机动式系留气球测控系统软件设计与实现

唐黎江

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引言

系留气球被认为是一种理想的空中平台，它不仅可以搭载军事设备，而且可以挂载各种民用设备，在军民两用领域都具有广泛的应用空间和应用前景。机动式系留气球由于对场地的要求低，在应急指挥、通信和安防等领域起到了更加积极灵活的作用[1]。

近年来，系留气球的测控系统功能变得越来越复杂，组合技术的发展使得操作系统对实时性、稳定性和精度的要求越来越高，采用传统的软件结构来实时准确地实现系统功能已很困难，实时多任务操作系统在此方面则有着其突出的优点。实时多任务操作系统（RTOS）是嵌入式应用软件的基础和开发平台，它将CPU时间、中断和I／O定时器等软硬件资源都包装起来，留给用户一个标准的API接口，并根据各个任务的优先级，合理地在不同的任务之间分配CPU时间，管理各任务的运行。VxWorks作为一套最具代表性嵌入式实时多任务操作系统，至今已在航空、航天和导弹等实时控制系统中有着成功的应用。

1 系留气球系统

系留气球系统的体系组成如图1所示[2]。机动式系留气球的主要有留空时间长、覆盖面积大、能源消耗低、机动性强、使用和维护费用低、可靠性和安全性高等特点。

图1 系留气球系统组成

机动式系留气球的测控系统是系留气球大系统中的重要组成系统，不仅能对系留气球系统上各设备的状态和故障信息进行采集，而且也能对机动式系留气球的任务载荷、执行机构和电源等进行控制。

2 测控系统硬件平台

测控系统包括球上测控部分和球下测控部分，如图2所示[3]。

图2 测控系统体系结构

2.1 球上测控部分

球上测控部分主要包括飞控计算机（主机和备机）、双机切换板、姿态方位传感器、压力调节控制设备、差压检测设备、风速风向设备、数据交换机、球上光端机和球上无线电台等设备。其中飞控计算机和双机切换板是球上测控部分的核心部件。飞控计算机完成对球上测控部分的数据采集和状态控制输出，双机切换板完成对飞控计算机的选择和状态控制输出的选择。

球上测控部分的通信采用网络通信方式，飞控计算机通过网络链路采集传感器设备的数据信息，实现对传感器数据的解析。同时完成对系留气球的压力控制和任务载荷的电源控制。

2.2 球下测控部分

球下测控部分主要包括显控处理计算机、风速风向仪、声光报警器、缆绳倾角测量传感器、数据交换机、操控台、地面光端机和地面无线电台等设备。显控处理计算机完成球下测控部分的数据采集和状态控制输出，完成对操控台、声光报警器的控制，向球上测控部分发送控制命令；显示测控系统的状态和故障信息。

球下测控部分的通信采用网络通信方式，显控处理计算机通过网络链路采集传感器设备的数据信息和接收球上测控部分下传的数据，显示测控系统的状态和故障信息；同时提供人机交互接口，实现对球上测控部分的人工干预控制。

2.3 系统可靠性设计

球上测控部分主要完成与球下测控部分的通信；完成系留气球状态的采集；完成系留气球电源和任务设备的开关控制等。为了提高系留气球的安全性和可靠性，进行了系留气球球上测控部分的三余度冗余设计、通信链路的双冗余设计和故障报警提示。

首先，实现了系留气球球上测控部分的三余度冗余设计。系留气球球上测控部分的三余度冗余设计，是指为了保证球上测控部分能高效、可靠地采集球上传感器的参数信息，完成对系留气球压力的实时控制，系统设计并实现了3套软件，完成对传感器数据采集和系留气球压力控制。主要为：2套飞控计算机板（包括软件）可独立完成传感器数据采集、系留气球压力控制；驻留在双机切换板上的SOPC，实现系统中主要传感器数据采集和系留气球压力控制功能。3套系统同时运行，各自完成数据的采集和控制输出，但在任一时刻，有且仅有1套系统的控制输出能直接控制实际的执行机构，其余2套系统的控制输出无效[4]。

其次，设计了双备份的通信链路。通信链路的双冗余设计是指球上测控部分与球下测控部分有2条测控通信链路，主要为基于光端机的光纤通信和基于无线的网络电台通信。在正常情况下，所有的数据传输都由光纤通信来完成，无线通信仅完成链路维护功能；当光纤通信发生故障时，数据由无线通信链路进行传输。

最后，完成故障报警和提示功能。当系统遇到严重的功能故障时（如飞控计算机故障、通信链路故障和压力异常等），地面上的显控处理软件启动声光报警设备，进行声光报警，提醒用户进行及时检查和维修。

3 测控系统软件设计

3.1 软件平台

根据系统布局及计算机硬件平台的不同，测控系统的软件可分为球控处理软件和显控处理软件（地面）。

球控处理软件在机动式系留气球软件中占有重要的作用，直接影响整个系统的可靠性和安全性。球控处理计算机选用重量、体积均较小的PC104计算机模块。球控处理软件主要完成对球上各个传感器设备数据的采集、解析；完成对风机、阀门和电源的控制；完成与地面之间的实时通信。为了提高软件的处理能力和消息的响应速度，选择了VxWorks嵌入式实时操作系统[5]。该系统的内核保证任务之间的切换被严格限制在微秒级，限制了系统输入输出时间，系统本身开销小，是一个多任务、高实时性的系统[6]。

显控处理软件主要是完成人机交换功能。硬件平台选用工控机，以通用的Windows平台为系统，使用Visual C＋＋为开发环境，利用 National Instruments Measurement控件和3D按钮控件，开发出图形化的人机交互界面。

3.2 软件数据流程

光纤通信和无线通信建立了球上测控部分和球下测控部分的2条通信链路。在光纤通信正常时，无线通信仅仅实现通信链路的正常维护工作，控制数据和采集数据均通过光纤通信链路进行传输；当光纤链路出现故障时，启用无线通信链路，完成对控制数据和采集数据的传输工作。2条通信链路的数据处理过程一致，如图3所示。度，不同优先级采用抢占式调度。

图3 机动式系留气球软件数据流程

在球控处理软件中共包括4个进程，分别为定时处理进程、数据处理进程、网络接收进程和网络发送进程。为了保证合理地分配计算机资源，协调4个进程工作，协同完成对系留气球状态的采集和控制功能。

球控处理软件运行的流程如图4所示。

图4 球控处理软件运行流程

4 软件的设计与实现

4.1 球控处理软件设计与实现

球控处理软件采用VxWorks操作系统，完成对球控处理多任务的调度。VxWorks的内核Wind采用基于优先级的抢占式调度算法作为它的默认调度策略，同时也提供了轮转调度算法。Wind内核优先级划分为256级，0级为最高优先级，255为最低优先级。在同优先级任务间采用时间片轮转调

球控处理中4个进程的优先级如表1所示。

表1 球控处理软件进程优先级

表1中的4个任务如下所述。

a.网络接收进程。检索光纤网口和无线通信网口的数据，并将数据及时保存到网络接收缓区中。

b.网络发送进程。检索光纤网口和无线通信网口的发送数据缓区，并将数据发送至待发送的网络IP地址中。

c.数据处理进程。该进程主要循环检索各个接收缓区中的数据，并对检索后的数据按照协议进行解析、处理。主要包括：检索并处理来自显控处理的数据；检索并处理来自三维姿态的数据；检索并处理来自GPS的数据；检索并处理来自4个气囊的压力数据；检索并处理来自风速风向仪的数据。

d.定时任务进程。1ms定时器，每隔1ms程序便进入1次，在该进程中主要是实现系统故障信息的采集和判断及其他定时处理任务。主要包括：机箱温度采集；BIT故障信息采集；系留气球压力自控处理；发送应答机信息；压力数据的融合处理；定时喂狗处理。

4.2 显控处理软件设计与实现

显控处理软件运行的流程如图5所示。

图5 显控处理软件运行流程

显控处理软件负责系留气球状态、故障的显示；提供人机交换接口，完成对机动式系留气球系统的控制和参数设置功能；完成系统异常时的报警；提供数据的采集、记录和回放；完成日志信息的记录和查询。

显控处理软件采用Mircrosoft Windows XP操作系统，采用Visual C＋＋6.0开发软件，运用National Instruments Measurement Studio控件、3DButton控件和Flash控件等技术开发。充分利用National Instruments Measurement Studio的控件库，完成对显控处理界面的框架构建和详细设计。使显控处理软件界面友好，状态显示美观、易懂；信息分类明确；操控简单方便。

5 结束语

球控处理软件是基于VxWorks系统的实时控制软件，具有很高的可靠性和良好的实时性，采用了C＋＋语言进行开发，运行效率非常高。显控软件采用了多控件融合技术，开发了美观、实用和易读的软件界面。球控处理和显控处理软件的通用性强，已经在一系列的机动式和车载等系留气球中得到推广和应用，缩短了软件的开发周期和成本，提高了软件的可靠性。

设计的三冗余软件备份技术提高了系统的可靠性，在3年多的试验过程中，系统一直保持可靠安全的运行，满足航空产品的高可靠性要求。

[1]侯东兴，刘东红.浮空器在军事斗争中的应用及发展趋势[J].航空兵器，2006，（3）：60-64.

[2]单亚玲，刘耀宗.基于低空探测系留气球系统总体技术概述[J].长沙航空职业技术学院学报，2007，7（3）：51-54.

[3]林回祥，朱 弘.大型系留气球测控系统软件设计[J].信息与电子工程，2010，8（3）：360-363.

[4]黄 翌，陈丽娟.气球控制安全中的双机冗余设计[J].信息与电子工程，2010，8（3）：357-359.

[5]张全周.基于VxWorks的DCS现场控制站软件设计与应用[J].电力学报，2008，23（6）：477-479，491.

[6]孔祥营，柏桂枝.嵌入式实时操作系统VxWorks及其开发环境Tornado[M].北京：中国电力出版社，2002.