基于1553B的衛(wèi)星通用測試平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

安然，羅小成，馮劍鋒，李惠媛，張國棟

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

衛(wèi)星測試是指地面測試設(shè)備對衛(wèi)星的各通信指標(biāo)進(jìn)行測試，如指令控制、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)采集和測量、數(shù)據(jù)解析等。衛(wèi)星測試分為單機(jī)測試，系統(tǒng)級測試和整星聯(lián)試等階段，是衛(wèi)星研制過程中的重要環(huán)節(jié)[1]。目前衛(wèi)星研制任務(wù)重、衛(wèi)星設(shè)計(jì)復(fù)雜程度高、多任務(wù)并行，從而對測試設(shè)備的要求也越來越高。為每臺單機(jī)配備專門的測試設(shè)備，既浪費(fèi)人力和財(cái)力又耗時(shí)，已不再適用當(dāng)前形勢的需要。通用測試平臺，通過加載不同任務(wù)的測試配置項(xiàng)，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)任務(wù)的測試需求，這使得通用測試平臺可以同時(shí)適用于多個(gè)衛(wèi)星型號的單機(jī)測試和系統(tǒng)測試，這極大地節(jié)約了衛(wèi)星型號測試設(shè)備的研制周期，方便了衛(wèi)星型號的研制[2]。

1553B 總線是MIL-STD-1553B總線的簡稱，其全稱是飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制命令/響應(yīng)式多路復(fù)用數(shù)據(jù)總線。基于其數(shù)據(jù)傳輸速率高，傳輸機(jī)制可靠和總線效率高等優(yōu)點(diǎn)，最初由美國空軍用于飛機(jī)航空電子系統(tǒng)，目前已成為一種國際標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用在航船、航天等領(lǐng)域[3]。我國于1987年頒布了相應(yīng)的軍標(biāo)。1553B總線是目前衛(wèi)星的主要通信方式。基于其總線形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，我國衛(wèi)星和飛船型號上廣泛采用1553B總線接口進(jìn)行測控分系統(tǒng)、數(shù)傳分系統(tǒng)、有效載荷分系統(tǒng)等分系統(tǒng)綜合管理單元有權(quán)機(jī)和各單機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸[4-5]。

首先，進(jìn)行基于1553B總線的衛(wèi)星通用測試平臺的設(shè)計(jì)，描述通用測試平臺的硬件連接圖和軟件設(shè)計(jì)思路；然后，進(jìn)行通用化測試平臺的建模，明確開發(fā)環(huán)境，進(jìn)行功能需求分析和建模；最后，以某型號單機(jī)為例，繪制主控軟件流程圖和客戶端軟件的實(shí)現(xiàn)界面，描述軟件實(shí)現(xiàn)。經(jīng)驗(yàn)證，該基于1553B的衛(wèi)星通用化測試平臺，通用性好，測試覆蓋性全，能較好的滿足多個(gè)型號分系統(tǒng)和單機(jī)產(chǎn)品的測試需求。

1 衛(wèi)星通用測試平臺的設(shè)計(jì)

1.1 硬件連接圖

1553B 總線采用指令/響應(yīng)型通信協(xié)議，它有3種終端類型：總線控制器(bus controler,BC)、遠(yuǎn)程終端(remote terminal,RT)和總線監(jiān)視器(bus monitor,BM)；信息格式有BC到RT，RT到BC，RT到RT，廣播方式和系統(tǒng)控制方式；傳輸媒介為屏蔽雙絞線，1553B 總線耦合方式有直接耦合和變壓器耦合；1553B 總線為多冗余度總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有雙向傳輸特性，其傳輸速度為1 Mbit/s，傳輸方式為半雙工方式，采用曼徹斯特進(jìn)行編碼傳輸[6]。采用這種編碼方式是因?yàn)檫m用于變壓器耦合，由于直接耦合不利于終端故障隔離，會因?yàn)橐粋€(gè)終端故障而造成整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)的完全癱瘓，所以其協(xié)議中明確指出不推薦使用直接耦合方式[7-8]。

如圖1所示，地面測試設(shè)備為總線控制器BC，被測目標(biāo)如數(shù)管系統(tǒng)某單機(jī)為遠(yuǎn)程終端RT(以某衛(wèi)星型號xx-3為例)，總線控制器BM是備選的接入設(shè)備，用來實(shí)時(shí)監(jiān)控總線上的數(shù)據(jù)傳輸。由總線監(jiān)視器組織總線數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 基于1553B總線的硬件連接圖Fig.1 Hardware connection relation based on 1553B

1.2 軟件設(shè)計(jì)

通用測試平臺設(shè)計(jì)采用分布式軟件架構(gòu)[9]，以滿足各類1553B消息的發(fā)送和采集、分析處理、實(shí)時(shí)查詢、顯示、設(shè)備自檢等功能要求。通用測試平臺的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是通用性，軟件設(shè)計(jì)時(shí)考慮硬件接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、功能模塊化設(shè)計(jì)[10]、軟件配置項(xiàng)[11-12]等幾個(gè)方面。

采用功能模塊化設(shè)計(jì)思路，把整個(gè)測試平臺分為3個(gè)模塊：主控軟件、數(shù)據(jù)庫軟件和客戶端軟件，軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。3個(gè)模塊軟件按照功能劃分，各有分工，組合實(shí)現(xiàn)完整的測試流程。

圖2 軟件設(shè)計(jì)構(gòu)架圖Fig.2 Software design architecture diagram

3個(gè)模塊之間通過消息中間件通信。消息中間件是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下處于操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件之間的一種起連接作用的分布式軟件，主要解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下分布式應(yīng)用軟件的互連和互操作問題，提供標(biāo)準(zhǔn)接口、協(xié)議，屏蔽實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，提高應(yīng)用系統(tǒng)易移植性。如圖3所示。

圖3 消息中間件示意圖Fig.3 Software design architecture diagram

因此，測試平臺各模塊之間耦合性低，各模塊內(nèi)部的功能、性能改進(jìn)性修改不會影響到其他模塊。同時(shí)，軟件具有良好的擴(kuò)展性，如需增加功能，則在相應(yīng)模塊增加接口，不會對整個(gè)軟件架構(gòu)造成沖擊。

(1) 主控軟件

主控軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)本系統(tǒng)的硬件接口以及對外的信息流交互，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)、數(shù)據(jù)存儲管理、數(shù)據(jù)查詢和日志管理等功能。

主控軟件的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，是指數(shù)據(jù)通信的處理過程，通過多線程實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)存儲管理功能，是指數(shù)據(jù)處理時(shí)的緩存存儲，不同于服務(wù)器的數(shù)據(jù)本地存儲；數(shù)據(jù)查詢功能，是指數(shù)據(jù)從接收線程到解析線程的內(nèi)部查詢；日志管理功能，是指數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等信息實(shí)時(shí)日志存儲。

對外接口采用硬件接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可隨著硬件設(shè)備的升級換代，無縫升級軟件的接口驅(qū)動，從而保證軟件平臺兼容硬件板卡的升級。具體實(shí)施步驟：

Step 1.在軟件代碼中維護(hù)2個(gè)全局變量列表

一個(gè)是硬件設(shè)備號列表，另一個(gè)是硬件接口的靜態(tài)鏈接庫列表。

Step 2.硬件設(shè)備接入過程

當(dāng)有新的硬件設(shè)備首次接入時(shí)，需要在軟件界面上添加設(shè)備并保存，此時(shí)在軟件代碼中實(shí)現(xiàn)給2個(gè)列表增加新值；當(dāng)選擇已有設(shè)備時(shí)，需要在軟件界面上選中設(shè)備。

Step 3.設(shè)備的初始化過程

設(shè)備的初始化過程封裝成標(biāo)準(zhǔn)的接口函數(shù)，輸入?yún)?shù)有2個(gè)，硬件設(shè)備號和硬件接口的靜態(tài)鏈接庫。在完成上述步驟后，從軟件界面讀取選中設(shè)備，并完成輸入?yún)?shù)賦值。

由此實(shí)現(xiàn)硬件接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，不需要修改軟件代碼，即可實(shí)現(xiàn)軟件平臺兼容多型號硬件板卡。

(2) 數(shù)據(jù)庫軟件

數(shù)據(jù)庫軟件負(fù)責(zé)存儲在整個(gè)測試過程中接收、發(fā)送、數(shù)據(jù)處理前、數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)，分為實(shí)時(shí)存儲和數(shù)據(jù)備份2部分功能。

數(shù)據(jù)庫開發(fā)選擇Microsoft SQL Server工具，只在后臺運(yùn)行。主控軟件或客戶端的數(shù)據(jù)通過消息中間件實(shí)時(shí)傳送給數(shù)據(jù)庫，無傳輸時(shí)延。數(shù)據(jù)庫在本地存儲接收到的所有數(shù)據(jù)作數(shù)據(jù)備份，當(dāng)需要數(shù)據(jù)查詢時(shí)，直接在客戶端的軟件界面，設(shè)置查詢選項(xiàng)，用SQL查詢語句實(shí)現(xiàn)，通過消息中間件查詢并輸出，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份的功能。

(3) 客戶端軟件

客戶端軟件是用戶直接操作的軟件，位于最上層，主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果以表格、圖像、曲線等多種方式呈現(xiàn)，同時(shí)負(fù)責(zé)接收響應(yīng)用戶的消息發(fā)送指令和數(shù)據(jù)查詢操作。客戶端軟件采用軟件配置項(xiàng)的設(shè)計(jì)，軟件運(yùn)行首先加載配置項(xiàng)，根據(jù)配置需求，定制UI界面。

軟件配置項(xiàng)包含很多內(nèi)容，包括硬件設(shè)備配置、數(shù)據(jù)通信配置、頁面布局配置和日志存儲路徑配置等。在軟件工程建立之前，通過軟件配置項(xiàng)設(shè)置相關(guān)參數(shù)的初始值，完成界面布局，建立消息鏈表等通信前的準(zhǔn)備工作。軟件配置項(xiàng)的各參數(shù)保存在本地xml文件中，每次軟件運(yùn)行時(shí)自動加載，可以在配置界面修改配置并保存修改。軟件配置項(xiàng)中，最重要部分是1553B消息列表，在下面章節(jié)2.2和2.3中具體詳述。

1.3 軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

基于1553B總線的軟件設(shè)計(jì)，測試需求有較多的周期消息，周期最小為0.5 s，周期誤差范圍為±80 ms，周期之間呈整數(shù)倍關(guān)系，軟件實(shí)現(xiàn)對周期精度要求嚴(yán)格。

1553B通信周期消息的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方式：軟件定時(shí)器、軟中斷和硬中斷[13-14]。軟件定時(shí)器：依靠應(yīng)用軟件設(shè)定的周期時(shí)間，周期性的調(diào)用函數(shù)。硬件中斷：當(dāng)中斷事件發(fā)生時(shí)，設(shè)備向主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)硬件中斷的信號，操作系統(tǒng)或設(shè)備驅(qū)動響應(yīng)中斷信號并使用應(yīng)用軟件，應(yīng)用軟件觸發(fā)回調(diào)函數(shù)。軟件中斷：應(yīng)用軟件周期性的讀取寄存器的中斷使能標(biāo)志位，如果該位置1則觸發(fā)中斷，軟件執(zhí)行回調(diào)函數(shù)。

三者相較，軟件定時(shí)器最簡單，完全依靠軟件的周期控制。但是，當(dāng)周期任務(wù)較多時(shí)，定時(shí)器的周期精準(zhǔn)度比較差，誤差太大，故不作考慮。再來比較軟件中斷和硬件中斷：軟件中斷不需要和操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，從而操作上更簡單和方便；軟件中斷需要周期性的讀取設(shè)備板卡的寄存器值，故而更消耗計(jì)算機(jī)內(nèi)存。在計(jì)算機(jī)內(nèi)存允許的情況下，軟件中斷比硬件中斷響應(yīng)速度更快，應(yīng)優(yōu)先選擇軟件中斷；當(dāng)軟件處理任務(wù)多，復(fù)雜度高的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇硬件中斷。通用測試平臺的設(shè)計(jì)選擇軟件中斷的方式實(shí)現(xiàn)周期消息的收發(fā)。

2 衛(wèi)星通用測試平臺的建模

2.1 開發(fā)環(huán)境

通用測試平臺的操作系統(tǒng)選用Windows Microsoft XP及以上，32位或64位；主控軟件以及客戶端軟件開發(fā)語言選擇Visual Studio C#或C++，開發(fā)平臺選擇Visual Studio 2013或以上版本；數(shù)據(jù)庫開發(fā)選擇Microsoft SQL Server。

2.2 功能需求分析

根據(jù)MIL-STD-1553B協(xié)議的約定，數(shù)據(jù)通信通過消息的收發(fā)實(shí)現(xiàn)，消息有4個(gè)固有屬性：地址，子地址、傳輸方向、消息字?jǐn)?shù)[15]。地址標(biāo)記某個(gè)RT終端，取值范圍0～31，31表示廣播地址；子地址標(biāo)記BC與RT終端通信的某種消息，取值范圍0～31，分為發(fā)送子地址和接收子地址。每條消息最多傳輸32個(gè)字，超過32個(gè)字的數(shù)據(jù)拆分為多條消息傳輸。

總結(jié)多個(gè)衛(wèi)星型號的基于1553B總線通信的單機(jī)產(chǎn)品的測試需求和實(shí)際測試經(jīng)驗(yàn)，提出編寫消息列表，填入軟件配置項(xiàng)的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)通用設(shè)計(jì)。

下面以某型號數(shù)管系統(tǒng)某單機(jī)為例，以子地址分類，分析測試需求的所有消息內(nèi)容，總結(jié)消息列表的編寫原則，見表1～3。

分析上述消息內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，各消息之間并非互相獨(dú)立，有一定的相關(guān)性。工程遙測送數(shù)傳消息，在結(jié)束時(shí)關(guān)聯(lián)結(jié)束字消息，標(biāo)記該類型數(shù)據(jù)發(fā)送完成；長抱環(huán)測試包括發(fā)送和返回2個(gè)步驟等等。由此總結(jié)出消息的3個(gè)特征屬值：周期屬性，結(jié)束字屬性，返回字屬性。歸納出該型號單機(jī)的消息列表，如表4所示。

消息列表是覆蓋所有測試需求的數(shù)據(jù)通信的集合，消息列表的每條消息包含固有屬性和特征屬性。針對某個(gè)型號，用戶通過配置軟件配置項(xiàng)的消息列表，覆蓋測試的所有功能。

2.3 建模過程

首先，客戶端軟件讀取軟件配置項(xiàng)，初始化消息列表。

表1 接收子地址Table 1 Receive sub-address message collection

表2 發(fā)送子地址Table 2 Transmit sub-address message collection

表3 廣播子地址Table 3 Broadcast sub-address message collection

表4 某型號單機(jī)消息列表Table 4 Message collection of a product example

方式字命令消息放在首位，設(shè)置成中斷消息，通過設(shè)置延時(shí)消息加循環(huán)消息列表的方式控制最小實(shí)現(xiàn)周期，即方式字命令消息的周期。

然后，采用軟件中斷的方式執(zhí)行消息。

主控軟件讀取消息列表中消息的屬性，向遠(yuǎn)程終端發(fā)送或接收消息。當(dāng)中斷觸發(fā)時(shí)，依次判斷消息列表中各消息是否滿足執(zhí)行條件。滿足條件，則以消息插入的方式把該類消息插入消息列表，單次執(zhí)行；不滿足條件，則跳過。

最后，按照協(xié)議解析并轉(zhuǎn)發(fā)消息給總線控制器；同時(shí)，數(shù)據(jù)庫存儲消息，客戶端軟件顯示消息。整個(gè)業(yè)務(wù)流程圖如圖4所示。

圖4 軟件業(yè)務(wù)流程圖Fig.4 Software transaction flow diagram

3 衛(wèi)星通用測試平臺的實(shí)現(xiàn)

3.1 主控軟件流程圖

主控軟件的流程圖如圖5所示，根據(jù)軟件配置項(xiàng)，依次對消息列表中的消息，按照其屬性實(shí)現(xiàn)消息的發(fā)送或接收。對周期消息，每次判斷消息的周期條件是否滿足；對單次觸發(fā)消息，每次判斷消息的觸發(fā)標(biāo)志是否為真。

3.2 客戶端軟件界面

客戶端軟件的實(shí)現(xiàn)界面在此詳細(xì)列舉，以某型號數(shù)管系統(tǒng)某單機(jī)為例，分別為總線指令界面、遙測界面、數(shù)據(jù)注入界面、長抱環(huán)與廣播消息界面，如圖6所示。根據(jù)軟件配置項(xiàng)，選擇需要的功能模塊，以Tab頁的形式，顯示在軟件界面上。

總線指令界面：在左側(cè)指令列表雙擊選中某條指令，在右側(cè)顯示詳細(xì)的指令信息，點(diǎn)擊發(fā)送按鈕或者重新選擇按鈕，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能；在下方記錄欄記錄指令發(fā)送的日志。

遙測界面：點(diǎn)擊開始或停止按鈕，開始或停止遙測數(shù)據(jù)的接收。當(dāng)數(shù)據(jù)接收時(shí)，在中間列表框顯示接收的遙測信息，包括遙測原碼和解析值；在下方記錄遙測接收幀數(shù)。

數(shù)據(jù)注入界面：在界面上選擇注數(shù)文件和注數(shù)類型，點(diǎn)擊注數(shù)按鈕，完成數(shù)據(jù)的注入，在下方記錄欄記錄數(shù)據(jù)注入的日志。

圖5 軟件消息實(shí)現(xiàn)的流程圖Fig.5 Main software flow diagram

圖6 客戶端軟件界面Fig.6 Client software UI

長抱環(huán)與廣播信息界面：分區(qū)域顯示長抱環(huán)和廣播信息，每部分有單獨(dú)的開始和停止按鈕，分別控制各類信息的啟停。當(dāng)周期性的消息收發(fā)通信時(shí)，在各區(qū)域分欄記錄通信日志。

4 結(jié)束語

基于1553B總線接口設(shè)計(jì)的通用化測試平臺，適用于衛(wèi)星型號的1553B總線接口的單機(jī)測試和系統(tǒng)測試。該平臺采用硬件接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、功能模塊化設(shè)計(jì)、軟件配置項(xiàng)的設(shè)計(jì)思路，分為主控軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、客戶端軟件3個(gè)子軟件實(shí)現(xiàn)。該平臺已參與多個(gè)衛(wèi)星型號的單機(jī)測試和驗(yàn)收，能夠全面覆蓋基于1553B總線的衛(wèi)星通信測試需求。

基于1553B的衛(wèi)星通用化測試平臺，可以同時(shí)適用于多個(gè)衛(wèi)星型號的地面測試，節(jié)省了人力成本和時(shí)間成本，給衛(wèi)星地面測試帶來了極大的方便，從而有效保障了衛(wèi)星型號的研制進(jìn)度。