测控系统中软总线平台设计与实现

靳建彬,王元钦,陈 源,包 瑞

(1.装备指挥技术学院,北京101416;2.中国人民解放军63999部队,北京100094)

0 引言

目前,基于软件无线电处理技术的测控系统受制于专用硬件设备(DSP/FPGA),在重组性、扩展性和通用性方面不够理想。基于虚拟无线电的分布式测控系统由“天线+数字化接口+计算机+软件”构成[2],利用计算机实现测控系统的核心功能。目前国外已经开展了基于虚拟无线电技术的软件化GSM基站、虚拟雷达(virtual radar)和软件GPS接收机方面的研究,国内也出现了软件化数字电视。这种软件化处理的模式,一方面摆脱了对专有硬件平台的依赖,另一方面却使得软件模块增多,各信号处理模块之间耦合密切,数据交换频繁。当组件之间有数据流动时,一个组件的更改会影响其他很多组件的调用。

面对上述问题,借鉴硬件总线的思想,运用软件、网络和通信等技术,设计了分布式测控系统的软总线数据传输平台。试验结果表明此平台实现了组件间的数据传输和解耦合。

1 软总线平台结构与服务

1.1 软总线基本思想

计算机系统的硬件总线是计算机内各部件和输入输出设备相互传送信息的公共通道。通过硬件总线计算机系统可以插接各种类型的标准接口模块,并可灵活地扩展系统功能。软件总线与硬件总线一样[3]是一组虚拟的数据信息传输通道,是一组通用的标准软件接口,是一个提供数据传输通道的软件,系统内的各个功能组件通过总线交换信息。

目前基于分布式对象计算技术的中间件就是基于软总线思想,能够屏蔽不同操作系统、网络协议和编程语言带来的通信兼容性问题[4],实现组件通过中间件进行间接、透明的数据通信。这里引入分布式计算中间件自适应通信环境对象请求代理(THE ACE ORB,TAO)。TAO是在自适应通信环境(ACE)基础上开发的高性能实时CORBA中间件。其内部的对象请求代理ORB允许对象不知道对象位置、系统平台和通信协议的情况下进行透明的互操作,极大地方便了异构分布式环境下系统的开发。

1.2 实时事件服务

实时事件服务是分布式组件通信的关键。这里根据系统功能需求,应用了中间件TAO的实时事件服务机制,实现解耦组件间的数据传输。

事件服务提供了一种松散的、异步的通信机制,建立了一个通用的分布式事件模型[5]。事件服务共有数据提供者、数据消费者和事件通道3个角色。提供者和消费者通过事件通道进行间接异步通信,组件可以实现解耦合和即插即用。

通信模式有2种:推(Push)模式:提供者主动提供数据;拉(Pull)模式:消费者主动申请数据。由于消费者通常无法精确地知道事件产生的确切时间,因此Pull模式中一般采用轮询的方法获得提供者的通知,造成事件通道通信量的增加,容易引起网络阻塞,因此对于频繁发送数据的通信采用Push模式。测控系统处理的是周期性的采集数据,组件间数据传输频繁,因此采用Push模式,提供者把不断采集的数据传入事件通道,然后主动传给消费者进行算法处理。实时事件服务模型如图1所示。

图1 实时事件服务模型

1.3 过滤机制

标准事件服务定义事件通道作为事件从提供者向所有消费者广播的广播者,所有已注册的消费者必须接收所有的事件。如果有的消费者对某些事件不感兴趣,只有消费者自己将所接收的事件进行抛弃,但是事件已经在网络上进行了传输,占用了网络资源,浪费了传送事件所占有的带宽和处理时间。

为减轻网络负载,提高传输效率,软总线中加入事件过滤机制,这样设计优点如下:

①消费者不用再对事件进行过滤;

②节省网络资源,降低网络负载,提高传输性能;

③如果将过滤机制放在供给者处,供给者需要知道消费者的需求,这样增加了耦合性,与平台解耦合的初衷相左。

2 软总线研究与设计

由于事件服务机制封装在TAO中间件内部,代码复杂、晦涩,不利于组件设计者使用。参照事件服务标准设计了软总线数据传输平台,提供了标准的接口。系统的组件只要遵循标准接口,就可以作为数据提供者、消费者或二者都有连接到软总线上,实现组件之间的分布式通信。

软总线规定了统一的数据结构,由事件头和事件体构成。数据块要求统一的数据类型和长度,如图2所示。

图2 统一数据结构

软总线采用数据“发布—订阅”模式,提供者发布数据,消费者订阅数据。在组件接入软总线之前,要指定过滤参数,即表明发布数据或消费数据的数据源或数据类型。软总线内部原理图如图3所示。

图3 软总线内部原理

运行原理是:供应者与消费者进行通信,总线首先要分配一个事件通道(Event Channel,EC),然后执行以下步骤:

①供应者:事件通道(EC)创建一个供应者管理器(Supplier Administer,SA);由SA为对端的消费者在本地创建一个消费者代理(Proxy Consumer,PC),这相当于PC连接到事件通道EC上;供应者本身与PPC相连,表示向EC注册;

②消费者:事件通道(EC)创建一个消费者管理器(Consumer Administer,CA);由CA为对端的供应者在本地创建一个供应者代理(Proxy Supplier,PS),这相当于PS连接到事件通道EC上;消费者本身与PPS相连,表示向同一事件通道注册。

至此,完成了供应者与消费者的全程相连。供应者管理器与消费者管理器只是负责创建相应的消费者代理和供应者代理,通道建立后,在整个通信过程中不再介入。

3 系统集成与性能测试

3.1 基于软总线的虚拟无线电测控系统

这里将设计的软总线应用于虚拟无线电分布式测控系统,系统结构图如图4所示。

图4 虚拟无线电分布式测控系统

这里命名服务采用的是组播模式,通过命名服务,网络中的计算机可以定位其他计算机上的算法模块,获得事件服务对象的引用,便于数据的发送和接收[6]。

3.2 组件与软总线交互

组件主要通过调用软总线提供的标准接口实现和软总线的交互。下面以载波跟踪模块提供者为例说明组件和总线交互的过程。

首先模块发布数据源类型:

模块调用标准接口函数接入软总线通道,并设置数据源为过滤参数:

软总线介于操作系统和算法模块之间,作为模块间数据传输的公共通道。加入软总线后,系统模块之间不进行直接交互,而是通过软总线间接连接。比如,载波跟踪模块不用知道自己需求的数据来自哪个模块,也不用知道自己的数据要送往哪里,只需要和总线进行交互,与其他组件无关。软总线接收模块推来的数据,并送到订阅了此数据源的1个或多个模块,实现了模块间的数据通信。

分布式测控系统中的计算机通过局域网连接。系统通过命名服务定位分布式组件的位置,运行命令如下:

最后模块将产生的数据推入总线:

完成了和总线的数据交换。如果模块想断开和总线的连接,调用接口函数:

软总线接收数据后会发送到订阅了此数据的模块。接收模块对软总线的使用与提供者类似。软总线封装了ACE通信环境、ORB和事件服务,只是提供给模块简单的接口函数,使得模块设计人员能够轻松使用,降低了编程难度。

模块既可以作为提供者产生数据,也可以作为接受者接收数据,或者二者都有。比如载波跟踪模块既接收数据读取模块的数据,又将处理后的数据发送给测速模块和遥测模块。

3.3 性能测试

测试环境:WindowsXP系统,千兆网,3台PC连成局域网,如图5所示。

图5 测试环境

测试包括正确性测试和实时性测试。16.3 MB/s的采集速率得到的数据经过载波跟踪处理,得到多普勒跟踪曲线结果如图6所示。

图6 载波跟踪组件多普勒输出

经过软总线传输后的数据与上面数据进行比对,结果一致,传输正确。

测试的网络间数据传输速度达到40 MB/s,可以进行高速可持续的数据传输。对于1 s的采样数据,经过软总线传输需要花费的时间是0.1 s,算法处理时间小于0.9 s,因此可以满足实时性的要求。

4 结束语

参照中间件TAO的实时事件服务标准设计了软总线数据传输平台,并应用于基于虚拟无线电的分布式测控系统。软总线平台实现了算法组件之间的分布式通信,使各组件之间结构解耦合,系统能够并行开发。同时提高了测控系统的灵活性,便于系统的结构可扩展和组件的可重用性,降低了系统的升级和维护难度。下一步工作是在异构系统中使用软总线平台,验证其异构性。同时研究优先级抢占等策略,进一步提高软总线的实时性能。

[1]杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2001.

[2]刘嘉兴.航天测控技术的过去、现在和未来[J].电讯技术,1999,39(2):1-3.

[3]颜建平,张 焱,陈路路.软总线技术发展与应用研究[J].无线电工程,2008,38(11):61-63.

[4]张洋祥.分布式对象技术分析及其发展研究[J].软件导刊,2009,2(2):139-141.

[5]朱其亮,郑 斌.CORBA原理及应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2001.

[6]HENNIN M,VINOSKI S.Advanced CORBA Programming with C++[M].Pearson,1999:668-712.