基于反射內存網的紅外導引頭測試系統通信技術

徐志躍，王玉龍，劉亞斌

（北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191）

隨著我國紅外制導武器的快速發展，制導武器對目標的識別、穩定跟蹤、高精度的打擊等性能要求變得越來越高，除了對紅外武器最初設計和研制階段進行嚴格控制外，后期的性能測試也是保證制導武器各項指標的必要步驟[1]。

半實物仿真測試方式為武器性能測試的主要方法[2]。紅外導引頭半實物仿真測試系統主要由紅外目標模擬器、總控計算機、三軸轉臺控制計算機等組成[3]。總控計算機是整個測試系統的核心，用來運行仿真測試軟件，并通過測試網絡收集和處理試驗數據，協調系統各個設備穩定工作。為了盡可能的提高各個設備之間數據傳輸的效率，避免傳統網絡通信可能存在的不可預測特性，提高導引頭測試環境的逼真度，使用合適的實時網絡技術顯得尤其重要。

反射內存網絡是一種以光纖作為主要通信電纜的高速性、實時性、確定性實時網絡。反射內存網絡在紅外導引頭測試系統中的運用，可以很好的滿足測試系統對數據傳輸高效率、傳輸時間可預測、數據強糾錯能力等方向的要求。文中針對反射內存網絡的特點，提出了一種高效，穩定和強實時性的紅外導引頭測試網絡系統方案。

1 反射內存網絡的基本概念

1.1 反射內存網絡的通信原理

反射內存網（Reflective Memory Network）是一種高速的、強實時性、傳輸確定性和可預測性的實時網絡[4]。相比于以太網等傳統網絡，反射內存網絡有著不占用或較少占用主機CPU時間、極強的可拓撲性、易于使用、維護方便、高速的數據傳輸、可靠的數據糾錯能力、支持中斷傳輸等特點。反射內存網絡主要由各個節點計算機內部的反射內存卡和通信光纖組成，星形拓撲結構的反射內存網絡還有反射內存集線器（Hub）。

反射內存網絡中的每張反射內存卡的存儲器中都有著其他節點的共享數據拷貝。網絡中每個反射內存卡中都占有一段內存地址，當單個節點計算機向本地反射內存卡中的特定地址內寫數據的同時，反射內存卡會將該數據和數據存放的地址以廣播的方式發送到其它反射內存卡，其他板卡接收到廣播后，會自動更新本地存儲器中相應地址中的數據，在極短的時間內，網絡中所有反射內存卡存儲器中會有相同的數據。

反射內存網絡主要有兩種連接方式，一種為常見的環型連接（圖 1），另一種是星型連接（圖 2）。

圖1 反射內存網環型拓撲結構圖Fig.1 Reflective memory network topology structure diagram

圖2 反射內存網星型拓撲結構圖Fig.2 Reflective memory network star topology

環型連接的主要特點是使用光纖把網絡中的每個節點串連形成一個環狀結構。環型連接的優點是不需要額外的Hub、光纖的總使用量少、成本較低；缺點是每個節點數據傳輸都有延時，當網絡中的任意一個節點計算機損壞或出現故障，都會導致整個網絡的癱瘓。

星型網絡連接的主要特點是網絡中的所有節點都通過一對光纖連接到Hub機箱。星型連接的優點是網絡中的一個或多個節點發生故障時，不會影響整個反射內存網絡通信，并且數據傳輸遲延相對較小；缺點是若Hub發生故障，則整個網絡癱瘓，且連接方式復雜、光纖使用量大、增加節點可能會增加多個Hub。星型連接雖然將所有的節點都通過一對光纖連接到Hub上，在物理上看似為星型，但其本質上仍為環型連接。

1.2 反射內存網的性質特點

反射內存網不僅具有數據傳輸高速性、確定性、可靠性以及中斷傳輸等特點，而且還有網絡節點之間通信不涉及到復雜的通信協議、傳輸遲延短、實時性強、網絡搭建方法簡單快捷和后期維護方便等優點[5]。

1）反射內存網通信時間的可確定性

以太網的傳輸機制決定了它很難做到傳輸遲延時間的可確定性，FDDI網絡雖然也有反射內存網絡存在的傳輸確定性，但是FDDI網絡在數據傳輸過程中不存在中斷傳輸，很少運用在強實時性的系統環境。

2）跨平臺支持

反射內存網絡允許各個節點使用不同種類的反射內存卡，并且各節點使用何種操作系統對反射內存進行操作都不會影響網絡正常通信。

3）高效的容錯機制

反射內存網絡環狀拓撲結構 （星型拓撲本質上也是環型），能夠可靠的對通信過程中出現的傳輸錯誤進行差錯檢測和錯誤修正。在環狀拓撲網絡當中，系統中任意一個節點都會將發出的原消息和經環狀傳輸后返回的消息進行逐一比較，出現任何的不同都會使原消息被重新傳輸，保證數據傳輸的正確性和可靠性。

2 基于反射內存網的紅外導引頭測試系統的構建

2.1 測試系統硬件平臺設計方案

系統主要由7臺PXI總線的計算機、1個紅外目標模擬器、1個三軸轉臺、一個星型連接Hub組成。7臺PXI計算機組成反射內存網絡的7個節點，每臺計算機都安裝一塊VMICPXI-5565反射內存卡。各個節點計算機的主要功能分別是：

1）總控計算機：用來控制、監視和協調整個測試系統，負責對整個導引頭測試系統的任務進行總體調度、控制和管理；總控制臺通過光纖網絡向各子節點發出指令，并且根據測試的具體要求從各子節點獲取最新的處理信息，對各個子節點進行控制和管理。

2）評估監測計算機：用來對紅外導引頭的各項采集數據進行顯示和計算，并將計算結果與對應性能指標進行對比，得出評估結果；

3）目標監測計算機：負責顯示和監測目標模擬器的目標源信息和干擾源信息；

4）轉臺監測計算機：負責顯示和設置相關參數，并監測轉臺的運動方式、位置、速度和報警等信息；

5）環境監測計算機：監視當前測試環境的溫度、濕度、潔凈度和煙霧等；

6）圖像采集計算機：用來對紅外導引頭進行紅外圖像采集、壓縮、存儲、回放等圖像數據處理；

7）數據采集計算機：對其它RS422等測試數據進行采集、壓縮、存儲、回放等處理。

整體結構如圖3所示。

圖3 紅外導引頭通信網絡結構圖Fig.3 Infrared seeker communication network structure diagram

2.2 測試系統軟件設計與實現

軟件設計的核心部分是對VMIC5565反射內存卡128M的地址空間進行分配和基于反射內存網絡的數據和命令的發送與接收、數據實時顯示、各種狀態監控等[6]。

1）反射內存網絡通信協議的設計

針對反射內存網絡數據種類的3種形式：命令、數據和狀態。將整個內存共享區劃分為4個獨立的區域：數據區、圖像區、命令區和狀態區。每個區域里的數據形式相對單一，管理起來更加容易，并由中斷號來管理這些分區，中斷號與分區一一對應，如表1所示。

表1 中斷號分配Tab.1 Interrupt number distribution

對紅外導引頭測試系統的7個節點計算分配如表2所示的節點號，并將VMIC5565反射內存卡中的128M存儲空間按表3分配給每個節點。

表2 系統節點分配Tab.2 Node distribution system

表3 共享儲存區的內存地址分配Tab.3 Shared memory address allocation of storage areas

2）節點計算機軟件通信流程

紅外導引頭測試通信系統中的每個節點計算機對本地VMIC卡的操作流程框圖如圖4所示。

各節點計算機首先會創建一個VMIC反射內存卡的實例，并在初始化設置后，使能各個中斷。若此節點計算機有數據需要下發到其它節點，會先判斷此數據是命令，圖像，還是狀態之后，更新本地反射內存卡對應地址中的內存，再發送對應中斷至其它節點計算機，若接收到目標節點回傳的中斷，并判斷標志位確定為“0”后，則本次數據通信結束，等待下一次發送循環。本地計算機同時運行接收數據線程，用來等待其他節點發送的數據更新中斷，在收到中斷并更新對應地址內的數據后設置對應參數為“0”。

3 測試系統性能測試

由于紅外導引頭測試系統在星型連接方式下，各個節點之間數據傳輸具有發送開始時間不確定和發送數據塊大小不確定。本測試系統中，為了使系統在更嚴格的測試環境下得到最可靠的測試結果，這里采用通過主節點在不確定的時間內向其他子節點發送隨機大小的數據塊，并主要記錄大小為 16 Byte、64 Byte、1 024 Byte、1 MB 的種常用的塊大小進行測試速率計算。由于節點計算機讀反射內存網絡中相應地址數據主要是讀自身反射內存卡存儲器中對應地址的數據，讀取速率遠遠小于發送速率[7]。因此本系統主要測試發送數據的速率，即通過總控計算機向其它子計算機發送命令、狀態等數據，并記錄數據大小和發送到回傳所經過的時間，通過多次測試并計算得出數據傳輸速率如表4。

圖4 節點計算機程序流程Fig.4 Node computer program flow

表4 星型結構下單點發多點收的傳輸速率測試結果Tab.4 Transmission rate?test results under star structure

測試結果表明：對系統通信速率，遲延，誤碼率等各項指標測試，可以驗證基于反射內存網絡構建的紅外導引頭測試系統數據共享網絡有著實時性好、數據傳輸可靠、傳輸速度快等特點，可以很好的滿足紅外測試系統對通信網絡的多種要求。

4 結 論

根據紅外導引頭測試系統對通信網絡有著強時實性、可靠性、數據傳輸可預測性、高速性等要求，提出了基于反射內存網絡組建紅外導引頭測試系統的方案，并設計了測試系統的硬件結構和軟件實現方法。通過實驗驗證了反射內存網絡有著實時性好、數據傳輸速度高、極強的容錯機制的特點。證明反射內存網絡是紅外導引頭測試系統網絡通信的理想技術，對我國航空武器的生產和發展都有著十分重要的意義。

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