空間站電源系統信息管理軟件重構方案

戴志晃 黃建青 劉艷麗 張明棟 胡曉剛 馬佰振

(上海航天電子技術研究所,上海 201109)

根據我國載人航天發展“三步走”的戰略規劃,我國在第三階段建造長期有人駐留的空間站。空間站不同于其他在軌飛行器,是一個長壽命、高可靠、可維修、高電壓大功率的載人飛行器,其中電源系統負責為整個空間站的電子設備供電。空間站電源系統采用的是多功率通道、多機組的架構,除了常規的數據采集下行和遙控指令上行之外,系統長壽命、可維修性及在軌系統管理所產生的系統信息量非常龐大[1-2]。其他航天器電源通過一臺單機的軟硬件能實現自身電源的控制及單個總線通信功能,而空間站電源信息系統包含多臺單機,實現電源充放電、艙內外驅動控制、分流和展收控制、多個內外總線通信等。空間站電源系統信息管理軟件(簡稱空間站電源軟件)運行在電源管理器上,完成電源系統內部多個單機與外部多總線信息管理功能,實現系統內外的數據交換,顯然傳統電源下位機軟件無法直接移植到空間站上使用。我國空間站電源系統是國內首次在載人航天器電源系統中采用多層1553B 總線通信的結構,“國際空間站”上采用空間數據系統咨詢委員會-高級在軌系統(CCSDS-AOS)通信體制,由4個局域網通過網關互聯而構成信息系統,因此我國空間站電源軟件設計無直接借鑒或引用的原型。

我國空間站電源軟件相對于傳統電源下位機軟件來說,需要增加多總線參數、總線指令的中轉收發,對電源系統內網進行系統管理,同時作為電源系統與數管系統,制導、導航與控制(GNC)系統等外部系統的接口,完成系統內外的數據交換。因此,本文提出一種基于電源下位機軟件的重構方案,能有效解決多總線管理和多任務處理的問題,同時具有繼承性和可靠性。

1 空間站電源系統信息管理特點與需求

如圖1所示,空間站電源系統的信息管理分為內網與外網兩部分[3]。

圖1 空間站電源系統信息網Fig.1 Information network of space station power system

(1)內網:以功率通道為單位,每個功率通道組成一個電源系統功率通道內網。內網是由電源管理器、充放電調節器(4臺)、艙內驅動控制器、艙外驅動控制器組成的1553B 總線通信網。電源管理器作為總線控制器(BC),負責收集電源系統其余設備的總線參數,同時將數管系統上行的總線指令轉發給相應設備。電源系統其余設備作為遠程終端(RT),將本設備采集的參數傳輸給電源管理器,同時接收并執行電源管理器轉發的總線指令。

(2)外網:與功率通道內網相對,內網以外的通信網絡稱為外網。電源管理器作為RT,與1553B總線外網相連,同數管系統進行參數和指令的交換;電源管理器作為RT,與GNC系統1553B局部總線相連,進行對對日定向指令、參數交換。

電源管理器作為總線控制器,負責功率通道所有總線參數、總線指令的中轉收發,對電源系統內網進行系統管理,同時作為電源系統與數管系統、GNC系統等外部系統的接口設備,完成系統內外的數據交換。因此,電源管理器要實現3組1553B 的通信,還有1組RS422通信總線用于內部測試,如圖2所示。多個系統之間的通信構成多總線結構,它們之間通信任務需求的差異性會產生多總線任務競爭問題,因此,解決多總線任務處理問題是空間站電源系統信息管理的關鍵。

圖2 多總線拓撲結構Fig.2 Multi-bus topology structure

2 空間站電源軟件架構設計

在上述多層總線系統中,多路設備同時發出總線請求時就會沖突。為有效利用總線資源,對競爭設備進行仲裁并根據結果對設備賦權,就是仲裁算法。仲裁算法對于系統性能的影響起著重要的作用。常用的仲裁算法分為靜態算法和動態算法,在算法中主模塊的優先級是確定的稱為靜態算法,在仲裁過程中主模塊自身優先級可變的稱為動態算法。固定優先級仲裁算法、循環優先級仲裁算法、彩票仲裁算法都是靜態優先級算法。固定優先級仲裁算法容易導致高優先級設備長時間占用總線,而低優先級設備長時間爭用不到總線;循環優先級仲裁算法使各設備優先級過于公平,而忽視設備本身優先級高低的差異;彩票仲裁算法的仲裁受到概率的影響。

空間站電源軟件執行任務的優先級是確定的,且不能存在單機設備長時間不被響應的情況,所以傳統的靜態優先級算法無法適用。傳統電源下位機的總線通信中斷觸發的軟件架構僅適應于簡單的單總線架構體系,但無法支持多總線和多任務的模式要求。本文結合空間站電源軟件所采用的80C32平臺特點和電源下位機的總線通信中斷觸發架構,利用CPU 的軟硬中斷,通過軟件中斷擴展系統本身的中斷源,并根據任務優先級的高低進行調度執行。它能實現多總線背景下系統數據的分級處理,按數據處理的輕重緩急進行響應,并通過設計基于多級靜態優先級的任務調度處理架構,達到數據流的合理通信。圖3為空間站電源軟件架構,它以任務調度模塊為架構核心,其他模塊在任務調度模塊的調度下執行。下文論述了如何通過傳統電源下位機進行架構重構和代碼重構的具體步驟,并且描述了重構的效果。

圖3 空間站電源軟件架構Fig.3 Software architecture of space station power system

3 軟件重構方案

當前,軟件重構技術主要分為架構重構和代碼重構2種。架構重構通常是在設計模式的基礎上,對軟件的功能及接口進行局部或整體的重新劃分[4-5]。代碼重構是按照團隊規范整理代碼,使之更加整潔、規范,提高代碼的自表現力。電源下位軟件主流程以充電控制為主,結合星務計算機觸發的總線通信中斷進行處理[6-7]。空間站電源軟件設計以總線通信管理為主要功能,不具備充電控制能力。因此,只有對電源下位機的架構進行重構,才能滿足空間站電源軟件符合多總線和多任務處理的要求。

基于上述理由,首先對電源下位機軟件架構重構,即在原總線通信中斷觸發架構的基礎上增加多級靜態優先級的任務調度處理模式,以有效解決多總線管理和多任務處理問題;然后在空間站電源軟件架構下實現對電源下位機軟件代碼重構復用。

3.1 架構重構

3.1.1 基于多級靜態優先級的任務調度處理模式

空間站電源軟件采取3級優先級,將所有的任務模塊設置在這3級優先級中,然后通過任務調度模塊安排各功能模塊執行。對響應時間最敏感的任務,通過單片機硬件中斷直接執行;其他任務則通過以單片機內部定時器為基礎的任務調度模塊安排執行。高優先級任務擁有高響應性,可以較快進入調度執行隊列。任務調度模塊根據事先定義的任務優先級查詢各個任務標志,確認是否需要啟動任務執行。

任務調度模塊以單片機內部定時器為基礎,初始化時設置定時器的定時時間作為調度的最小時間精度,通過定時器中斷機制建立一個調度其他任務的模塊。同時,軟件設置多種時間精度來分配任務的優先級,優先級高的任務具有最高查詢時間精度,任務調度模塊以高優先級來執行此任務,其他任務則需要等待此任務執行完畢后才能占用CPU 資源。例如:定時器在初始化時設置定時值為200μs,即每200μs±1μs產生1個定時中斷,調度模塊通過事先定義好的優先級對任務待處理狀態進行查詢,優先級高的任務查詢間隔短,在每個時間片均進行查詢是否有執行請求,優先級低的任務由于對執行時間不敏感,一般10個時間片以上查詢1次。若查詢到有多個任務處于待執行狀態,則按照任務優先級高低安排任務執行的先后順序。任務調度流程如圖4所示。其中:任務調度模塊根據事先定義的任務優先級決定查詢的頻率,高優先級任務具有最高的查詢頻率,從而具有最快的響應時間。

圖4 任務調度流程Fig.4 Task scheduling flow

圖2中3層總線的優先級由最上層的1553B網絡向下逐級降低,RS422網絡優先級最低。分系統A1和B1的數據通信對時間最敏感,必須給予數據最高優先級處理,這樣第1層的數據得到最及時的實時處理。RS422 網絡數據處理對實時性要求不高,對延時容忍大,所以設置為最低優先級。

優先級在程序初始階段確定,即采用靜態優先級的方式。第1層分系統A1和分系統B1總線中斷作為硬件中斷,使用單片機的外部中斷0,1連接總線中斷引腳,作為軟件外部輸入的驅動事件,設置優先級為最高;第2層的分系統A2總線對實時要求較高,所以設置優先級為次高;第3層RS422網絡對執行時間要求低,設置為最低優先級。

3.1.2 工作流程設計

傳統電源下位機軟件采用簡單的單總線通信中斷觸發軟件架構,中斷來后根據不同的1553B 子地址置位消息標志,在主程序中判斷消息標志后執行相關處理,其工作流程如圖5所示。空間站電源下位機軟件則是利用任務調度模塊實現中斷按優先級排隊,從而按優先級處理相應任務,其工作流程如圖6所示。

圖5 傳統電源下位機軟件工作流程Fig.5 Software workflow of tradition power system slave computer

圖6 空間站電源軟件工作流程Fig.6 Software workflow of space station power system

外部輸入信號連接單片機外部中斷引腳,硬件中斷相對于軟件中斷來說具有更高的優先級。軟件中斷分為2級,根據任務的重要性和執行時間等綜合因素設置優先級。從任務需求角度考慮,軟件把對實時要求高的模塊作為軟件高優先級處理,處于執行隊列的隊首,其他低優先級任務則根據請求依次進入處理隊列的隊尾。

空間站電源軟件按任務重要程度和實時性要求,對優先級作進行劃分(見表1)。T1,T2總線中斷作為硬件中斷,使用單片機的外部中斷0,1連接總線中斷引腳,作為第1層網絡分系統A1和B1外部輸入的驅動事件,設置優先級為最高;T3對實時要求較高,設置優先級為次高;T4,T5對執行時間要求一致,設置為最低優先級。

表1 任務優先級Table 1 Task priority

為了提高CPU 利用率,減少CPU 空轉時間,在執行任務隊列為空的情況下,任務調度模塊把CPU 分配給高優先級任務占用,比如分系統A2總線傳輸等任務。這樣,在提高CPU 利用率的同時,均衡了CPU 的負載。

3.2 代碼重構

如圖7所示,為了滿足對電源系統的控制要求,傳統電源下位機采用硬件實現對模擬量電壓變換、處理工作,軟件實現對蓄電池充放電閉環控制、遙測采集、執行遙控指令和總線通信等工作。電源下位機軟件包括1553B 總線通信、指令發送模塊、遙測采集模塊和控制模塊。通過1553B 總線實現與其上位機星務系統通信[8-10],包括發送組幀后的遙測值和接收指令參數。

圖7 傳統電源下位機原理框圖Fig.7 Schematic diagram of tradition power system slave computer

電源下位機軟件主要完成3項功能:對氫鎳蓄電池組進行氫壓和安時計充電控制;對鋰離子蓄電池組進行充電控制和均衡管理;與星務主機進行通信。其中:與星務主機的1553B 總線通信,包括對65170芯片初始化,芯片寄存器和內存的讀寫,并將遙測組幀發送,接收總線指令并執行。

如圖1 和圖2 所示,空間站電源軟件要實現3組1553B的通信,需要采集系統內單機的遙測,組幀后轉發給2個外系統,并且接收2個系統的指令注入轉發給電源系統內單機。空間站電源軟件因需求變化,要對電源下位機軟件代碼進行重構。需求差異體現在芯片初始化數量、遙測組幀、接收指令和注數、指令處理及新增總線監測上,具體如下。

(1)直接復用:寄存器讀寫和內存讀寫模塊。

(2)部分復用:芯片初始化模塊,因為要對3個1553B芯片進行初始化,各個芯片寄存器的設置、查找表及子地址控制字都不一樣,所以根據它們各自的設置生成3個芯片初始化函數;遙測模塊,復用模擬量采集和數字濾波代碼;接收指令模塊,復用執行集電極開路(OC)指令代碼。

(3)新增代碼:接收指令和注數的數據校驗函數;電源系統內總線數據收發函數;總線監測函數;串口函數;遙測組幀模塊;任務調度模塊。

由以上可知:直接復用和部分復用的函數模塊為5個,占到整個13個函數模塊的38.47%,實現了38.47%的軟件代碼復用率。

4 應用與驗證

本文設計的空間站電源軟件已在我國空間站電源系統中得到應用。軟件接收數管計算機的總線指令和注入數據后,分發給系統內部各單機;軟件收集系統內各單機的遙測數據(包括工程、常規、儀表和蓄電池遙測數據),組幀后將數據發送給數管系統;響應來自GNC 系統的驅動控制指令,分發給相關的驅動控制設備;接收驅動控制設備反饋的驅動控制數據,組幀后發送給GNC 系統。下面以電源系統內各單機的遙測數據采集的T3任務晚于T4,T5任務的執行比率為例,對重構后空間站電源軟件進行驗證。

如果采用傳統電源下位機總線通信中斷處理方法,則收集電源系統內各單機的遙測數據的T3任務晚于表1中T4,T5任務執行的比率如圖8所示。T3任務中收集分系統4種遙測晚于T4,T5任務執行的比率總計為44.48%。通過重構后的空間站電源軟件,優先執行T3任務,不會晚于T4,T5任務執行,即執行比率提高了44.48%。通過以上驗證,可知空間站電源軟件采用具有靜態優先級的任務調度處理模式,實時性任務的響應率提高了44.48%,保證了系統內實時性任務的響應和數據傳輸的可靠性,能有效滿足空間站電源系統的信息管理任務需求。

圖8 T3任務晚于T4,T5任務執行的比率Fig.8 Execution rate that T3 task is later than T4,T5 tasks

5 結束語

經過重構的空間站電源軟件,實現了多重總線的互聯互通。在它的管理下,連接了不同層次的網絡,擴展了系統原有設備數量和數據負載的限制。軟件采用具有靜態優先級的任務調度處理模式,保證了系統內實時性任務的響應和數據傳輸的可靠性。后續根據航天電源的發展方向,必定需要更加復雜的信息網絡,軟件需要處理能力更強的CPU平臺。下一代空間站電源軟件可以結合新型平臺的特點和軟件重構技術繼續迭代開發,從而實現復雜網絡通信和大量數據的實時處理。