CN105137807B - 通用全数字星务仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种通用全数字星务仿真平台，包括CTU虚拟目标机模块、调度控制模块、总线及通信模块、应用软件测试模块、遥控终端、遥测处理显示模块以及远置终端；其中，所述CTU虚拟目标机模块、所述调度控制模块、所述应用软件测试模块、所述遥控终端、所述遥测转发显示模块以及所述远置终端均连接所述总线及通信模块；本发明模拟的目标机与物理单机存储、接口、中断等资源完全一致，数据流信息流满足高层通信协议，故仿真数据能真实有效反映实际运行情况，可以以此对应用软件的运行结果进行确认，同时可以通过注入各种故障状态，模拟相关的故障预案。

Description

通用全数字星务仿真平台

技术领域

本发明涉及卫星物理目标机和星务数据流的仿真与验证，具体地，涉及一种通用全数字星务仿真平台。

背景技术

卫星平台上，星务分系统控制整星信息流调度与处理，数据流的接受和发送时序控制，主要包括实时遥测采集与组帧、遥控数据接收处理、时间管理、载荷控制、安全管理等功能，星务分系统是卫星信息控制系统的中枢，其运行的稳定可靠性决定了整个卫星任务的成败。为了开发稳定可靠的星务分系统，仿真技术在航天领域中广泛应用。

星务分系统主要由数管计算机单机和数管应用软件两部分组成。在卫星研制过程中，由于星务计算机研制过程复杂，试验测试繁多，同时受到需求变更等因素的影响，导致数管计算机研制周期长，从而使得数管应用软件的开发周期被压缩，软件调试和测试得不到充分保证。另一方面，某些故障测试及验证在真实计算机中无法模拟，或者风险较大，有可能会对数管计算机造成不可逆转的损害。再者，卫星发生升空后，由于其不可维修性，不能对星上故障重现并验证解决方案。全数字仿真平台可以模拟星务系统真实运行状态，不仅可以提高星务系统的开发效率，同时在其验证过程中具备及其重要的作用。

目前，在航天领域中，尤其是卫星星务研发领域，仿真领域的应用软件种类繁多，均存在一些普遍的问题，主要表现在以下方面：

1、不用型号根据各自需求独立设计，实现的仿真软件兼容性差，造成资源的浪费；

2、各个仿真系统针对某一特定需求开展设计，功能单一，不能对多种功能进行仿真；

3、仿真系统间架构差别大，移植性差，协同仿真能力有待加强；

4、仿真系统中，软硬件混搭，接口复杂，耦合性过大，系统开发难度大。

为了提高星务系统的研制效率，增强其可靠性，提供一个统一的平台，对星务系统进行功能全面、通用性强、仿真度高的仿真系统变得迫在眉睫。

发明内容

在卫星科研和生产过程中，为了解决硬件产品交付周期长、系统需求变动大、可靠性安全性要求高的问题，针对以往仿真软件的缺陷，从而提供了一种通用的全数字星务仿真平台。本发明可以实现对星上计算机、交互通信设备等模拟仿真；能够实现整星数据流、信息流、控制流的全面闭环仿真，包括遥控上行数据和遥测下行数据；能够进行数管应用软件的调试，包括目标代码的加载，周期性任务的维护，串口数据的监视等；能够实现软件代码的测试和验证，通过提供断点、寄存器监视、覆盖率统计等工具，实现对代码的全面测试和确认。

根据本发明提供的通用全数字星务仿真平台，包括CTU虚拟目标机模块、调度控制模块、总线及通信模块、应用软件测试模块、遥控终端、遥测处理显示模块以及远置终端；

其中，所述CTU虚拟目标机模块、所述调度控制模块、所述应用软件测试模块、所述遥控终端、所述遥测转发显示模块以及所述远置终端均连接所述总线及通信模块；

所述CTU虚拟目标机模块用于虚拟数管计算机的组成和功能，运行待测试数管应用软件；

所述调度控制模块用于虚拟控制，具体为CTU虚拟目标机模块、调度控制模块、总线及通信模块、应用软件测试模块、遥控终端、遥测处理显示模块以及远置终端之间的时序控制、数据转发和运行控制；

所述总线及通信模块用于虚拟总线模块；

所述应用软件测试模块用于虚拟对外提供接口；

所述遥控终端用于根据不同的遥控注数及指令需求，提供统一遥控格式的注数包并产生校验结果；

所述遥测处理显示模块用于接收待测试数管应用软件周期性生成的遥测数据帧，并根据遥测原码处理公式，将原码转换为数字量遥测；

所述远置终端用于模拟总线下位机。

优选地，所述时序控制具体为，CTU虚拟目标机模块、调度控制模块、总线及通信模块、应用软件测试模块、遥控终端、遥测处理显示模块以及远置终端之间的时序、节拍控制和仿真协同；

所述数据转发，具体为，维护各模块间的数据通信协议，完成通信数据的类型识别、路由控制、收发中转；

所述运行控制，具体为，CTU虚拟目标机模块、调度控制模块、总线及通信模块、应用软件测试模块、遥控终端、遥测处理显示模块以及远置终端的暂停、运行、停止的同步控制和仿真速度的控制。

优选地，所述CTU虚拟目标机模块虚拟目标机处理器，具体为仿真通用定时器，看门狗定时器，通用异步串行口(UART)，内存控制器，异常和中断处理方法及寄存器。

优选地，所述总线及通信模块虚拟总线模块，具体为对RS232总线、RS422总线、MIL-STD-1553总线进行仿真。

优选地，所述CTU虚拟目标机模块虚拟数管计算机的组成，具体为，模拟CPU、可编程只读存储器PROM、同步动态随机存储器SDRAM、静态随机存储器SRAM和寄存器组。

优选地，CTU虚拟目标机模块、调度控制模块、应用软件测试模块、遥控终端、遥测处理显示模块与总线及通信模块间通过TCP/IP协议和UDP数据包进行数据转发；所述时序控制具体为，CTU虚拟目标机模块、调度控制模块、总线及通信模块、应用软件测试模块、遥控终端、遥测处理显示模块以及远置终端间采用事件队列机制进行时序节拍控制和协同仿真。

优选地，所述总线及通信模块根据1553B总线的高层通信协议和串口数据收发协议，采用TCP/IP协议，模拟实现总线和串口中的消息和控制指令。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明模拟的目标机与物理单机存储、接口、中断等资源完全一致，数据流信息流满足高层通信协议，故仿真数据能真实有效反映实际运行情况，可以以此对应用软件的运行结果进行确认，同时可以通过注入各种故障状态，模拟相关的故障预案；

2、本发明具备单步、断点等调试手段，提供对寄存器和变量的监视，对运行结果的覆盖率统计，方便进行目标代码的调试和测试，通过协同仿真，可以按照一定的加速比，提高目标代码的运行速度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的通用全数字星务仿真平台，包括CTU虚拟目标机模块、调度控制模块、总线及通信模块、应用软件测试模块、遥控终端、遥测处理显示模块以及远置终端；

其中，所述CTU虚拟目标机模块、所述调度控制模块、所述应用软件测试模块、所述遥控终端、所述遥测转发显示模块以及所述远置终端均连接所述总线及通信模块；

所述CTU虚拟目标机模块用于虚拟数管计算机的组成和功能，运行待测试数管应用软件；所述调度控制模块用于虚拟控制，具体为上述各模块间的时序控制、数据转发和运行控制，用于仿真时在目标机或仿真目标机上运行目标软件；所述总线及通信模块用于虚拟总线模块；所述应用软件测试模块用于虚拟对外提供接口；所述遥控终端用于根据不同的遥控注数及指令需求，提供统一遥控格式的注数包并产生校验结果；所述遥测处理显示模块所述遥测处理显示模块用于接收待测试数管应用软件周期性生成的遥测数据帧，并根据遥测原码处理公式，将原码转换为数字量遥测；所述远置终端用于模拟总线下位机。

所述时序控制具体为，上述各模块间的时序、节拍控制和仿真协同，保证计算机与模型之间的运行时序符合实际系统运行时序；所述数据转发，具体为，维护各模块间的数据通信协议，完成通信数据的类型识别、路由控制、收发中转；所述运行控制，具体为，各模块的暂停、运行、停止的同步控制和仿真速度的控制。

所述CTU虚拟目标机模块虚拟目标机处理器，具体为仿真通用定时器，看门狗定时器，通用异步串行口(UART)，内存控制器，异常和中断处理方法及寄存器；在本实施例中，具体为，所述CTU虚拟目标机模块，在主机的内存中，建立与星上星务系统的ERC32芯片的周边组成结构相对应的数据结构；仿真ERC32片内的通用定时器，看门狗定时器，通用异步串行口(UART)，内存控制器，异常和中断处理及32个寄存器。本发明依次执行用户程序代码，当用户程序代码对仿真ERC32片内外读写时，按照读写地址修改或读取相应寄存器的内容，并实时按字段分析读写的内容，模拟实际处理器操作该字段后产生的结果执行相应的行为。

所述总线及通信模块虚拟总线模块，具体为对RS232总线、RS422总线、MIL-STD-1553总线进行仿真。所述总线及通信模块虚拟的每个模拟过程都可以分解成多个固定的、可重用的部件(model)，通过提供API接口，既可以进行小规模重复应用，也可以进行大规模的仿真应用。本发明虚拟的目标机外围设备模型在本发明中运行时，与外部信号接口设备或接口仿真软件进行同步。

所述CTU虚拟目标机模块虚拟数管计算机的组成和功能，具体为，模拟CPU、可编程只读存储器PROM、同步动态随机存储器SDRAM、静态随机存储器SRAM和寄存器组。

各模块间通过TCP/IP协议和UDP数据包进行数据转发；各模块间采用事件队列机制进行时序节拍控制和协同仿真。

所述总线及通信模块根据1553B总线的高层通信协议和串口数据收发协议，采用TCP/IP协议，模拟实现总线和串口中的消息和控制指令。

所述应用软件测试模块用于虚拟对外提供接口，方便外部程序控制虚拟平台的执行和测试用例的注入。具体的运行接口包括：运行/停止虚拟内核，单步用户程序，读取/写入通用寄存器，读取/写入存储器，设定/取消断点，加入测试用例，获取当前处理器执行周期数等。配置接口包括：虚拟处理器的时钟设定，虚拟仿真ROM内存大小以及虚拟仿真RAM内存大小。所述应用软件测试模块能够实现对运行在仿真平台上的应用软件代码进行测试，主要包括源代码和汇编代码级别的软件调试与测试、断点处理、变量的查看与修改、覆盖率统计等。

所述远置终端用于模拟总线下位机，具体为，按照1553B高层通信协议进行，与BC工作模式和RT工作模式之间进行数据的发送和接收操作，并对下位机实现的功能进行仿真，向BC工作模式返回功能仿真的结果。

星上星务系统，包括物理连接模型和卫星信息流模型；星上星务系统主要是数管计算机通过1553B总线或串行接口，与其他单机连接，进行遥测数据的采集和遥控命令的发送；

卫星信息流主要包括上行遥控数据和下行遥测数据。根据遥控数据包的格式，生成不同功能的遥控注数和指令，由数管计算机发送给其他单机；同时，其他模拟终端响应上行的遥控数据，同时采集温度、状态等遥测数据，发送给数管模拟目标机；数管计算机对收集到的遥测包，依据帧格式组成符合要求的遥测帧，周期性的发送给遥测转发处理显示单元；

本发明中总线及通信模块根据1553B总线的高层通信协议和串口数据收发协议，采用TCP/IP协议，模拟实现总线和串口中的消息和控制指令。CTU虚拟目标机模块根据数管计算机的组成和功能，模拟CPU、可编程只读存储器PROM、同步动态随机存储器SDRAM、静态随机存储器SRAM、寄存器组、中断等，模拟目标代码的加载监控，对目标代码的解释执行，以及代码执行结果监视等。本发明能够对加载后的目标代码，同时显示高级语言和汇编语言的执行情况，提供断点、寄存器变量监视等工具对高级语言进行调试，同时提供覆盖率统计工具，便于监视代码测试的结果遥控注数生成模块根据不同的遥控注数及指令需求，提供满足统一遥控格式的注数包，并产生校验结果。本发明能够接收数管模拟目标机周期性生成的遥测数据帧，将遥测帧转发给遥测处理显示单元，处理显示单元根据遥测原码处理公式，将原码转换为数字量遥测。本发明通过TCP/IP协议，通过UDP数据包实现各个模块间数据的转发，同时，采用事件队列机制，实现各个模块间时序节拍控制和协同仿真，另外实现对仿真速度的加速、减速控制。

本发明模拟的目标机与物理单机存储、接口、中断等资源完全一致，数据流信息流满足高层通信协议，故仿真数据能真实有效反映实际运行情况，可以以此对应用软件的运行结果进行确认，同时可以通过注入各种故障状态，模拟相关的故障预案；本发明具备单步、断点等调试手段，提供对寄存器和变量的监视，对运行结果的覆盖率统计，方便进行目标代码的调试和测试，通过协同仿真，可以按照一定的加速比，提高目标代码的运行速度。本发明提供的通用全数字星务仿真平台已经运用在一种卫星数管系统的全数字仿真平台上，加载数管应用软件到该数字平台上，实现对目标代码的动态调试。通过调整加速比，对软件的健壮性进行验证，提高了星务系统的可靠性。

本发明可以模拟整星平台上主要计算机及交互设备的工作状态，并可以根据遥控终端中注入的遥控数据，更改当前工作工况，模拟卫星在不同阶段的情况；

本发明也可以模拟整星的数据流和信息流，注数包通过上行注数模块发送给调度控制模块，调度控制模块转发给CTU虚拟目标机模块，由数管应用软件根据注数包的格式对数据解析，执行相应操作；同时周期性组遥测帧，经由调度控制模块转发给遥测处理显示模块。

本发明提供的通用全数字星务仿真平台可以通过仿真环境调试、测试、验证目标代码，通过断点等调试助手实时控制数管应用软件的运行进程，同步显示高级语言和汇编语言，并实时显示主要寄存器和变量的修改情况。另外，在测试时，可用显示代码的执行情况和覆盖率。同时，通过对仿真的目标机，对代码的功能及数据交互的接口进行确认验证。本发明在物理单机没有交付或不具备使用条件时，能够调试代码，并对数管应用软件的功能进行验证。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种通用全数字星务仿真平台，其特征在于，包括CTU虚拟目标机模块、调度控制模块、总线及通信模块、应用软件测试模块、遥控终端、遥测处理显示模块以及远置终端；

其中，所述CTU虚拟目标机模块、所述调度控制模块、所述应用软件测试模块、所述遥控终端、所述遥测处理显示模块以及所述远置终端均连接所述总线及通信模块；

所述CTU虚拟目标机模块用于虚拟数管计算机的组成和功能，运行待测试数管应用软件；

所述调度控制模块用于虚拟控制，具体为CTU虚拟目标机模块、调度控制模块、总线及通信模块、应用软件测试模块、遥控终端、遥测处理显示模块以及远置终端之间的时序控制、数据转发和运行控制；

所述总线及通信模块用于虚拟总线模块；

所述应用软件测试模块用于虚拟对外提供接口；

所述遥控终端用于根据不同的遥控注数及指令需求，提供统一遥控格式的注数包并产生校验结果；

所述遥测处理显示模块用于接收待测试数管应用软件周期性生成的遥测数据帧，并根据遥测原码处理公式，将原码转换为数字量遥测；

所述远置终端用于模拟总线下位机。

2.根据权利要求1所述的通用全数字星务仿真平台，其特征在于，所述时序控制具体为，CTU虚拟目标机模块、调度控制模块、总线及通信模块、应用软件测试模块、遥控终端、遥测处理显示模块以及远置终端之间的时序、节拍控制和仿真协同；

所述数据转发，具体为，维护各模块间的数据通信协议，完成通信数据的类型识别、路由控制、收发中转；

所述运行控制，具体为，CTU虚拟目标机模块、调度控制模块、总线及通信模块、应用软件测试模块、遥控终端、遥测处理显示模块以及远置终端的暂停、运行、停止的同步控制和仿真速度的控制。

3.根据权利要求1所述的通用全数字星务仿真平台，其特征在于，所述CTU虚拟目标机模块虚拟目标机处理器，具体为仿真通用定时器、看门狗定时器、通用异步串行口(UART)、内存控制器、异常和中断处理方法及寄存器。

4.根据权利要求1所述的通用全数字星务仿真平台，其特征在于，所述总线及通信模块虚拟总线模块，具体为对RS232总线、RS422总线、MIL-STD-1553总线进行仿真。

5.根据权利要求1所述的通用全数字星务仿真平台，其特征在于，所述CTU虚拟目标机模块虚拟数管计算机的组成，具体为，模拟CPU、可编程只读存储器PROM、同步动态随机存储器SDRAM、静态随机存储器SRAM和寄存器组。

6.根据权利要求1所述的通用全数字星务仿真平台，其特征在于，CTU虚拟目标机模块、调度控制模块、应用软件测试模块、遥控终端、遥测处理显示模块与总线及通信模块间通过TCP/IP协议和UDP数据包进行数据转发；所述时序控制具体为，CTU虚拟目标机模块、调度控制模块、总线及通信模块、应用软件测试模块、遥控终端、遥测处理显示模块以及远置终端间采用事件队列机制进行时序节拍控制和协同仿真。

7.根据权利要求1所述的通用全数字星务仿真平台，其特征在于，所述总线及通信模块根据1553B总线的高层通信协议和串口数据收发协议，采用TCP/IP协议，模拟实现总线和串口中的消息和控制指令。