開展實(shí)時(shí)仿真。利用實(shí)時(shí)通訊總線實(shí)現(xiàn)仿真節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互，為分布式通用仿真平臺(tái)的研發(fā)建立實(shí)時(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。

2 仿真架構(gòu)設(shè)計(jì)

對于仿真系統(tǒng)來說，實(shí)時(shí)性的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。一般來說,操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)的硬件資源和運(yùn)行在上面的應(yīng)用程序。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)用于運(yùn)行非常精確定時(shí)和高可靠性的應(yīng)用。這些應(yīng)用在仿真控制中尤為重要，不確定的時(shí)間延長對仿真性能及控制效果都會(huì)產(chǎn)生影響。

對于實(shí)時(shí)系統(tǒng)來說，任何操作都會(huì)有一個(gè)已知的最大操作時(shí)間。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通過為程序員提供靈活的控制任務(wù)優(yōu)先級，而且通常還允許檢查任務(wù)優(yōu)先級，以確保重要任務(wù)的定時(shí)要求。

與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比，應(yīng)用最廣泛的個(gè)人電腦操作系統(tǒng)(如Windows)被稱為通用操作系統(tǒng)。通用操作系統(tǒng)(如Windows)是為了響應(yīng)用戶的各種操作和相關(guān)程序(確?！肮健?，內(nèi)核任務(wù)的最小時(shí)間片為10 ms[7]。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為關(guān)鍵應(yīng)用程序提供可靠、精確的定時(shí)(關(guān)注程序的優(yōu)先級)。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1) 確定性。實(shí)時(shí)系統(tǒng)中運(yùn)行的應(yīng)用程序或者程序的部分代碼，能夠保證在一定的時(shí)間誤差范圍內(nèi)，稱其為確定性；

2) 抖動(dòng)小。程序開始后，首次循環(huán)相對于后續(xù)循環(huán)在時(shí)間上的差異，稱之為抖動(dòng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可確保在編程合理的情況下，抖動(dòng)為最小水平；首次執(zhí)行與后續(xù)循環(huán)執(zhí)行所用的時(shí)間非常接近。

根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，目前存在的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有上百種，應(yīng)用場景各不相同，實(shí)時(shí)性能好且可應(yīng)用于大型的實(shí)時(shí)應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)包含QNX、VxWork、RTX等[8]，針對這些常見的實(shí)時(shí)系統(tǒng)及非實(shí)時(shí)的Windows系統(tǒng)性能進(jìn)行比較，其基本性能見表1。

表1 操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性指標(biāo) (μs)

QNX和Vxworks是當(dāng)前應(yīng)用較廣的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于航空航天等實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)苛的領(lǐng)域，操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，但整體應(yīng)用復(fù)雜，代碼移植難度較大，且費(fèi)用高。

RTX是基于Windows操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)解決方案，是目前Windwos平臺(tái)的唯一純軟件的硬實(shí)時(shí)擴(kuò)展子系統(tǒng)[9]。RTX不對Windows系統(tǒng)進(jìn)行任何封裝或修改，其通過在HAL層增加實(shí)時(shí)HAL擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)基于優(yōu)先級的搶占式的實(shí)時(shí)任務(wù)的管理和調(diào)度，詳細(xì)架構(gòu)見圖2。

圖2 RTX架構(gòu)圖

RTX實(shí)時(shí)子系統(tǒng)RTSS的線程優(yōu)先于所有Windows線程，提供了對IRQ、I/O、內(nèi)存的精確直接控制，以確保實(shí)時(shí)任務(wù)的100%可靠性。通過高速的IPC通訊和同步機(jī)制，RTX方便地實(shí)現(xiàn)與Windows之間的數(shù)據(jù)交換。RTX的定時(shí)器時(shí)鐘分辨率為100納秒，最低定時(shí)器周期為100微秒[10]。

在RTX的定時(shí)器回調(diào)函數(shù)中，對I/O板卡進(jìn)行操作，輸出10 kHz(0.1 ms)高低電壓方波，通過邏輯分析儀抓取定時(shí)器的時(shí)間間隔。RTX最小定時(shí)精度100 us的實(shí)測均值為99.76 μs,抖動(dòng)范圍在99 μs至100.4 μs之間。詳細(xì)數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 RTX100 μs定時(shí)精度測試圖(100 ns)

RTX作為Windows的嵌入式實(shí)時(shí)子系統(tǒng)，可通過共享內(nèi)存與Windows進(jìn)行及時(shí)的數(shù)據(jù)交互[11]。仿真平臺(tái)中可利用Windows提供友好的人機(jī)交互界面，利用RTX提供實(shí)時(shí)仿真功能。基于RTX的應(yīng)用開發(fā)難度相對較小，性能指標(biāo)與QNX等相當(dāng)，可兼顧實(shí)時(shí)性和友好性[12]。因此，本文選用RTX作為分布式仿真系統(tǒng)中各仿真節(jié)點(diǎn)中的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

仿真節(jié)點(diǎn)作為通用模塊，需要提供通用的數(shù)據(jù)交互功能、通用的數(shù)據(jù)處理功能、能夠靈活的加載用戶自定義的不同模型功能，詳細(xì)架構(gòu)見圖4。

圖4 仿真節(jié)點(diǎn)詳細(xì)架構(gòu)圖

仿真平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)通用性要求，核心在于仿真節(jié)點(diǎn)通用。仿真節(jié)點(diǎn)的通用需要設(shè)計(jì)以下幾個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)，首先是要構(gòu)建通用的數(shù)據(jù)接口，可通過實(shí)時(shí)總線與其它節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)交互，其次需要支持模型加載功能，實(shí)現(xiàn)不同模型的仿真與數(shù)據(jù)交互。

通用數(shù)據(jù)接口可在實(shí)時(shí)通訊基礎(chǔ)上，定義通用的數(shù)據(jù)協(xié)議，利用配置的方式來實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)的靈活交互。模型加載方面通過動(dòng)態(tài)調(diào)用Rtdll的方式來實(shí)現(xiàn)[13]。仿真平臺(tái)中設(shè)計(jì)了基于Rtdll的通用接口，首先設(shè)計(jì)規(guī)范的輸入、輸出格式，其次在模板Rtdll中規(guī)范初始化、運(yùn)行、關(guān)閉3個(gè)通用接口。各模型根據(jù)實(shí)際情況，可自定義通用模型接口中的邏輯，或者嵌套調(diào)用已有的Rtdll的模式，從而實(shí)現(xiàn)自定義邏輯的封裝。詳細(xì)模型接口見圖5。

圖5 模型模板架構(gòu)

仿真系統(tǒng)中采用Rtdll的格式實(shí)現(xiàn)模型的加載，但在實(shí)際仿真過程中，來自不同單位的不同模型的格式也不盡相同。分布式仿真系統(tǒng)可以加載哪些類型的模型、如何加載不同類型的模型？本文設(shè)計(jì)了模型加載技術(shù)路徑可以支持源碼、Simulink、Rtdll三種格式模型的封裝路徑，詳見圖6。Rtdll類型的模型通過模型模板規(guī)范接口，以及再次封裝實(shí)現(xiàn)模型加載。C/C++源碼類型的模型可直接參照模型模板生成目標(biāo)模型Rtdll。Simulink類型的模型可通過Matlab的RTW環(huán)境自動(dòng)生成C/C++代碼，再通過模型模板封裝成目標(biāo)模型Rtdll[14]。

圖6 模型加載技術(shù)路徑

仿真節(jié)點(diǎn)基于RTX硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開展設(shè)計(jì)，利用Rtdll的技術(shù)路線對用戶的模型進(jìn)行加載與實(shí)時(shí)運(yùn)行，同時(shí)為后續(xù)實(shí)時(shí)通訊提供了基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)環(huán)境。

3 實(shí)時(shí)通訊技術(shù)設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)不能滿足實(shí)時(shí)性能的苛刻要求,于是出現(xiàn)了反射內(nèi)存網(wǎng)。反射內(nèi)存是一種通過局域網(wǎng)在互連計(jì)算機(jī)之間提供高效的數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。反射內(nèi)存網(wǎng)硬件架構(gòu)簡單[15]，直接在計(jì)算機(jī)、工控機(jī)上安裝專用的反射內(nèi)存卡，并用光纖網(wǎng)在收發(fā)之間互聯(lián)即可。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可支持256個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)。

反射內(nèi)存卡是一組雙口內(nèi)存板。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到反射內(nèi)存卡時(shí)，板上的高速邏輯會(huì)自動(dòng)將此數(shù)據(jù)連同地址送到網(wǎng)絡(luò)的其它反射內(nèi)存卡板上，數(shù)據(jù)傳遞完全由硬件驅(qū)動(dòng)，不需要CPU干預(yù)。反射內(nèi)存網(wǎng)一節(jié)點(diǎn)寫入數(shù)據(jù)時(shí)，其它節(jié)點(diǎn)在400納秒內(nèi)就會(huì)在相同地址處有相同數(shù)據(jù)。反射內(nèi)存卡可以看成是由網(wǎng)上所有節(jié)點(diǎn)共享的單元內(nèi)存卡，不存在訪問限制與仲裁，每個(gè)節(jié)點(diǎn)就像訪問本地內(nèi)存一樣，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)共享。

反射內(nèi)存卡支持多種總線方式，包含PCI、PXI/PXIe等。反射內(nèi)存網(wǎng)支持兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一是節(jié)省成本的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，二是高可靠的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[16]。

基于反射內(nèi)存的通訊具有以下特點(diǎn)：高速度和高性能、使用方便、獨(dú)立于操作系統(tǒng)和處理機(jī)、確定的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間、經(jīng)濟(jì)、高效等。

在分布式仿真實(shí)驗(yàn)中，常規(guī)的以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)的通訊延遲與系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)載相關(guān)，具有不可預(yù)測性，整體抖動(dòng)大[17]。為了提高系統(tǒng)的置信度，需要引入先進(jìn)的實(shí)時(shí)通訊技術(shù)，確保不同節(jié)點(diǎn)之間的通訊任務(wù)在指定的時(shí)間內(nèi)完成。反射內(nèi)存通訊技術(shù)是一種高速、實(shí)時(shí)通訊技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)仿真、實(shí)時(shí)控制等多種領(lǐng)域，提升了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性以及傳輸速率[18]。

針對分布式仿真平臺(tái)的需求，為了支持模型、數(shù)采、監(jiān)控等節(jié)點(diǎn)間的實(shí)時(shí)通訊，需要研發(fā)RTX實(shí)時(shí)系統(tǒng)下的反射內(nèi)存實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)[19]。在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過程中，采用不同的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)際應(yīng)用過程中用于通訊的耗時(shí)差異較大，可達(dá)到從μs級至ms級的差異，為了滿足控制系統(tǒng)仿真的實(shí)時(shí)通訊要求，需要開展實(shí)時(shí)通訊性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對反射內(nèi)存的通訊鏈路進(jìn)行分析見圖7。

圖7 反射內(nèi)存鏈路分析

從反射內(nèi)存鏈路上分析，識別出反射內(nèi)存通訊的延遲時(shí)間影響因子包含板卡間的通訊延遲和節(jié)點(diǎn)基本讀寫時(shí)間。通訊延遲是指板卡間的光纖通訊延遲及板卡內(nèi)存到計(jì)算機(jī)內(nèi)存之間的映射延時(shí)，該延時(shí)為純硬件時(shí)間，對整體影響較小[20]。寫時(shí)間和讀時(shí)間是軟件和計(jì)算機(jī)內(nèi)存之間的交互時(shí)間，與驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方式密切相關(guān)，本次重點(diǎn)針對該延遲進(jìn)行優(yōu)化。

通過鏈路分析，基本讀寫時(shí)間的影響因素包含讀寫操作、通訊方式選擇、DMA閾值、傳輸量等，主要影響因素及取值范圍見表2。

表2 基本讀寫時(shí)間影響因素分析

分布式仿真平臺(tái)中各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸量較小，在幾百字節(jié)左右，首先針對傳輸量固定的情況設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對讀寫方式、通訊方式、DMA閾值的影響進(jìn)行分析，詳細(xì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表3，傳輸量為1 000 B。

表3 影響因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過測試，獲得1 000 B傳輸數(shù)據(jù)下的讀耗時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8，不同測試的讀耗時(shí)詳細(xì)數(shù)據(jù)見圖9～12，寫耗時(shí)對比見圖13，詳細(xì)寫耗時(shí)數(shù)據(jù)見圖14～17。各模式下的平均耗時(shí)及抖動(dòng)數(shù)據(jù)見表4。

圖8 1 000 B讀數(shù)據(jù)耗時(shí)數(shù)據(jù)比對

圖9 1 000 B讀數(shù)據(jù)耗時(shí)數(shù)據(jù)(測試1)

表4 讀寫數(shù)據(jù)耗時(shí)均值及抖動(dòng)統(tǒng)計(jì) (μs)

從表3中測試數(shù)據(jù)中可獲得通訊方式PIO和DMA模式會(huì)對讀寫時(shí)間產(chǎn)生影響，且DMA閾值對性能也會(huì)產(chǎn)生影響。DMA閾值設(shè)置合理的情況下，DMA模式下的延遲性能優(yōu)于PIO模式。

為了驗(yàn)證DMA閾值對性能的具體影響，在DMA模式下設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對DMA閾值、傳輸量與耗時(shí)之間的影響進(jìn)行分析。

圖10 1 000 B讀數(shù)據(jù)耗時(shí)數(shù)據(jù)(測試2)

圖11 1 000 B讀數(shù)據(jù)耗時(shí)數(shù)據(jù)(測試3)

圖12 1 000 B讀數(shù)據(jù)耗時(shí)數(shù)據(jù)(測試4)

圖13 1 000 B寫數(shù)據(jù)耗時(shí)比對圖

圖14 1 000 B讀數(shù)據(jù)耗時(shí)數(shù)據(jù)(測試5)

圖15 1 000 B讀數(shù)據(jù)耗時(shí)數(shù)據(jù)(測試6)

圖16 1 000 B讀數(shù)據(jù)耗時(shí)數(shù)據(jù)(測試7)

圖17 1 000 B讀數(shù)據(jù)耗時(shí)數(shù)據(jù)(測試8)

通過測試，讀耗時(shí)的測試數(shù)據(jù)見表5，針對閾值與傳輸數(shù)據(jù)量的大小不同進(jìn)行分析，讀耗時(shí)與傳輸數(shù)據(jù)量大小的關(guān)系見圖18～19。寫耗時(shí)的測試數(shù)據(jù)見表6，針對閾值與傳輸數(shù)據(jù)量大小不同，寫耗時(shí)與傳輸量之間的關(guān)系見圖20～21所示。

表5 不同數(shù)據(jù)量和DMA閾值下讀耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

圖18 傳輸量與耗時(shí)關(guān)系(閾值<傳輸量)

圖19 傳輸量與耗時(shí)關(guān)系(閾值>傳輸量)

從上述數(shù)據(jù)可以看出：

當(dāng)DMA閾值大于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量時(shí)，讀、寫耗時(shí)明顯減小，且讀寫耗時(shí)與傳輸數(shù)據(jù)量成正比；

在DMA模式下，讀寫耗時(shí)基本相當(dāng)。

通過優(yōu)化，控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)中常用的1 000 B的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊性能明顯比最初的PIO模式通訊性能更好，讀寫耗時(shí)從400多μs降到了30多μs，極大的提升了分布式仿真中的通訊的性能。

表6 不同數(shù)據(jù)量和DMA閾值下寫耗時(shí)統(tǒng)計(jì) (μs)

圖20 傳輸量與寫耗時(shí)關(guān)系(閾值<傳輸量)

圖21 傳輸量與寫耗時(shí)關(guān)系(閾值>傳輸量)

4 結(jié)果及應(yīng)用

在RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用Rtdll的模型加載與實(shí)時(shí)運(yùn)行技術(shù)方案，結(jié)合基于反射內(nèi)存的實(shí)時(shí)通訊技術(shù)，本文完成了仿真節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和分布式通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，形成了一套通用的分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，并在某系統(tǒng)聯(lián)合仿真中得到應(yīng)用。

針對系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)仿真節(jié)點(diǎn)的通訊性能進(jìn)行測試，測試方案見圖22。

圖22 節(jié)點(diǎn)間傳輸時(shí)間測試方案

首先，系統(tǒng)中反射內(nèi)存采用DMA模式，閾值設(shè)置為4 kB。其次，由于系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)間的傳輸數(shù)據(jù)均小于1 kB，通過自研的配置工具對模型節(jié)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行配置，設(shè)置為1 kB,模型1的運(yùn)行周期在20 ms，模型2采用while方式運(yùn)行。隨后，在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中加載模型，模型1用于記錄數(shù)據(jù)，模型2收到數(shù)據(jù)后直接轉(zhuǎn)發(fā)輸出。最后，運(yùn)行模型并記錄t2-t1。通過多輪測試，記錄數(shù)據(jù)。測試結(jié)果建圖23。1 kB數(shù)據(jù)的傳輸延遲均值為125.5 μs，最大延遲不超過160 μs。

圖23 模型節(jié)點(diǎn)間的通訊延遲測

圖22方案中，傳輸延遲包含反射內(nèi)存寫耗時(shí)、讀耗時(shí)、光纖傳輸時(shí)間以及其它影響因素造成的延遲。通過表4～5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性處理，1 kB數(shù)據(jù)讀時(shí)間為31.8 μs，寫時(shí)間為34.4 μs。光纖傳輸時(shí)間小于1 μs，只考慮上述3種影響因素的理想時(shí)間延遲為67.2 μs，小于測試延遲125.5 μs，符合理論分析預(yù)期。

本分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)應(yīng)用于毫秒級的聯(lián)合仿真環(huán)境，最高仿真頻率為1 kHz，節(jié)點(diǎn)間的延遲在125.5 μs，完全滿足仿真的實(shí)時(shí)性需求。

5 結(jié)束語

本文針對分布式實(shí)時(shí)仿真需求，基于RTX實(shí)時(shí)環(huán)境對仿真系統(tǒng)、模型加載、實(shí)時(shí)通訊技術(shù)進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)了基于分布式的仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)架構(gòu)，并通過影響因子分析及詳細(xì)的數(shù)據(jù)測試，設(shè)計(jì)出實(shí)時(shí)反射內(nèi)存驅(qū)動(dòng)，確保系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間的通訊延遲在200 μs以內(nèi)，保證了仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊性能?；谏鲜鲫P(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建的分布式通用仿真平臺(tái)已在具體項(xiàng)目上進(jìn)行了應(yīng)用，為分布式聯(lián)合仿真提供了一種有效的解決方案。