基于UML的1553B通訊仿真在LabVIEW中的實(shí)現(xiàn)

（91550部隊(duì) 大連 116023）

1 引言

現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)通常采用的是MIL-STD-1553B時(shí)分制指令/響應(yīng)多路傳輸數(shù)據(jù)總線通信系統(tǒng)，它包括總線控制器（BC）、遠(yuǎn)程終端（RT）、總線監(jiān)控器（BM）及電纜等，是一種集中控制、分布式處理的系統(tǒng)［1～2］。為了保證通信系統(tǒng)正常運(yùn)行，使系統(tǒng)在調(diào)試、互聯(lián)、檢測(cè)等過程中，對(duì)發(fā)生的故障、技術(shù)問題能夠準(zhǔn)確定位、及時(shí)排除，需要一種能夠完成這種任務(wù)的檢測(cè)仿真設(shè)備。

LabVIEW是虛擬儀器概念的首創(chuàng)者，是美國(guó)National Instruments（簡(jiǎn)稱NI）公司推出的一款圖形化軟件開發(fā)環(huán)境［3～6］。LabVIEW版本中首次引入了面向?qū)ο缶幊痰乃枷耄脩艨蓜?chuàng)建更易維護(hù)的代碼，令代碼的修改不影響應(yīng)用程序中的其它代碼，也可用于創(chuàng)建用戶定義的數(shù)據(jù)類型［7～8］。

Unified Modeling Language（簡(jiǎn)稱UML）是一種面向?qū)ο蟮慕ＵZ言，用來描述軟件從需求分析到實(shí)現(xiàn)和測(cè)試的全過程。它涵蓋了面向?qū)ο蟮姆治觥⒃O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，融合了早期面向?qū)ο蠼７椒ê透鞣N建模語言的優(yōu)點(diǎn)，為面向?qū)ο笙到y(tǒng)的開發(fā)、軟件自動(dòng)化工具與環(huán)境提供了豐富的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹U(kuò)充性強(qiáng)的表達(dá)方式［9～10］。UML 是由圖和元模型組成的。圖是UML的語法，而元模型則給出了圖的意思，是UML的語義。UML語言中的核心概念包括用例圖、用例、角色、協(xié)作圖、順序圖、狀態(tài)圖、類圖、組件圖、配置圖等。

本文基于UML采用面向?qū)ο缶幊痰姆椒ǎ?1］，在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)了某型號(hào)武器火控系統(tǒng)內(nèi)部的1553B通訊仿真。其具有以下特點(diǎn)：

1）與面向過程的編程方法相比，極大地降低了模塊之間的耦合性，保證了不同模塊可以完全獨(dú)立的開發(fā)、測(cè)試、維護(hù)和升級(jí)；

2）LabVIEW與傳統(tǒng)的面向?qū)ο缶幊陶Z言不同，它采用強(qiáng)大的圖形化語言（G語言）編程，面向測(cè)試工程師而非專業(yè)程序人員，編程非常方便，人機(jī)交互界面直觀友好，開發(fā)周期短，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn)。

2 體系結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)組成

某型號(hào)武器火控系統(tǒng)內(nèi)部的1553B通訊系統(tǒng)由總線監(jiān)控器（BM）、總線控制器（BC）和三個(gè)遠(yuǎn)程終端（RT），通過1553B總線接口并經(jīng)過總線介質(zhì)互連而成，各自操作獨(dú)立，資源和功能則可通過網(wǎng)絡(luò)共享。其中，BC用來控制RT的接收和發(fā)送信息，BM負(fù)責(zé)接收總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并截取選定的信息作為備份。

為了實(shí)現(xiàn)上述1553B總線通訊系統(tǒng)的功能，本文利用自行開發(fā)的某型號(hào)武器火控1553B綜合仿真系統(tǒng)和一塊QCP-1553板卡模擬BC，采用三片BU65170模擬RT。

2.2 軟件開發(fā)工具

本某型號(hào)武器火控1553B綜合仿真系統(tǒng)采用LabVIEW開發(fā)，利用該軟件中提供的面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，用戶可以使用已創(chuàng)建的類和對(duì)象，也可以自己創(chuàng)建新的類和對(duì)象；同時(shí)可創(chuàng)建更易維護(hù)的代碼，令代碼的修改不影響應(yīng)用程序中的其他代碼［12～13］。

2.3 硬件組成

本某型號(hào)武器火控1553B綜合仿真系統(tǒng)需要的硬件資源主要包括：一臺(tái)筆記本電腦、一個(gè)PCMCIA卡、兩根專用通訊電纜、一臺(tái)NI公司的PXI-1036機(jī)箱、一塊NI公司的PXI 8310板卡、兩塊Condor公司的QCP1553單功能板卡、兩根1553B通訊電纜和三片DDC的BU65170等。硬件資源的安裝連接示意圖見圖1所示。

3 設(shè)計(jì)思想

為了模擬BC的功能，某型號(hào)武器火控1553B綜合仿真系統(tǒng)需要通過1553B總線向每個(gè)RT發(fā)送控制命令和參數(shù)，實(shí)時(shí)接收并處理RT反饋的參數(shù)，并能監(jiān)測(cè)總線上異常數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)向每個(gè)RT發(fā)送8種類型的消息，接收RT反饋的12種類型的消息，所有消息的接收、發(fā)送和處理按照如下的設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)。

圖1 硬件資源的安裝連接示意圖

1）廣播時(shí)間數(shù)據(jù)

通過1553B總線向每個(gè)RT廣播系統(tǒng)時(shí)間，所有RT均以該廣播時(shí)間作為自己內(nèi)部的系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)間，廣播周期為512ms，廣播的時(shí)間精度為0.5ms。為確保廣播時(shí)間的精準(zhǔn)，采用硬件中斷而非軟件定時(shí)的方式來計(jì)時(shí)；

2）發(fā)送控制命令

通過突發(fā)方式向RT發(fā)送一條系統(tǒng)維護(hù)命令和一條控制命令，這兩條命令之間的時(shí)間間隔為1s，在此時(shí)間內(nèi)，1553B總線上禁止發(fā)送和接收任何消息；

3）廣播平臺(tái)參數(shù)

向RT廣播平臺(tái)參數(shù)，廣播周期為512ms；廣播的平臺(tái)參數(shù)用戶可以自定義，也可以隨機(jī)生成；

4）發(fā)送工作數(shù)據(jù)

以突發(fā)方式向RT發(fā)送工作數(shù)據(jù)，每條工作數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度最多為64字節(jié)，相鄰兩條工作數(shù)據(jù)的發(fā)送間隔最短為800μs；

5）發(fā)送長(zhǎng)抱環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)

向RT發(fā)送長(zhǎng)抱環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)送周期為512ms；

6）發(fā)送模式碼指令

向RT發(fā)送四種模式碼指令。其中，發(fā)送狀態(tài)字和啟動(dòng)自測(cè)試以突發(fā)方式發(fā)送，發(fā)送矢量字的發(fā)送周期為32ms，發(fā)送BIT字的發(fā)送周期為1s；

7）顯示并回放接收的參數(shù)

接收、解析并保存RT發(fā)送給BC的各種工作參數(shù)，對(duì)接收的各種工作參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多種方式的回放；

8）監(jiān)控總線故障

對(duì)于RT中產(chǎn)生的通信故障和消息傳輸過程中產(chǎn)生的故障進(jìn)行監(jiān)控，這些故障包括無響應(yīng)、校驗(yàn)錯(cuò)、格式錯(cuò)和終端故障等，對(duì)于檢測(cè)出的故障應(yīng)能通過界面實(shí)時(shí)顯示給用戶；能模擬各種通信故障，監(jiān)測(cè)RT對(duì)錯(cuò)誤的反應(yīng)和處理能力；

9）異常報(bào)警

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)1553B總線上的異常參數(shù)和數(shù)據(jù)，對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警。

4 軟件設(shè)計(jì)

某型號(hào)武器火控1553B綜合仿真系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

某型號(hào)武器火控1553B綜合仿真系統(tǒng)使用UML（統(tǒng)一建模語言）建立系統(tǒng)仿真模型，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段通過設(shè)計(jì)類圖來描述各個(gè)類的屬性、操作以及類與類之間的接口。該系統(tǒng)的軟件功能主要是由MessageType、SimOperation和AbnormalData三個(gè)類完成。

圖2 某型號(hào)武器火控1553B綜合仿真系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

通過創(chuàng)建MessageType實(shí)例來增加、刪除或者修改總線上每條消息的序號(hào)、控制字、下一條消息的序號(hào)、命令字、消息間隔和消息內(nèi)容等，實(shí)現(xiàn)總線上消息的任意修改。

通過創(chuàng)建AbnormalData實(shí)例，描述了總線上關(guān)鍵消息參數(shù)的名稱、數(shù)據(jù)類型、分辨率、顯示格式和轉(zhuǎn)換公式等，一旦總線上該關(guān)鍵參數(shù)產(chǎn)生異常，本系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

通過創(chuàng)建SimOperation實(shí)例，實(shí)現(xiàn)了對(duì)總線上各種消息的接收和發(fā)送，顯示和回放接收的各種工程參數(shù)，監(jiān)控總線故障并對(duì)異常報(bào)警等功能。

此外，通過創(chuàng)建InterfaceRelation實(shí)例，定義了本仿真系統(tǒng)對(duì)各種消息的發(fā)送和接收關(guān)系。

某型號(hào)武器火控1553B綜合仿真系統(tǒng)的核心類如圖3所示。

完成了某型號(hào)武器火控1553B綜合仿真系統(tǒng)的仿真模型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)類圖后，在LabVIEW中創(chuàng)建了 MessageType.lvclass、SimOperation.lvclass、AbnormalData.lvclass、InterfaceRelation.lvclass和 Data.lvclass，其中AbnormalData類是Data類的子類，兩者都包含了同名的Display.vi，該vi為動(dòng)態(tài)vi。某型號(hào)武器火控1553B綜合仿真系統(tǒng)的項(xiàng)目類視圖如圖4所示。

圖3 某型號(hào)武器火控1553B綜合仿真系統(tǒng)核心類

圖4 某型號(hào)武器火控1553B綜合仿真系統(tǒng)的項(xiàng)目類視圖

5 關(guān)鍵技術(shù)分析

某型號(hào)武器火控1553B綜合仿真系統(tǒng)的交聯(lián)關(guān)系較為復(fù)雜，對(duì)總線上消息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性提出了很高的要求。由于總線上需要處理20種消息的接收和發(fā)送，尤其當(dāng)不同長(zhǎng)度不同周期的消息交替的接收和發(fā)送，同時(shí)存在異步數(shù)據(jù)需要處理時(shí)，處理難度異常的大。

解決上述問題的傳統(tǒng)方法是采用軟件定時(shí)的辦法，設(shè)置多個(gè)定時(shí)器，每條消息發(fā)送和接收的周期設(shè)置為定時(shí)器的定時(shí)周期。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)總線上處理的周期消息的種類在10種以上，同時(shí)相鄰兩條非周期消息的發(fā)送間隔為1ms以下時(shí)，軟件定時(shí)1min會(huì)產(chǎn)生5s的誤差。因此，軟件定時(shí)的方法不能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

為了保證1553B總線通訊的可靠性和實(shí)時(shí)性，避免出現(xiàn)消息遺漏和通訊延誤的現(xiàn)象，采用中斷技術(shù)，在每個(gè)消息傳輸結(jié)束，產(chǎn)生消息結(jié)束中斷，在中斷服務(wù)程序?qū)鬏斖甑南⑦M(jìn)行處理。然而，Windows操作系統(tǒng)對(duì)中斷不開放，在Windows下開發(fā)中斷處理程序是非常困難的，Windows操作系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)性，決定了在其下開發(fā)的程序的非實(shí)時(shí)性。但是，Windows提供了消息循環(huán)機(jī)制和線程機(jī)制，采用Windows的線程機(jī)制和QCP1553板卡的中斷機(jī)制相結(jié)合可以解決這個(gè)問題。

當(dāng)一條消息運(yùn)行結(jié)束時(shí)，QCP1553板卡產(chǎn)生消息結(jié)束中斷，QCP1553板卡將該條消息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到板卡的雙口存儲(chǔ)器中。在Windows應(yīng)用系統(tǒng)中創(chuàng)建一個(gè)線程，該線程在平時(shí)處于“睡眠等待”狀態(tài)，當(dāng)查詢到有中斷產(chǎn)生時(shí)，線程被“喚醒”，中斷服務(wù)程序?qū)ο⑦M(jìn)行處理。采用Windows消息循環(huán)機(jī)制和板卡實(shí)時(shí)中斷機(jī)制相結(jié)合，保證了消息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)證明，在周期消息和非周期消息混合發(fā)送的前提下，非周期消息之間的間隔可以達(dá)到μs級(jí)。

6 結(jié)語

該套基于LabVIEW開發(fā)的某型號(hào)武器火控1553B綜合仿真系統(tǒng)自投入使用以來，能夠正確地組織消息進(jìn)行傳輸，能夠?qū)ο⑦M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將消息實(shí)時(shí)地顯示給用戶，全面跟蹤系統(tǒng)的工作狀態(tài)，人機(jī)界面良好，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析、故障定位、系統(tǒng)排故等提供了有力的支持，保證了某型號(hào)武器火控系統(tǒng)各項(xiàng)綜合試驗(yàn)的順利進(jìn)行。基于UML的某型號(hào)武器火控1553B綜合仿真系統(tǒng)稍加修改即可用于外場(chǎng)檢測(cè)，也可用于其它型號(hào)設(shè)備數(shù)據(jù)總線的檢測(cè)，具有良好的可擴(kuò)展性。