基于CPCI模塊的無人航天器軟件重構技術

張占孝

(西安職業技術學院教務處，陜西 西安 710077)

0 引言

隨著科技的發展，無人航天器被廣泛地應用于電子偵察、軍事應用和遙感勘測等領域，無人航天器驅動軟件的復雜度越來越高，軟件日常維護技術也越來越高端，傳統維護技術面臨著被市場淘汰的風險[1-2]。重構無人航天器軟件，能夠有效提升無人航天器驅動軟件的性能，保證無人航天器的穩定飛行。經過專業人員的深入分析發現，當今的無人航天器軟件重構技術存在安全性低、性能低和靈活性差的弊端。如何提升無人航天器軟件重構性能是當前亟待解決的問題[3-4]。

在傳統方法的基礎上，本文提出了基于CPCI模塊的無人航天器軟件重構技術，通過CPCI模塊動態加載技術對無人航天器軟件區域進行重構分析處理，提升軟件重構的效率及準確性。

1 航天器軟件重構影響因素及CPCI模塊動態加載分析

在無人航天器軟件重構的過程中，區域資源分配及運行條件會影響軟件運行效率及穩定性。為提升無人航天器軟件重構的性能，首先分析區域資源分配及運行條件2方面的影響因素，考慮該因素設計軟件重構技術，引入CPCI總線模塊，通過調用總線接口產生復位 DSP 的脈沖，控制模塊動態加載的順序，可實現CPCI模塊的動態加載，提升無人航天器軟件重構的效率。

1.1 無人航天器軟件重構技術影響因素分析

無人航天器軟件重構的同時會影響到無人航天器其他區域及部件的運行，為此需要分析無人航天器軟件區域的資源分配和運行條件2個影響因素。

無人航天器軟件區域資源分配主要分為資源數量和分配方法2個方面。無人航天器內部的各個軟件之間執行任務的額度都有一定的限制，一旦軟件區域觸發重構技術，就會導致每個結構的執行任務順序出現混亂，器件可能出現任務空閑或者執行器飽和的情況，使得無人航天器軟件區域重構資源不足，甚至整個無人航天器出現運行故障。如果無人航天器的某個區域長時間出現資源分配不均，也會影響無人航天器功能的實現，從而導致軟件重構技術有效性降低[5-6]。

運行條件影響因素對于無人航天器軟件重構技術的影響，主要體現在軟件重構技術的任務窗口發生變化、重構有效時間縮短和重構的最佳匹配度3個方面。形成以上3種情況主要是因為無人航天器軟件重構技術在運行過程中，受到外界不可避免因子的干擾、無人航天器任務窗戶的臨時變更以及器件的性能的影響，如重力梯度力矩、干擾磁場和無人航天器器件之間的振動誤差等。實際無人航天器在運行過程中，由于突發事件或者其他情況，無人航天器執行的每個任務的規定時間窗口都會適當出現變化，當重構技術運行時，時間窗口一旦發生變小，重構技術沒有準備，就會影響軟件重構技術的效果。重構技術的核心是通過更改無人航天器軟件區域的結構，使得器件的性能得到提高，但是當其他器件的性能達不到要求時就會降低重構技術的重構效率，重構完成的時間越長，外界干擾行為干擾的影響越大，最終影響軟件重構技術的整體完成效果。

1.2 CPCI總線模塊

CPCI模塊也被稱為緊湊型PCI，該模塊是在PCI技術的基礎之上改造的，其總線突破傳統的機械總線結構，采用由國外進口的材料制作而成。CPCI總線具有散熱快、抗振動性強、抗沖擊力、兼容電磁性能和防腐性的特點，在一定程度上降低了模塊對于軟件的負載能力，提高軟件的運行效率。

CPCI模塊動態加載主要分為2個階段，第1階段是啟動CPCI模塊內的各個接口;第2階段完成模塊動態配置。每條總線具有2個總線接口，在CPCI模塊內存在許多的總線接口，接口一旦出現連接錯誤，整個軟件就會出現故障，因此，本文采用相同信號復位的方式完成開啟總線接口。

軟件區域所有的燒寫程序驅動后，DSP程序跳轉到模塊的初始地址開始執行，重復此操作就可完成模塊動態接口的啟動。對于無人航天器軟件環境中需要切換算法的場景，初始化AD采樣板，調用模塊內總線的所有接口，產生復位 DSP 的脈沖，根據復位脈沖的大小，控制模塊動態加載的順序，依次操作即可完成CPCI模塊的動態加載[7-9]。

2 無人航天器軟件重構開發流程及技術實現

無人航天器上位機程序開發是軟件重構的基礎，通過開發無人航天器上位機內的VI程序，實現上位機的通信及結構配置，便于在軟件重構過程中整體的調度操作。通過DSP程序燒寫及FPGA程序遠程燒寫，完成無人航天器的軟件程序燒寫，保證無人航天器軟件重構技術順利進行；以CPCI模塊動態加載為基礎，設計無人航天器軟件重構開發流程，完成對基于CPCI模塊的無人航天器軟件重構技術的實現。

2.1 無人航天器上位機程序開發

無人航天器上位機程序開發的首要步驟是構建無人航天器上位機的自定義程序開發環境，然后分別在無人航天器上位機進行VI程序配置和FPGA VI子程序配置，最后完成無人航天器上位機的標定開發[10]。無人航天器上位機程序開發過程如圖1所示。

圖1 無人航天器上位機程序開發流程

VI程序采用單循環異步執行方式的結構框架，可以完成上位機的通信通道、屬性和結構關系層次的配置。上位機通信通道的任務是完成上位機與其他結構引擎進行數據交流；屬性配置的目的是使上位機程序具有自動匹配的功能，為接下來的軟件重構技術奠定基礎；結構關系層次的配置目的是更方便在軟件重構過程中進行整體的調度操作[11]。

FPGA VI子程序實現的功能是控制上位機的時序信號，因為上位機的時序信號直接控制無人航天器的點火、噴火、驅動和熄火等重要執行指令，無人航天器對以上功能的要求精度較高，所以FPGA VI子程序的配置過程較為煩瑣。配置的本質是將AES庫函數和CA信號函數相互融合和匹配，完成子程序的配置[12-13]。FPGA配置時序如圖2所示。

圖2 FPGA配置時序

AES函數為子程序提供了一個程序運行的高級內核，保證程序在運行過程中不出現差錯，CA函數是模擬上位機正常運行的時序信號，為子程序軟件重構技術提供正確的信號導向[14-15]。FPGA配置實現框圖如圖3所示。

圖3 FPGA配置實現框圖

上位機標定開發是通過CAN校準協議、標定工具包和測量校準協議，使上位機程序具有對程序文件讀寫的功能。上位機程序的標定首先將上位機內不同的數據幀配置到對應的數據接口內，完成程序標定信息的搭建以及信息交流環境的搭建，形成標定指標[16-17]。其次在程序框架內配置數據采集識別文件，建立程序數據讀取功能。

2.2 無人航天器軟件程序燒寫分析

為確保無人航天器軟件重構技術順利地完成，對無人航天器軟件程序燒寫進行研究。其軟件程序的燒寫分為2部分，分別是FPGA程序遠程燒寫和DSP程序燒寫。程序的燒寫是不同類型的，但是程序燒寫的本質都是集成多個AD采集板，完成程序的燒寫配置。多板塊FPGA程序遠程燒寫系統如圖4所示。

圖4 多板塊FPGA程序遠程燒寫系統

無人航天器軟件的DSP程序燒寫惡意完成的任務是通過信息處理，完成信息分析。燒寫程序是由多個BIX文件組成的，一旦程序出現故障時，也要通過相同格式的編譯工具，才可以進行維修[18-20]。DSP程序燒寫配置的步驟如圖5所示。

圖5 DSP程序燒寫配置流程

a.首先調用無人航天器軟件區域的文本文件，將所有文件轉變為燒寫文件格式，錄入DSP工具包中，然后在燒寫環境內根據實時情況，加入SDRAM外掛，完成后將所有文件保存，并按照 1 MB×200 GB×32 bit文件大小的形式均勻分割，將分割結果轉存到AD采樣板上。

b.每個采樣板將本身存入的數據進行讀取，存儲在AD采集板的外掛內，同時緩存，防止配置數據的丟失。AD采樣器在存儲的過程中會自動判斷寫入的燒寫程序代碼是否正確，一旦出現錯誤會停止錄入，將外掛包退回，重新完成以上操作。

c.如果以上軟件程序燒寫操作一切順利，那么接下來直接將AD采樣板上的外掛信息與DSP環境下的外掛數據包進行相對位置讀取操作，完成軟件DSP程序燒寫的配置。

2.3 基于CPCI模塊動態加載的無人航天器軟件重構流程分析

以對無人航天器軟件區域結構的研究為基礎，本文總結出基于CPCI模塊動態加載的無人航天器軟件重構技術的流程，如圖6所示。

圖6 基于CPCI模塊的無人航天器軟件重構流程

a.調用CPCI模塊動態加載技術，將內部的總線接口打開，將重構技術的子程序安裝在軟件數據庫內，為下文重構奠定數據基礎。

b.通過時間調度模型，將無人航天器軟件內的結構進行邏輯調度，同時重構技術的子程序開始操作，將所有的結構按照需求進行結構排序。

c.循環控制上位機程序、DSP燒寫程序、FPGA VI子程序和VI程序之間穩定的數據復位，完成無人航天器軟件重構操作。

3 實驗結果與分析

本文使用文獻[3]技術及文獻[4]技術作為對比方法，共同完成對比實驗的驗證研究。

3.1 實驗環境及參數

實驗測試在MATLAB仿真軟件中進行，準備工具為3個航天模擬器、數據分析器、報警器和計算機。具體實驗流程為：實驗前工作人員選擇一個空曠的場地，模擬出無人航天器飛行的環境，一切準備操作完成后，在同一時間觸發3種軟件重構技術，當3種技術全部停止操作后，結束對比實驗實操，整理實驗場地。同時，工作人員借助計算機完成實驗測試數據的分析，專業性能測試軟件對3個模擬無人航天器的性能進行參數測試，最終得出實驗結論并進行討論。實驗環境如圖7所示。

圖7 實驗環境

3.2 實驗結果與討論

測試3種技術對無人航天器軟件重構的性能，以軟件重構后航天器的運行有效功率及電機轉速為指標，得到實驗對比結果如圖8和圖9所示。

圖8 無人航天器軟件重構后運行有效功率對比結果

圖9 無人航天器軟件重構后電機轉速對比結果

分析圖8可知，經文獻[3]技術重構后，無人航天器的運行有效功率平均值為111 kW；經文獻[4]技術重構后，無人航天器的運行有效功率平均值為116 kW；經本文技術重構后，無人航天器的運行有效功率平均值為146 kW。實驗結果證明，本文設計的基于CPCI模塊的無人航天器軟件重構技術的性能較好。另外，本文控制了具有干擾能力的軟件資源分配和運行條件2個因素，使得軟件重構技術具有較高的穩定性，因此，應用本文技術的無人航天器運行有效功率的穩定性也較好。

分析圖9可知，經文獻[3]技術重構后，無人航天器的電機轉速平均值為2 300 r/min，且波動值較大；經文獻[4]技術重構后，無人航天器的電機轉速平均值為2 550 r/min，相較于文獻[3]技術其轉速波動值較??；經本文技術重構后，無人航天器的電機轉速平均值為2 800 r/min，在10 h運行時間內電機轉速平穩，幾乎無大幅波動。由此可見，本文基于CPCI模塊的無人航天器軟件重構技術的重構穩定性較好。

在此基礎上測試3種技術的重構時間，實驗結果如表1所示。

表1 無人航天器軟件重構時間對比結果

分析表1實驗結果可知，文獻[3]技術的重構時間平均值為1.66 s，文獻[4]技術的重構時間平均值為2.42 s，本文技術的重構時間平均值為0.69 s。上述結果表明，本文技術能夠有效減少無人航天器軟件重構所消耗的時間，提升重構效率。

4 結束語

為提升無人航天器軟件重構的性能，提出基于CPCI模塊的無人航天器軟件重構技術。

對無人航天器上位機程序開發和軟件燒寫程序進行分析調用，綜合CPCI模塊動態加載技術和影響無人航天器軟件重構技術的影響因素，完成基于CPCI模塊動態加載的無人航天器軟件重構技術的分析。實驗結果表明，本文所設計無人航天器軟件重構技術的重構時間較短，重構后無人航天器的電機轉速和運行有效功率均較高，且運行狀態穩定。