基于反射内存网的红外导引头测试系统通信技术

徐志跃，王玉龙，刘亚斌

（北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191）

随着我国红外制导武器的快速发展，制导武器对目标的识别、稳定跟踪、高精度的打击等性能要求变得越来越高，除了对红外武器最初设计和研制阶段进行严格控制外，后期的性能测试也是保证制导武器各项指标的必要步骤[1]。

半实物仿真测试方式为武器性能测试的主要方法[2]。红外导引头半实物仿真测试系统主要由红外目标模拟器、总控计算机、三轴转台控制计算机等组成[3]。总控计算机是整个测试系统的核心，用来运行仿真测试软件，并通过测试网络收集和处理试验数据，协调系统各个设备稳定工作。为了尽可能的提高各个设备之间数据传输的效率，避免传统网络通信可能存在的不可预测特性，提高导引头测试环境的逼真度，使用合适的实时网络技术显得尤其重要。

反射内存网络是一种以光纤作为主要通信电缆的高速性、实时性、确定性实时网络。反射内存网络在红外导引头测试系统中的运用，可以很好的满足测试系统对数据传输高效率、传输时间可预测、数据强纠错能力等方向的要求。文中针对反射内存网络的特点，提出了一种高效，稳定和强实时性的红外导引头测试网络系统方案。

1 反射内存网络的基本概念

1.1 反射内存网络的通信原理

反射内存网（Reflective Memory Network）是一种高速的、强实时性、传输确定性和可预测性的实时网络[4]。相比于以太网等传统网络，反射内存网络有着不占用或较少占用主机CPU时间、极强的可拓扑性、易于使用、维护方便、高速的数据传输、可靠的数据纠错能力、支持中断传输等特点。反射内存网络主要由各个节点计算机内部的反射内存卡和通信光纤组成，星形拓扑结构的反射内存网络还有反射内存集线器（Hub）。

反射内存网络中的每张反射内存卡的存储器中都有着其他节点的共享数据拷贝。网络中每个反射内存卡中都占有一段内存地址，当单个节点计算机向本地反射内存卡中的特定地址内写数据的同时，反射内存卡会将该数据和数据存放的地址以广播的方式发送到其它反射内存卡，其他板卡接收到广播后，会自动更新本地存储器中相应地址中的数据，在极短的时间内，网络中所有反射内存卡存储器中会有相同的数据。

反射内存网络主要有两种连接方式，一种为常见的环型连接（图 1），另一种是星型连接（图 2）。

图1 反射内存网环型拓扑结构图Fig.1 Reflective memory network topology structure diagram

图2 反射内存网星型拓扑结构图Fig.2 Reflective memory network star topology

环型连接的主要特点是使用光纤把网络中的每个节点串连形成一个环状结构。环型连接的优点是不需要额外的Hub、光纤的总使用量少、成本较低；缺点是每个节点数据传输都有延时，当网络中的任意一个节点计算机损坏或出现故障，都会导致整个网络的瘫痪。

星型网络连接的主要特点是网络中的所有节点都通过一对光纤连接到Hub机箱。星型连接的优点是网络中的一个或多个节点发生故障时，不会影响整个反射内存网络通信，并且数据传输迟延相对较小；缺点是若Hub发生故障，则整个网络瘫痪，且连接方式复杂、光纤使用量大、增加节点可能会增加多个Hub。星型连接虽然将所有的节点都通过一对光纤连接到Hub上，在物理上看似为星型，但其本质上仍为环型连接。

1.2 反射内存网的性质特点

反射内存网不仅具有数据传输高速性、确定性、可靠性以及中断传输等特点，而且还有网络节点之间通信不涉及到复杂的通信协议、传输迟延短、实时性强、网络搭建方法简单快捷和后期维护方便等优点[5]。

1）反射内存网通信时间的可确定性

以太网的传输机制决定了它很难做到传输迟延时间的可确定性，FDDI网络虽然也有反射内存网络存在的传输确定性，但是FDDI网络在数据传输过程中不存在中断传输，很少运用在强实时性的系统环境。

2）跨平台支持

反射内存网络允许各个节点使用不同种类的反射内存卡，并且各节点使用何种操作系统对反射内存进行操作都不会影响网络正常通信。

3）高效的容错机制

反射内存网络环状拓扑结构 （星型拓扑本质上也是环型），能够可靠的对通信过程中出现的传输错误进行差错检测和错误修正。在环状拓扑网络当中，系统中任意一个节点都会将发出的原消息和经环状传输后返回的消息进行逐一比较，出现任何的不同都会使原消息被重新传输，保证数据传输的正确性和可靠性。

2 基于反射内存网的红外导引头测试系统的构建

2.1 测试系统硬件平台设计方案

系统主要由7台PXI总线的计算机、1个红外目标模拟器、1个三轴转台、一个星型连接Hub组成。7台PXI计算机组成反射内存网络的7个节点，每台计算机都安装一块VMICPXI-5565反射内存卡。各个节点计算机的主要功能分别是：

1）总控计算机：用来控制、监视和协调整个测试系统，负责对整个导引头测试系统的任务进行总体调度、控制和管理；总控制台通过光纤网络向各子节点发出指令，并且根据测试的具体要求从各子节点获取最新的处理信息，对各个子节点进行控制和管理。

2）评估监测计算机：用来对红外导引头的各项采集数据进行显示和计算，并将计算结果与对应性能指标进行对比，得出评估结果；

3）目标监测计算机：负责显示和监测目标模拟器的目标源信息和干扰源信息；

4）转台监测计算机：负责显示和设置相关参数，并监测转台的运动方式、位置、速度和报警等信息；

5）环境监测计算机：监视当前测试环境的温度、湿度、洁净度和烟雾等；

6）图像采集计算机：用来对红外导引头进行红外图像采集、压缩、存储、回放等图像数据处理；

7）数据采集计算机：对其它RS422等测试数据进行采集、压缩、存储、回放等处理。

整体结构如图3所示。

图3 红外导引头通信网络结构图Fig.3 Infrared seeker communication network structure diagram

2.2 测试系统软件设计与实现

软件设计的核心部分是对VMIC5565反射内存卡128M的地址空间进行分配和基于反射内存网络的数据和命令的发送与接收、数据实时显示、各种状态监控等[6]。

1）反射内存网络通信协议的设计

针对反射内存网络数据种类的3种形式：命令、数据和状态。将整个内存共享区划分为4个独立的区域：数据区、图像区、命令区和状态区。每个区域里的数据形式相对单一，管理起来更加容易，并由中断号来管理这些分区，中断号与分区一一对应，如表1所示。

表1 中断号分配Tab.1 Interrupt number distribution

对红外导引头测试系统的7个节点计算分配如表2所示的节点号，并将VMIC5565反射内存卡中的128M存储空间按表3分配给每个节点。

表2 系统节点分配Tab.2 Node distribution system

表3 共享储存区的内存地址分配Tab.3 Shared memory address allocation of storage areas

2）节点计算机软件通信流程

红外导引头测试通信系统中的每个节点计算机对本地VMIC卡的操作流程框图如图4所示。

各节点计算机首先会创建一个VMIC反射内存卡的实例，并在初始化设置后，使能各个中断。若此节点计算机有数据需要下发到其它节点，会先判断此数据是命令，图像，还是状态之后，更新本地反射内存卡对应地址中的内存，再发送对应中断至其它节点计算机，若接收到目标节点回传的中断，并判断标志位确定为“0”后，则本次数据通信结束，等待下一次发送循环。本地计算机同时运行接收数据线程，用来等待其他节点发送的数据更新中断，在收到中断并更新对应地址内的数据后设置对应参数为“0”。

3 测试系统性能测试

由于红外导引头测试系统在星型连接方式下，各个节点之间数据传输具有发送开始时间不确定和发送数据块大小不确定。本测试系统中，为了使系统在更严格的测试环境下得到最可靠的测试结果，这里采用通过主节点在不确定的时间内向其他子节点发送随机大小的数据块，并主要记录大小为 16 Byte、64 Byte、1 024 Byte、1 MB 的种常用的块大小进行测试速率计算。由于节点计算机读反射内存网络中相应地址数据主要是读自身反射内存卡存储器中对应地址的数据，读取速率远远小于发送速率[7]。因此本系统主要测试发送数据的速率，即通过总控计算机向其它子计算机发送命令、状态等数据，并记录数据大小和发送到回传所经过的时间，通过多次测试并计算得出数据传输速率如表4。

图4 节点计算机程序流程Fig.4 Node computer program flow

表4 星型结构下单点发多点收的传输速率测试结果Tab.4 Transmission rate?test results under star structure

测试结果表明：对系统通信速率，迟延，误码率等各项指标测试，可以验证基于反射内存网络构建的红外导引头测试系统数据共享网络有着实时性好、数据传输可靠、传输速度快等特点，可以很好的满足红外测试系统对通信网络的多种要求。

4 结 论

根据红外导引头测试系统对通信网络有着强时实性、可靠性、数据传输可预测性、高速性等要求，提出了基于反射内存网络组建红外导引头测试系统的方案，并设计了测试系统的硬件结构和软件实现方法。通过实验验证了反射内存网络有着实时性好、数据传输速度高、极强的容错机制的特点。证明反射内存网络是红外导引头测试系统网络通信的理想技术，对我国航空武器的生产和发展都有着十分重要的意义。

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