出艙活動試驗系統間艙壓數據接口設計

史志明 崔俊峰 夏 云 匡 鴻 李文波

(1 中國航天員科研訓練中心,北京 100094)

(2 中國空間技術研究院,北京 100094)

1 引言

現代載人航天工程由多個大系統構成,這些大系統均廣泛使用了各類計算機和網絡技術,構成了天地一體化的復雜信息網絡;軟件也逐漸成為其中的核心與靈魂,既包括系統自研軟件產品,也包括商用軟件、附屬于設備的應用軟件和其它軟件等,載人航天工程已成為一項軟件密集型工程[1]。隨著各類綜合性測試和試驗任務的增多,不同系統之間的數據交互需求也日益增多,既包括系統內的既定軟件通信需求,也包括系統間的軟件通信需求。及時和更好地滿足這些需求,越來越成為軟件產品研制需要考慮的問題。

本文以出艙活動試驗中地面測試系統艙壓接口軟件的實現為例,對基于動態數據交換(Dynamic Data Exchange,DDE)的通信機制在工程型號任務中軟件系統通信方面的應用性進行了探討。

2 動態數據交換技術概述

動態數據交換(DDE)是Window s 應用程序之間交換數據信息的一種通信機制[2],是一種發展成熟并廣泛應用的技術[2-5]。DDE 協議基于客戶/服務器模型,服務器是一個充當信息源的應用程序,可根據客戶應用程序的要求來執行服務,客戶與服務器之間的一次鏈接被稱為一次對話,一個服務器可鏈接到多個客戶,一個客戶也可以同時鏈接到多個服務器。DDE 通信有3 種處理方式:熱鏈接、溫鏈接、冷鏈接。熱鏈接在服務軟件的數據發生變化時立即自動改變客戶軟件的數據;溫鏈接在服務軟件數據有變化時向客戶軟件報信,但只在客戶軟件提出請求時才向客戶軟件傳遞數據;冷鏈接僅當服務軟件發出DDE REQ UEST 請求命令時才改變客戶軟件的數據[2-3]。

DDE 鏈接需要3個參數:服務名(Application)、主題名(Topic)、項目名(Item)。服務名是由服務器應用在系統中注冊的,主題名是服務名下數據操作項的集合,項目名是主題名下操作的具體數據項。一個服務可提供多個主題,一個主題可提供多個項目,最后由項目名確定要交換的數據[5]。

3 研制任務分析

神舟七號飛船任務中,為完成航天員出艙活動試驗任務,需要對飛船系統及裝船的艙外活動航天服系統等共同進行充分的地面試驗[6]。真空環境下氣閘艙與航天員及艙外航天服聯合試驗是我國首次有人參與的真空試驗,該試驗要驗證氣閘艙功能以及與航天員、艙外服的協調性、接口匹配性和出艙活動程序安排的合理性[7]。試驗中的艙壓數據對于航天員系統具有重要意義,需要全程監測此數據以輔助系統的綜合分析與決策。該數據從飛船系統獲取,但是要納入航天員系統地面綜合監測系統(以下簡稱地面監測系統),而地面監測系統需要不間斷地參加其它試驗任務,因此,基于“各部分功能變化最小”為原則,確定開發一個相對獨立的接口程序模塊來完成系統需求。

飛船系統通過商用組態軟件采集艙壓,該軟件作為OPC(用于過程控制的對象鏈接和嵌入OLE技術)服務器,通過OPC 和DDE 接口形式提供輸出數據。從技術上分析,地面監測系統可以通過三種方式實現艙壓數據通信:1)飛船系統提供DDE 服務器功能,航天員系統通過DDE 方式讀取數據;2)地面監測系統以OPC 客戶端方式從飛船系統讀取數據[8];3)飛船系統將數據轉換后通過網絡通信以用戶數據報協議(UDP)方式直接向地面監測系統發送。綜合比較三種實現方式的技術難度、雙方開發風險和時間節點的要求,確認采用第一種方式,冷鏈接處理,如圖1所示。

其選擇基于以下考慮:1)要求地面監測系統所做的數據請求操作不能對飛船系統OPC 服務器端有任何影響,采用DDE 方式通信實際上是與OPC服務器主鏈路進行了隔離,保證了絕對安全性;2)由OPC 服務器實現遠程數據獲取,DDE 方式實現本地數據交換,最大限度降低技術實現難度;3)可以使用多種軟件產品作DDE 數據通信測試,有效降低現場調試難度及工作量,確保試驗不受影響,并一次成功。

圖1 地面監測系統艙壓接口示意圖Fig.1 Ground monitoring system interface sketchmap

4 接口通信的設計與實現

4.1 接口設計

經過雙方協調,航天員系統的地面監測系統與飛船系統間艙壓通信接口規定如下:1)接口協議為本地DDE;2)數據格式為每幀1～4個字符串形式的雙精度浮點數艙壓數據;3)采集頻率1 幀/s;4)艙壓接口軟件運行于獨立的工作微機,配置雙網卡,實現雙方網絡的隔離。

接口軟件的主要功能包括:艙壓數據的采集、有效性判讀、解包轉發、收發統計顯示、數據存儲和回放等,并且通過基于WinSock 的網絡通信方式與地面監測系統內部進行交互。

4.2 通信處理的設計與實現

DDE 接口通信的處理流程如圖2所示。

圖2 艙壓DDE 接口通信的流程圖Fig.2 Flow chart of DDE interface communication

具體實現如下:

1)程序初始化時,調用DdeInitialize 函數初始化DDE 管理庫,以參數形式提供回調函數DdeCall-Back,當程序以消息形式收到待處理事務時,就調用該回調函數;

2)將Excel 軟件作為測試使用的DDE 服務器,飛船系統艙壓采集軟件作為實時通信的DDE 服務器,根據需求進行連接;

3)連接成功后,獲取一個HCONV 類型定義的變量,作為DDE 通信和操作的句柄,然后,啟動數據采集定時器讀取數據;

4)一次完整的DDE 通信操作,通過調用Dde-ClientTransaction 函數發送不同的命令來實現,發送開始通信的請求,該請求被接受以后再發送讀取數據的請求,直到程序停止通信;

5)每次數據采集完成即進行內部處理,包括判別、轉發、統計、顯示和存儲等。

4.3 接口測試設計與實現

按照循序漸進、確保成功的原則,制定了如下測試流程:1)實現與Excel 的靜態和動態數據交互;2)在第1 步基礎上測試與艙壓采集組態軟件的非現場仿真通信;3)最后在仿真通過以后與飛船系統進行現場接口測試及預聯試。

4.4 軟件運行結果

艙壓接口軟件在試驗現場進行了實時采集測試和連續無故障運行時間測試,根據實測情況增加了DDE 連接的定時檢測和自動重鏈接功能,進一步提高了軟件連續無故障運行的可靠性。圖3是DDE通信設置界面,用于3個關鍵通信參數的修改和更新;圖4是應用軟件主界面,提供人機交互操作與軟件運行監控功能。

圖3 DDE 通信參數設置界面Fig.3 Interface of DDE parameters settings

圖4 接口模塊應用軟件主界面Fig.4 Main interface of application softw are

艙壓接口軟件應用于航天員系統的地面監測系統,參加了出艙活動驗證試驗的2次預聯試和2次正式任務,試驗中實現了1s 快速無阻塞采集通信,每次正式試驗連續運行時間超過6h,數據量累計為691 200byte,整個試驗中數據采集正確、運行穩定可靠,順利完成試驗任務。

5 討論

航天員系統內現有的大型設備和系統集成項目如超重訓練設備、艙外航天服試驗艙、模擬失重訓練水槽、航天飛行訓練仿真設備等,都包含了不同數量的商用軟件和工程控制軟件,這些軟件可以根據需要進行二次開發或提供數據接口[9]。隨著載人航天任務需求的多樣化,地面監控系統會不斷產生與這些系統之間的數據通信需求。在組態軟件基礎上,利用DDE 等通用數據通信機制和編程技術實現數據交互,是具有較高效率和現實可行性的方式。以本軟件為例,根據型號任務實際需求,在不影響既定數據接口規程前提下,通過合理選擇技術實現路徑,降低了技術難度,保證了時間節點。型號任務后期試驗中,對于滿足監測參數較少,但不確定性較大的接口需求來說,基于DDE 的數據通信機制具有簡單可靠、方便快捷的優點。從這個意義上來說,可以考慮將相關的接口功能模塊化和標準化,以提高其可應用性和可擴展性。

總的來看,對于工程型號任務中的網絡數據接口通信而言,DDE 的優勢在于:技術比較成熟,在Window s 操作系統中應用廣泛,兼容性好,占用系統資源少;其不足在于:從數據交換速度、連接的可維護性、可交換數據的復雜性等方面來說,DDE 對于復雜工程控制環境和多信道大數據流的網絡通信可應用性并不明顯,在這種情況下,還是需要選擇或者結合其它的網絡接口通信技術來實現。

References)

[1]陳炳忠,王朋.載人航天工程軟件化趨勢及其啟示[J].載人航天,2006(4):2

[2]趙明生,李愛梅.DDE 技術及其在先進控制技術中的應用[J].計算機工程與設計,2005,26(9):25-46

[3]陳犖,景寧.動態數據交換技術及其實現方法研究[J].計算機工程與應用,1999,20(3):42-45

[4]劉軍,任光,蓋立平.工業現場控制網絡數據動態交換技術的研究[J].大連海事大學學報,2000,26(4):76-77

[5]梁庚,白焰,李文.基于Window sDDE 的客戶/服務器應用開發[J].計算機工程與設計,2004,25(5):736-737

[6]崔俊峰,陽高峰,龔潔,等.航天員出艙活動地面試驗系統設計與實現[J].中國空間科學技術,2008 (6):52-55

[7]張柏楠,尚志,潘騰,等.神舟七號飛船出艙活動氣閘艙的研制[J].中國科學E 輯:技術科學,2009,39(8):1388-1389

[8]胡志坤.Visual C++通信編程工程實例精編[M].北京:機械工業出版社,2007:163-169

[9]陳善廣.航天醫學工程學發展60年[M].北京:科學出版社,2009:199-200,225-229