分布式仿真中基于GNSS 的同步控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張兵強(qiáng)，徐濤，朱子強(qiáng)

（海軍航空大學(xué)信息融合研究所，山東煙臺 264001）

對于大型分布式仿真系統(tǒng)，時序同步和時間管理是實現(xiàn)正確仿真邏輯的關(guān)鍵和難點(diǎn)，尤其對組網(wǎng)條件下的飛行模擬訓(xùn)練實時仿真系統(tǒng)來說，必須保證各仿真節(jié)點(diǎn)計算時序的同步性和時間的一致性，才能實現(xiàn)各仿真模型的正確交互和同步推進(jìn)，避免諸如大機(jī)動飛行條件下視景圖像或目標(biāo)顯示抖動等問題[1-3]。

目前，為了解決各仿真節(jié)點(diǎn)的同步推進(jìn)，主要有3 種解決方案：一是軟件同步方法，完全利用軟件完成分布式仿真系統(tǒng)中各時鐘的同步[4-6]，但這種軟件進(jìn)行同步的工作量很大，且節(jié)點(diǎn)間的同步偏差容易積累，更重要的是，同步信息在廣域網(wǎng)上傳輸時延遲大，且有很大的不確定性，這會使軟件同步的效果不理想；二是硬件同步方法，硬件同步往往是借助于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）來實現(xiàn)，通常根據(jù)實時性約束條件選擇以太網(wǎng)、反射內(nèi)存網(wǎng)或PTP 協(xié)議來發(fā)送時序信號實現(xiàn)同步功能[7-9]，基于以太網(wǎng)的同步同樣存在時延的不確定性，而基于反射內(nèi)存網(wǎng)或者PTP 協(xié)議的同步則存在硬件成本較高的缺點(diǎn)；三是分層式混合的同步方法[10]，采用硬件和軟件同步一起工作來實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的時鐘同步，即選擇某一個節(jié)點(diǎn)作為時間管理主機(jī)，并在時間管理主機(jī)上引入一個GNSS 接收機(jī)，在不同局域網(wǎng)中的時間管理主機(jī)就可以通過GNSS 的時間信號實現(xiàn)同步，在每一個局域網(wǎng)內(nèi)部，各節(jié)點(diǎn)通過軟件實現(xiàn)與該局域網(wǎng)中的時間管理主機(jī)同步。

文獻(xiàn)[5]就是通過未引入GNSS 接收機(jī)的心跳服務(wù)器向各仿真節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步信息，存在的主要缺點(diǎn)是同步信息延遲的不確定性，不適合組網(wǎng)條件下大型分布式仿真系統(tǒng)的同步控制。

該文則采用基于GNSS 的硬件同步方法，利用U-BLOX 公司的LEA-M8T 精密授時模塊和DIGI 公司的RCM6700 處理器模塊，設(shè)計實現(xiàn)了觸發(fā)頻率可調(diào)的多串口輸出同步控制系統(tǒng)。通過分布式仿真系統(tǒng)中的各仿真節(jié)點(diǎn)計算機(jī)的串行通訊端口引入同源、高精度的周期性時序觸發(fā)信號，來驅(qū)動各仿真節(jié)點(diǎn)的同步仿真計算，克服通過以太網(wǎng)進(jìn)行同步的時延不確定性，并且不需要各仿真節(jié)點(diǎn)計算機(jī)安裝專門的同步硬件板卡，支持異地組網(wǎng)條件下大型分布式仿真系統(tǒng)的同步計算和校時控制。

1 同步控制技術(shù)原理和結(jié)構(gòu)

1.1 同步控制原理和方法

為了滿足大型分布式仿真系統(tǒng)對仿真周期和時戳一致性的要求，并支持異地的仿真系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)模擬訓(xùn)練，利用導(dǎo)航衛(wèi)星的異地時鐘高度同步的特性[11]，根據(jù)GPS 或北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的時鐘數(shù)據(jù)塊和載波信號，結(jié)合GNSS 精密授時模塊輸出的高精度秒脈沖，來獲得異地分布式仿真系統(tǒng)間具有高度一致性的同步時鐘和仿真時序觸發(fā)信號。

同步控制系統(tǒng)通過多個串口輸出多路同步仿真時序觸發(fā)信號，并提供基于衛(wèi)星時間的網(wǎng)絡(luò)授時和PPS 觸發(fā)下的串口精確授時。

有別于文獻(xiàn)[7]中通過專門定制的PCI 定時卡進(jìn)行計算機(jī)的同步，該文則通過仿真節(jié)點(diǎn)計算機(jī)RS-232C 串 口 的CTS（Clear To Send）、DSR（Data Send Ready）或RLSD（Received Line Signal Detector）管腳直接接收同步仿真時序觸發(fā)信號，在信號的上升沿和下降沿產(chǎn)生高優(yōu)先級中斷觸發(fā)事件，以實現(xiàn)同步觸發(fā)的周期性仿真解算。

同時，同步控制系統(tǒng)能夠接收外部的觸發(fā)信號，并具有主從工作模式，實現(xiàn)同步控制系統(tǒng)的級聯(lián)。整個同步控制系統(tǒng)的連接方案如圖1 所示。采用網(wǎng)口的形式進(jìn)行同步信號的傳送。

圖1 同步控制系統(tǒng)的連接方案

1.2 功能設(shè)計

為了滿足分布式仿真對時鐘同步和時間管理的要求，同時兼顧視景仿真系統(tǒng)的刷新率，設(shè)計的同步控制系統(tǒng)具有如下功能：

1）輸出RS-232C 同步計算信號

依據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)、外同步、主控制器或微處理器內(nèi)部的定時器等多種同步源產(chǎn)生同步計算信號，并通過8 個同步口輸出給計算機(jī)串口，上位機(jī)通過串口事件觸發(fā)來實現(xiàn)周期性仿真計算。

2）輸出TTL 同步信號

通過TTL 同步輸出接口將同步信號輸出給專業(yè)顯卡的同步子卡，實現(xiàn)仿真計算與視頻刷新的同步。

3）支持外同步輸入源的觸發(fā)

支持視景仿真系統(tǒng)中專業(yè)顯卡同步子卡輸出的同步信號或VGA 幀同步（即垂直同步）信號等同步信號輸入源的觸發(fā)，從而基于外同步輸入產(chǎn)生同步計算信號。

4）網(wǎng)絡(luò)授時和串口授時

基于衛(wèi)星時間或者控制器的本地時間，可以通過網(wǎng)絡(luò)或串口提供授時時間間隔可調(diào)的周期性授時服務(wù)。同時，可以作為NTP 授時服務(wù)器，提供滿足NTP 標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)授時服務(wù)。

5）多衛(wèi)星系統(tǒng)同步

支持北斗、北斗&GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的定位和授時服務(wù)，提供了3 種時間模式下的時間脈沖生成。

6）級聯(lián)同步功能

控制器具有級聯(lián)同步功能，可以將一個控制器產(chǎn)生的同步信號輸出給其他的控制器，實現(xiàn)多臺計算機(jī)同步仿真計算。

7）遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理功能

支持基于網(wǎng)絡(luò)的配置管理，方便對局域網(wǎng)內(nèi)的多臺控制器進(jìn)行跨網(wǎng)段的集中式配置管理。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

同步控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)劃分如圖2 所示，主要包括GNSS 模塊、微處理器模塊、同步信號選擇模塊、同步信號輸出模塊、外同步信號調(diào)理模塊、級聯(lián)模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、工作模式配置模塊、編程模塊和電源模塊等。

圖2 同步控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)劃分

GNSS 模塊能夠輸出兩路頻率和占空比可調(diào)的高精度同步信號——秒脈沖信號TP1 和衛(wèi)星同步信號TP2，其中TP1 作為串口授時數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)脈沖，其上升沿為串口授時數(shù)據(jù)對應(yīng)的時刻，TP2 為正負(fù)頻寬相等的方波信號，正負(fù)頻寬對應(yīng)仿真解算的周期，上升和下降沿均觸發(fā)上位機(jī)的中斷事件。GNSS 模塊輸出的授時數(shù)據(jù)通過串口D 發(fā)送到微處理器模塊，同時微處理器模塊也通過串口D 對GNSS 模塊進(jìn)行設(shè)置和狀態(tài)查詢。

微處理器模塊是整個同步系統(tǒng)的控制核心，在衛(wèi)星同步信號TP2、外同步信號或從同步信號中斷時，能夠通過內(nèi)部定時器產(chǎn)生與仿真周期對應(yīng)的自同步信號，并控制同步信號選擇模塊的輸出。同時，該模塊還完成授時數(shù)據(jù)的UDP 組播或滿足NTP 標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)時間同步，完成遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理功能。

同步信號選擇模塊則根據(jù)工作模式配置和上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)管理，完成衛(wèi)星同步、從同步、外同步和定時同步4 種同步信號的四選一輸出。同步信號輸出模塊負(fù)責(zé)完成串口C 輸出授時數(shù)據(jù)和選中同步信號的邏輯電平轉(zhuǎn)換。級聯(lián)模塊完成主同步控制器和從同步控制器的RS-485 同步信號和授時數(shù)據(jù)的收發(fā)。外同步調(diào)理模塊則用于外部脈沖觸發(fā)式或邊沿觸發(fā)式同步信號的接收和調(diào)理。

另外，微處理器模塊通過串口A 與編程模塊完成嵌入式程序的調(diào)試和下載。網(wǎng)絡(luò)通信模塊完成網(wǎng)絡(luò)信號的隔離變壓和信號濾波處理。工作模式配置模塊則決定控制器工作是主同步模式還是從同步模式。電源模塊為整個同步控制器提供穩(wěn)定的3.3 V供電。

2 同步控制系統(tǒng)硬件設(shè)計和實現(xiàn)

2.1 GNSS同步時序模塊

飛行訓(xùn)練模擬器是人在回路的分布式仿真系統(tǒng)，其仿真周期一般在10 ms 左右，模擬機(jī)傳輸延遲要求小于100 ms，時序觸發(fā)信號的同步精度小于1 ms可滿足要求[7]。因此，為了實現(xiàn)異地組網(wǎng)條件下的分布式仿真同步時鐘，采用了瑞士U-BLOX 公司的LEA-M8T 精密授時模塊。

LEA-M8T 能夠產(chǎn)生精確度小于20 ns 的精密參考時鐘，該參考時鐘同步于GPS、GLONASS 和北斗等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；其接收器具有高靈敏度，即使在視野受限的建筑物內(nèi)也能夠快速啟動，符合分布式仿真系統(tǒng)一般位于室內(nèi)的要求；同時，該模塊可提供兩個時間脈沖輸出，其配置范圍從0.25 Hz到10 MHz，并滿足對可靠性、精確度及低功耗的嚴(yán)格要求，還能輸出multi-GNSS RAW 數(shù)據(jù)，包括載波相位、碼相位以及偽距[12-15]。

針對分布式仿真同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要輸出TP1和TP2兩個高精度同步信號以及串口數(shù)據(jù)的傳輸要求，設(shè)計的GNSS同步時序模塊電路如圖3所示。

圖3 GNSS同步時序模塊

LEA-M8T 的TIMEPULSE 和TP2 兩 個同步信號分別經(jīng)過超高速三態(tài)緩沖器輸出，以提高其驅(qū)動能力。RXD_GNSS 和TXD_GNSS 是LEA-M8T 的串行數(shù)據(jù)收發(fā)接口，連接到微處理器模塊的串口D。VCC_RF、V_ANT 和ANT_DET_N 3 個管腳用于檢測衛(wèi)星天線是否開路，其連接的電路如圖4 所示。

2.2 微處理器控制模塊

微處理器控制模塊需要具有多個串口與外圍芯片進(jìn)行通信，并具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，考慮到同步控制系統(tǒng)的可靠性和快速部署，因此，選用了DIGI 公司的RCM6700 以太網(wǎng)模塊作為控制核心。

圖4 衛(wèi)星天線開路檢測電路

RCM6700 以太網(wǎng)模塊采用Rabbit6000 高性能微處理器，其主頻高達(dá)200 MHz，內(nèi)部集成了豐富的硬件資源，包括6 個CMOS 兼容的串口A～F、10/100M 以太網(wǎng)接口、內(nèi)部定時器A～C、輸入捕獲、多達(dá)35 條通用輸入/輸出線、具有1 MB 的SRAM 和1 MB 的串行閃存（serial flash），使其廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域[16]。

微處理器模塊的接口如圖5 所示。微處理器模塊的PC0 和PC1 管腳配置為串口D 與GNSS 模塊進(jìn)行通信，PC2 和PC3 管腳配置為串口C 與級聯(lián)模塊和同步信號輸出模塊進(jìn)行通信，PC6 和PC7 作為串口A與編程模塊進(jìn)行通信；微處理器模塊通過管腳PE0輸出內(nèi)部定時器產(chǎn)生的自同步信號，通過PD1 的外部中斷檢測TP1 輸出的衛(wèi)星同步信號頻率，通過PE5輸入捕獲1 管腳測量外部同步信號的頻率，通過PD3輸入捕獲2 管腳測量級聯(lián)信號的頻率；微處理器模塊的以太網(wǎng)連接的管腳是TX+、TX-、RX+和RX-，以太網(wǎng)連接狀態(tài)信號等由LNK 和PE3 控制。

圖5 RCM6700微處理器模塊接口

2.3 外同步信號調(diào)理模塊

同步控制系統(tǒng)除了能夠根據(jù)同步衛(wèi)星信號輸出仿真計算時序外，還能夠根據(jù)外部輸入的脈沖產(chǎn)生同步計算時序。輸入的外同步信號一般是脈沖觸發(fā)式或邊沿觸發(fā)式的同步信號，因此，采用D 觸發(fā)器74HC74 完成外同步信號的接收和調(diào)理，電路如圖6所示。

圖6 外同步信號調(diào)理模塊電路

2.4 同步信號選擇和輸出模塊

同步控制系統(tǒng)能夠?qū)⑿l(wèi)星同步信號TP1OUT、從同步信號RX_485、外同步信號ExtSynSigIN 和定時自同步輸出TimerC0 進(jìn)行四選一輸出，電路如圖7 所示，采用了四選一數(shù)據(jù)選擇器74HC153 來實現(xiàn)。

圖7 同步信號選擇電路

選中輸出的同步信號和輸出的授時數(shù)據(jù)通過多個MAX3232E 串口收發(fā)器轉(zhuǎn)換為RS-232C 電平輸出，如圖8 所示。

圖8 同步信號輸出電路

特別需要注意的是各種類型的同步信號不僅送到微處理器模塊進(jìn)行監(jiān)測和頻率測量，還直接通過選擇和電平轉(zhuǎn)換電路后輸出，以降低同步信號的處理延遲。

2.5 主從同步控制級聯(lián)模塊

分布式仿真中通常具有多個節(jié)點(diǎn)計算機(jī)需要進(jìn)行同步計算，而一個同步控制器因空間限制，僅設(shè)計了8 個RS-232C 串口同步信號輸出，因此，采用主同步控制器和從同步控制器進(jìn)行RS-485 級聯(lián)的方式實現(xiàn)對更多節(jié)點(diǎn)的同步時序輸出，級聯(lián)方式如圖9所示。

圖9 主從同步控制器級聯(lián)示意圖

主從同步控制級聯(lián)采用RS-485 差分信號，以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸和抗干擾的能力，選用了MAX3073E收發(fā)器芯片實現(xiàn)同步信號、秒脈沖信號和授時數(shù)據(jù)的級聯(lián)，電路如圖10 所示。

圖10 主從同步控制級聯(lián)電路

除了上述的主要模塊電路外，同步控制系統(tǒng)還有FT232 芯片實現(xiàn)的串口編程電路、以太網(wǎng)接口電路和3.3 V供電電路等，共同確保了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3 同步控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

同步控制系統(tǒng)的微處理器嵌入式程序采用Dynamic C 編譯環(huán)境設(shè)計和實現(xiàn)，軟件主要實現(xiàn)微處理器的初始配置、串口通信、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)組播、NTP 授時，輸入衛(wèi)星同步信號、級聯(lián)信號和外同步信號的監(jiān)測和頻率測量，定時器自同步輸出以及工作模式切換等功能。軟件的處理流程如圖11 所示。

系統(tǒng)初始化主要完成通用I/O 管腳的設(shè)置，定時器和輸入捕獲的配置，LEA-M8T 模塊狀態(tài)的查詢和設(shè)置，串口通信的配置和網(wǎng)絡(luò)通信的初始化等。初始化完成后通過主循環(huán)調(diào)用loophead()和tcp_tick()函數(shù)進(jìn)行costate 類型語句和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理。

圖11 同步控制系統(tǒng)的軟件處理流程

主循環(huán)中會監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)配置管理數(shù)據(jù)，若收到上位機(jī)的配置管理數(shù)據(jù)，則進(jìn)行衛(wèi)星同步、外同步、從同步和定時同步等模式的切換。處理器讀取LEAM8T 模塊在串口D 上發(fā)送的串口數(shù)據(jù)，并解析出UTC 時間與本地時鐘進(jìn)行校對。微處理器會根據(jù)是否允許串口授時、網(wǎng)絡(luò)授時和NTP 授時，發(fā)送不同形式的授時數(shù)據(jù)。

最關(guān)鍵的是微處理器軟件需要通過外部中斷、輸入捕獲1 和輸入捕獲2 完成衛(wèi)星同步、外同步和從同步信號的監(jiān)測和頻率測量。若連續(xù)3 次檢測不到上述同步信號，則自動切換為定時同步模式，并輸出與丟失同步信號頻率一致的定時同步信號。若連續(xù)3 次測量到丟失的同步信號并且信號頻率一致，則自動切換為該同步信號并記錄信號的頻率值。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

示波器測試了基于GNSS 同步控制系統(tǒng)輸出的信號波形和延遲性，對衛(wèi)星同步觸發(fā)、VGA 幀信號觸發(fā)和主從級聯(lián)等情況下輸出RS-232C 信號的同步性進(jìn)行了測試。

4.1 衛(wèi)星同步性測試

采用兩套相同硬件的同步控制系統(tǒng)，分別通過不同的天線接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號，均產(chǎn)生占空比為50%的50 Hz 同步信號（對應(yīng)于100 Hz 雙邊沿觸發(fā)的同步仿真計算），通過串口輸出RS-232C 同步信號，在衛(wèi)星跟蹤鎖定后，用示波器測量的兩路同步信號波形上升沿一致性如圖12 所示。

圖12 衛(wèi)星同步輸出信號的觸發(fā)邊沿

由圖12 可以測量出兩個衛(wèi)星同步輸出的RS-232C 信號的觸發(fā)邊沿誤差小于100 ns，具有較高的同步精度和一致性。對于異地的衛(wèi)星同步來說，導(dǎo)航衛(wèi)星的精確授時特性同樣能夠確保較高的同步精度，滿足分布式仿真中對同步時鐘和仿真時序一致性的要求。

圖13 所示為測量的衛(wèi)星同步串口授時波形，通道1 是衛(wèi)星輸出的PPS 信號，其占空比也設(shè)置為50%，通道2 是串口授時數(shù)據(jù)。因為RS-232C 串口的負(fù)邏輯表示特性，所以在測量PPS 信號的下降沿約100 ms 之后收到串口授時數(shù)據(jù)。

4.2 外同步測試

同步控制系統(tǒng)的外同步信號輸入源為VGA 的幀信號，測量在VGA 幀信號觸發(fā)下的輸出信號同步波形和延遲特性，測量結(jié)果如圖14 所示。

圖13 衛(wèi)星同步串口授時波形

圖14 外同步信號輸入測試

通道1是VGA 幀信號上升沿，通道2是在VGA 幀信號觸發(fā)下的輸出串口同步信號?？煽闯?，輸出的串口同步信號在每次VGA 幀信號觸發(fā)下發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，并相對于VGA幀信號的上升沿延遲約300 ns。因此，可將視景仿真系統(tǒng)輸出的視頻幀信號作為外同步輸入，實現(xiàn)視景圖像的刷新周期與仿真解算周期的同步。

4.3 主從同步測試

測試主同步控制器與從同步控制器級聯(lián)之后，輸出的串口同步信號延遲特性。主從同步控制器通過10 m 的級聯(lián)線纜連接，測試的同步信號邊沿一致性如圖15 所示。

圖15 主從同步延遲測試

可以看出，主從同步控制器輸出的串口同步信號的觸發(fā)邊沿誤差小于600 ns，多級級聯(lián)的信號延遲僅與線纜長度有關(guān)，而實際應(yīng)用中一般控制在百米以內(nèi)，線纜傳輸延遲可忽略。因此，主從級聯(lián)模式可滿足分布式仿真的同步控制要求。

5 結(jié)束語

該文通過仿真節(jié)點(diǎn)計算機(jī)的串口引入基于GNSS 的同步時序觸發(fā)信號和授時信息，能有效解決分布式仿真系統(tǒng)中的時序同步和時間管理問題，克服通過以太網(wǎng)進(jìn)行同步的時延不確定性，并支持異地組網(wǎng)條件下大型分布式仿真系統(tǒng)的同步計算和校時控制。以LEA-M8T 和RCM6700 為核心實現(xiàn)的同步控制器能夠提供精度小于600 ns 的同步觸發(fā)信號，并已應(yīng)用于某型飛行模擬器的組網(wǎng)訓(xùn)練中，確保了各仿真模型的正確交互和同步推進(jìn)，避免了視景圖像抖動等問題。