CN112417678B - 一种硬实时性飞行器测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硬实时性飞行器测试系统,实现了对飞行器全任务阶段高实时性、高覆盖性的测试。本发明包括主控机和模拟器,主控机完成人机交互,并将测试任务注入到模拟器中,模拟器对测试任务解析执行,并将执行结果送回到主控机中。针对测试过程的实时性问题,设计了基于全局队列的任务分配算法和最早截止时间优先的任务调度算法来解决VxWorks系统中任务分配与调度问题,保证测试流程实时执行。本发明按照前后端分离的设计思路将测试指令执行与测试结果显示的过程分离,在实现人机交互的同时保证测试过程实时性,解决了传统测试设备不能满足部分接口时间特性的问题,从而实现对飞行器全任务阶段的测试,满足测试过程中的实时性要求。
Description
技术领域
本发明属于航天器地面测试领域,涉及一种飞行器测试系统。
背景技术
在航天领域,项目产品的研发、设计、生产需要通过大量测试来进行定性、定量实验验证,需要检测的信号众多,整个系统中各子系统之间互相联系又互相制约;各子系统可能需要前一级系统的输出数据,而且也可能向下一级系统输出数据。整个工程的研制需要各个子系统同时进行以提高效率,否则会影响型号任务的研制进度。所以在整个系统的研制过程中,尤其是前期验证阶段,需要通过外系统等效测试设备开展系统软硬件接口匹配测试,一方面保证系统功能性能的测试覆盖性,验证系统设计,提前发现系统缺陷,提高系统可靠度,另一方面节约器上产品配套,节省研制经费,同时加快研制进度。
目前,国内针对飞行器的地面测试系统一般基于Windows操作系统,基于MFC或WinForm通过各类标准接口板卡实现对RS422串口、LVDS串口、1553B总线等电气接口的测试,往往只能实现对接口数据收发正确性的测试,无法实现对飞行器不同飞行阶段、不同工况下运行状态的测试;同时受限于操作系统的非实时性,测试指令执行的实时性得不到保证。
发明内容
本发明解决的技术问题:克服现有技术的不足,设计了一种基于硬实时操作系统的飞行器测试系统,按照前后端分离的设计思路将测试指令执行与测试结果显示的过程分离,在实现人机交互的同时保证测试过程实时性,解决了传统测试设备不能满足部分接口时间特性的问题,从而实现对飞行器全任务阶段的测试,满足测试过程中的实时性要求。
为解决上述问题,本发明采用的技术方案是:一种硬实时性飞行器测试系统,包括主控机、模拟器;模拟器搭载各种功能板卡,连接飞行器上的待测系统;主控机通过网络与模拟器进行交互;
主控机将每次测试所用的测试指令输出到模拟器中,接收模拟器采集的测试数据,并对接收到的数据进行判读和显示,在测试完成后生成测试报告;
模拟器接收主控机输入的测试指令,将测试指令解析成各类电气信号输出到待测系统,采集待测系统对测试指令的响应结果,并作为指令执行结果输出到主控机。
主控机基于.NET Framework 4.0框架通过WPF技术实现UI界面,通过调用DirectX接口充分利用GPU的并行计算性能,利用WPF数据绑定特性将视图层与逻辑层分离。
主控机包括界面显示层、数据传递层、数据处理层。
界面显示层按照功能划分为若干功能模块,每个功能模块中包括测试指令发送子模块和测试数据显示子模块,通过数据绑定机制绑定到数据传递层的各个变量上,实现数据实时更新;将界面显示线程绑定到固定CPU上运行;
数据传递层接收界面显示层的输入,通过事件的形式向数据处理层传递测试指令;数据传递层订阅数据处理层触发的事件,获取数据解析线程处理好的测试数据,按照应用过程标识符分发往界面显示层中不同功能模块的界面上,完成测试数据的显示功能;
数据处理层包括指令转发线程、数据接收线程、数据解析线程、报告生成线程;数据接收线程接收来自模拟器的数据,并将其放在缓存中;数据解析线程从缓存中取出数据,解析出每个数据源包中的应用过程标识符,同时添加数据源包的硬件通道、接收时间,激发事件通知数据传递层;指令转发线程接收来自数据传递层输入的测试指令,并通过TCP接口转发到模拟器;测试报告生成线程接收来自数据解析线程中处理好的数据,并将其记录在测试报告中。
模拟器搭载的各种功能板卡包括异步串口卡、同步串口卡、LVDS板卡、1553B板卡、数字量输入输出板卡、DA输出板卡。
模拟器通过异步串口卡实现与待测系统异步RS422的通信,通过同步串口卡实现与待测系统同步RS422的通信,模拟器通过LVDS板卡实现与待测系统LVDS接口的通信,通过1553B板卡实现分时模拟多个远程终端,通过数字量输入输出板卡输出OC门信号和开关量。模拟器通过DA输出板卡实现电压模拟量的输出,通过固定阻值电阻模拟温度量的输出。
模拟器采用VxWorks 6.6操作系统,在Windriver Workbench 3.0开发环境下,通过调用各功能板卡的板级支持包,完成底层接口的开发和调试。
模拟器包括测试指令接收模块、指令解析执行模块、高实时性任务执行模块、板卡封装调用模块、数据采集处理模块、测试数据模块;
测试指令接收模块建立与主控机之间的TCP连接,接受主控机发来的测试指令,并缓存在消息队列当中;
指令解析执行模块把从TCP消息队列中获取的测试指令进行解析,将实时性要求≤10ms或运行周期≤50ms的测试指令进行封装,通过高实时性任务执行模块实现;将实时性要求>10ms的测试指令通过板卡封装调用模块实现;
对于封装后的测试指令,高实时性任务执行模块接受主控机发来的启动和停止指令,后续执行过程由模拟器自主控制;
板卡封装调用模块接收实时性要求>10ms的测试指令,控制各功能板卡向待测系统进行数据发送;采集各功能板卡中接收缓冲中的数据,并送到数据采集处理模块中;
数据采集处理模块将各功能板卡采集的数据进行处理,送到UDP消息队列中等待发送;
测试数据上传模块建立与主控机之间的UDP连接,将打包好的测试数据回传给主控机。
使用硬实时性飞行器测试系统的测试方法,包括步骤如下:
(1)通过主控机对测试流程进行编排,将本次测试需执行的指令加入到测试队列中;
(2)主控机通过网络将测试队列注入到模拟器中;
(3)模拟器对测试指令进行解析,按照测试队列中的顺序依次执行;
(4)模拟器实时监测待测系统的运行状态及对测试指令的反馈,将测试结果送回到主控机,主控机对测试结果进行判读显示。
本发明与现有技术相比的优点在于:
本发明采用强实时性的VxWorks系统,通过任务控制块实现任务间上下文快速切换,基于优先级抢占式的调度算法保证测试任务执行的实时性;通过线程绑定防止了软件运行过程被其它线程抢占CPU资源,提高了界面显示刷新线程的执行效率;采用自旋等待与阻塞等待相结合的方式解决了Windows系统计时不够精确的问题,从而尽可能降低了整个测试回路的时延,将测试结果更快地呈现在使用者面前。
附图说明
图1为测试系统组成框图;
图2为模拟器组成框图;
图3为主控机组成框图。
具体实施方式
结合附图对本发明进行说明。
硬实时性飞行器测试系统包括实现人机交互的主控机、执行测试指令的模拟器;模拟器搭载各种功能板卡,直接连接飞行器上的待测系统,模拟其它系统与待测系统之间的信息传输;主控机通过网络与模拟器进行交互,发送测试序列并接收测试数据,测试系统架构如图1所示。
主控机将每次测试所用的测试指令输出到模拟器中,接收模拟器采集的测试数据,并对接收到的数据进行判读和显示,在测试完成后生成测试报告;主控机基于.NETFramework 4.0框架通过WPF技术实现UI界面,通过调用DirectX接口充分利用GPU的并行计算性能,利用WPF数据绑定特性将视图层与逻辑层分离,将不易被用户识别的底层消息转换为用户方便识别的应用信息,实现了低耦合高可重用性的Model-View-ViewModel架构,从而将测试结果尽快呈现在使用者面前。
模拟器接收主控机输入的测试指令,将指令解析成各类电气信号输出到待测系统,采集待测系统对测试指令的响应结果,并作为指令执行结果输出到主控机;模拟器通过异步串口卡实现与待测系统异步RS422的通信,通过同步串口卡实现同步RS422的通信,通过LVDS板卡实现LVDS接口的通信,通过多功能1553B板卡实现分时模拟多个远程终端,通过数字量输入输出板卡输出OC门信号和开关量,通过DA输出板卡实现电压模拟量的输出,通过固定阻值电阻模拟温度量的输出;
模拟器采用VxWorks 6.6操作系统,在Windriver Workbench 3.0开发环境下,通过调用各功能板卡的板级支持包,完成底层接口的开发和调试。
模拟器通过测试指令接收模块、指令解析执行模块、高实时性任务执行模块、板卡封装调用模块、数据采集处理模块、测试数据上传模块实现对被测系统的测试,如图2所示。
测试指令接收模块:建立与主控机之间的TCP连接,接受主控机发来的测试指令,并缓存在消息队列当中。
指令解析执行模块:把从TCP消息队列中获取的测试指令进行解析,将实时性要求≤10ms或运行周期≤50ms的测试指令进行封装,通过高实时性任务执行模块实现;将实时性要求>10ms的测试指令通过板卡封装调用模块实现;
高实时性任务执行模块:对于封装后的测试指令,只接受主控机发来的启动和停止指令,后续执行过程由模拟器自主控制,从而避免主控机时延的不确定性。
板卡封装调用模块:板卡封装调用一方面接收实时性要求>10ms的测试指令,控制各功能板卡向待测系统进行数据发送,另一方面采集各功能板卡中接收缓冲中的数据,并送到数据采集处理模块中;
数据采集处理模块:将各功能板卡采集的数据进行处理,送到UDP消息队列中等待发送。
测试数据上传模块:建立与主控机之间的UDP连接,将打包好的测试数据回传给主控机。
通过执行上述流程,模拟器完成与被测系统之间通过RS422、LVDS和1553B等电气接口的直接通信,搭载VxWorks系统基于多任务架构实现软件功能,模拟飞行器上其他系统的运行状态对被测系统进行测试。基于VxWorks的时间片轮转和优先级抢占任务调度策略进行调度,保证测试任务能够在其硬时间限前完成,并根据任务的实时性要求设置各个任务的优先级。
主控机上使用Windows系统实现对实时性要求相对较低的人机交互界面,基于WPF完成软件设计,将不易被用户识别的底层消息转换为用户方便识别的应用信息,主控机采用MVVM架构,如图3所示,主控机包括界面显示层、数据传递层、数据处理层。
界面显示层:按照功能划分为若干功能模块,每个功能模块中包括测试指令发送和测试数据显示两部分,通过数据绑定机制绑定到数据传递层的各个变量上,实现数据实时更新。界面显示被其它线程抢占会导致界面卡顿、测试指令无法发送等问题,对实时性要求较高。因此,将界面显示线程绑定到固定CPU上运行,防止线程执行过程中资源被抢占,提高Cache的命中率,不会因CPU时间片轮转而导致时延增加,提高任务执行效率,从而降低整个测试流程的延时。
数据传递层:一方面接收界面显示层的输入,通过事件的形式向数据处理层传递测试指令;一方面订阅数据处理层触发的事件,获取数据解析线程处理好的测试数据,按照应用过程标识符分发往界面显示层中不同功能模块的界面上,完成测试数据的显示功能。
数据处理层:包括指令转发线程、数据接收线程、数据解析线程、报告生成线程;
数据接收线程接收来自模拟器的数据,并将其放在缓存中;数据解析线程从缓存中取出数据,解析出每个数据源包中的应用过程标识符,同时添加数据源包的硬件通道、接收时间,激发事件通知数据传递层;指令转发线程接收来自数据传递层输入的测试指令,并通过TCP接口转发到模拟器;测试报告生成线程接收来自数据解析线程中处理好的数据,并将其记录在测试报告中。
综合考虑精度、稳定性和CPU开销,采用自旋等待与阻塞等待相结合的方式,首先通过阻塞等待执行计时,在此基础上通过自旋等待进行修正,以达到高精度计时的效果同时尽量减少CPU开销。
2、工作流程
(1)通过主控机对测试流程进行编排,将本次测试需执行的指令加入到测试队列中;
(2)主控机通过网络将测试队列注入到模拟器中;
(3)模拟器对测试指令进行解析,按照测试队列中的顺序依次执行;
(4)模拟器实时监测待测系统的运行状态及对测试指令的反馈,将测试结果送回到主控机,主控机对测试结果进行判读显示。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
Claims (6)
1.一种硬实时性飞行器测试系统,其特征在于,包括主控机、模拟器;模拟器搭载各种功能板卡,连接飞行器上的待测系统;主控机通过网络与模拟器进行交互;
主控机将每次测试所用的测试指令输出到模拟器中,接收模拟器采集的测试数据,并对接收到的数据进行判读和显示,在测试完成后生成测试报告;
模拟器接收主控机输入的测试指令,将测试指令解析成各类电气信号输出到待测系统,采集待测系统对测试指令的响应结果,并作为指令执行结果输出到主控机;
主控机基于.NET Framework 4.0框架通过WPF技术实现UI界面,通过调用DirectX接口充分利用GPU的并行计算性能,利用WPF数据绑定特性将视图层与逻辑层分离;
主控机包括界面显示层、数据传递层、数据处理层;
界面显示层按照功能划分为若干功能模块,每个功能模块中包括测试指令发送子模块和测试数据显示子模块,通过数据绑定机制绑定到数据传递层的各个变量上,实现数据实时更新;将界面显示线程绑定到固定CPU上运行;
数据传递层接收界面显示层的输入,通过事件的形式向数据处理层传递测试指令;数据传递层订阅数据处理层触发的事件,获取数据解析线程处理好的测试数据,按照应用过程标识符分发往界面显示层中不同功能模块的界面上,完成测试数据的显示功能;
数据处理层包括指令转发线程、数据接收线程、数据解析线程、报告生成线程;数据接收线程接收来自模拟器的数据,并将其放在缓存中;数据解析线程从缓存中取出数据,解析出每个数据源包中的应用过程标识符,同时添加数据源包的硬件通道、接收时间,激发事件通知数据传递层;指令转发线程接收来自数据传递层输入的测试指令,并通过TCP接口转发到模拟器;测试报告生成线程接收来自数据解析线程中处理好的数据,并将其记录在测试报告中;
模拟器采用VxWorks 6.6操作系统,在Windriver Workbench 3.0开发环境下,通过调用各功能板卡的板级支持包,完成底层接口的开发和调试;
模拟器包括测试指令接收模块、指令解析执行模块、高实时性任务执行模块、板卡封装调用模块、数据采集处理模块、测试数据模块;
测试指令接收模块建立与主控机之间的TCP连接,接受主控机发来的测试指令,并缓存在消息队列当中;
指令解析执行模块把从TCP消息队列中获取的测试指令进行解析,将实时性要求≤10ms或运行周期≤50ms的测试指令进行封装,通过高实时性任务执行模块实现;将实时性要求>10ms的测试指令通过板卡封装调用模块实现;
对于封装后的测试指令,高实时性任务执行模块接受主控机发来的启动和停止指令,后续执行过程由模拟器自主控制;
板卡封装调用模块接收实时性要求>10ms的测试指令,控制各功能板卡向待测系统进行数据发送;采集各功能板卡中接收缓冲中的数据,并送到数据采集处理模块中;
数据采集处理模块将各功能板卡采集的数据进行处理,送到UDP消息队列中等待发送;
测试数据上传模块建立与主控机之间的UDP连接,将打包好的测试数据回传给主控机。
2.根据权利要求1所述的一种硬实时性飞行器测试系统,其特征在于,模拟器搭载的各种功能板卡包括异步串口卡、同步串口卡、LVDS板卡、1553B板卡、数字量输入输出板卡、DA输出板卡。
3.根据权利要求2所述的一种硬实时性飞行器测试系统,其特征在于,模拟器通过异步串口卡实现与待测系统异步RS422的通信,通过同步串口卡实现与待测系统同步RS422的通信。
4.根据权利要求3所述的一种硬实时性飞行器测试系统,其特征在于,模拟器通过LVDS板卡实现与待测系统LVDS接口的通信,通过1553B板卡实现分时模拟多个远程终端,通过数字量输入输出板卡输出OC门信号和开关量。
5.根据权利要求4所述的一种硬实时性飞行器测试系统,其特征在于,模拟器通过DA输出板卡实现电压模拟量的输出,通过固定阻值电阻模拟温度量的输出。
6.使用如权利要求1~5任一所述的硬实时性飞行器测试系统的测试方法,其特征在于,包括步骤如下:
(1)通过主控机对测试流程进行编排,将本次测试需执行的指令加入到测试队列中;
(2)主控机通过网络将测试队列注入到模拟器中;
(3)模拟器对测试指令进行解析,按照测试队列中的顺序依次执行;
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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