出舱活动试验系统间舱压数据接口设计

史志明 崔俊峰 夏 云 匡 鸿 李文波

(1 中国航天员科研训练中心,北京 100094)

(2 中国空间技术研究院,北京 100094)

1 引言

现代载人航天工程由多个大系统构成,这些大系统均广泛使用了各类计算机和网络技术,构成了天地一体化的复杂信息网络;软件也逐渐成为其中的核心与灵魂,既包括系统自研软件产品,也包括商用软件、附属于设备的应用软件和其它软件等,载人航天工程已成为一项软件密集型工程[1]。随着各类综合性测试和试验任务的增多,不同系统之间的数据交互需求也日益增多,既包括系统内的既定软件通信需求,也包括系统间的软件通信需求。及时和更好地满足这些需求,越来越成为软件产品研制需要考虑的问题。

本文以出舱活动试验中地面测试系统舱压接口软件的实现为例,对基于动态数据交换(Dynamic Data Exchange,DDE)的通信机制在工程型号任务中软件系统通信方面的应用性进行了探讨。

2 动态数据交换技术概述

动态数据交换(DDE)是Window s 应用程序之间交换数据信息的一种通信机制[2],是一种发展成熟并广泛应用的技术[2-5]。DDE 协议基于客户/服务器模型,服务器是一个充当信息源的应用程序,可根据客户应用程序的要求来执行服务,客户与服务器之间的一次链接被称为一次对话,一个服务器可链接到多个客户,一个客户也可以同时链接到多个服务器。DDE 通信有3 种处理方式:热链接、温链接、冷链接。热链接在服务软件的数据发生变化时立即自动改变客户软件的数据;温链接在服务软件数据有变化时向客户软件报信,但只在客户软件提出请求时才向客户软件传递数据;冷链接仅当服务软件发出DDE REQ UEST 请求命令时才改变客户软件的数据[2-3]。

DDE 链接需要3个参数:服务名(Application)、主题名(Topic)、项目名(Item)。服务名是由服务器应用在系统中注册的,主题名是服务名下数据操作项的集合,项目名是主题名下操作的具体数据项。一个服务可提供多个主题,一个主题可提供多个项目,最后由项目名确定要交换的数据[5]。

3 研制任务分析

神舟七号飞船任务中,为完成航天员出舱活动试验任务,需要对飞船系统及装船的舱外活动航天服系统等共同进行充分的地面试验[6]。真空环境下气闸舱与航天员及舱外航天服联合试验是我国首次有人参与的真空试验,该试验要验证气闸舱功能以及与航天员、舱外服的协调性、接口匹配性和出舱活动程序安排的合理性[7]。试验中的舱压数据对于航天员系统具有重要意义,需要全程监测此数据以辅助系统的综合分析与决策。该数据从飞船系统获取,但是要纳入航天员系统地面综合监测系统(以下简称地面监测系统),而地面监测系统需要不间断地参加其它试验任务,因此,基于“各部分功能变化最小”为原则,确定开发一个相对独立的接口程序模块来完成系统需求。

飞船系统通过商用组态软件采集舱压,该软件作为OPC(用于过程控制的对象链接和嵌入OLE技术)服务器,通过OPC 和DDE 接口形式提供输出数据。从技术上分析,地面监测系统可以通过三种方式实现舱压数据通信:1)飞船系统提供DDE 服务器功能,航天员系统通过DDE 方式读取数据;2)地面监测系统以OPC 客户端方式从飞船系统读取数据[8];3)飞船系统将数据转换后通过网络通信以用户数据报协议(UDP)方式直接向地面监测系统发送。综合比较三种实现方式的技术难度、双方开发风险和时间节点的要求,确认采用第一种方式,冷链接处理,如图1所示。

其选择基于以下考虑:1)要求地面监测系统所做的数据请求操作不能对飞船系统OPC 服务器端有任何影响,采用DDE 方式通信实际上是与OPC服务器主链路进行了隔离,保证了绝对安全性;2)由OPC 服务器实现远程数据获取,DDE 方式实现本地数据交换,最大限度降低技术实现难度;3)可以使用多种软件产品作DDE 数据通信测试,有效降低现场调试难度及工作量,确保试验不受影响,并一次成功。

图1 地面监测系统舱压接口示意图Fig.1 Ground monitoring system interface sketchmap

4 接口通信的设计与实现

4.1 接口设计

经过双方协调,航天员系统的地面监测系统与飞船系统间舱压通信接口规定如下:1)接口协议为本地DDE;2)数据格式为每帧1～4个字符串形式的双精度浮点数舱压数据;3)采集频率1 帧/s;4)舱压接口软件运行于独立的工作微机,配置双网卡,实现双方网络的隔离。

接口软件的主要功能包括:舱压数据的采集、有效性判读、解包转发、收发统计显示、数据存储和回放等,并且通过基于WinSock 的网络通信方式与地面监测系统内部进行交互。

4.2 通信处理的设计与实现

DDE 接口通信的处理流程如图2所示。

图2 舱压DDE 接口通信的流程图Fig.2 Flow chart of DDE interface communication

具体实现如下:

1)程序初始化时,调用DdeInitialize 函数初始化DDE 管理库,以参数形式提供回调函数DdeCall-Back,当程序以消息形式收到待处理事务时,就调用该回调函数;

2)将Excel 软件作为测试使用的DDE 服务器,飞船系统舱压采集软件作为实时通信的DDE 服务器,根据需求进行连接;

3)连接成功后,获取一个HCONV 类型定义的变量,作为DDE 通信和操作的句柄,然后,启动数据采集定时器读取数据;

4)一次完整的DDE 通信操作,通过调用Dde-ClientTransaction 函数发送不同的命令来实现,发送开始通信的请求,该请求被接受以后再发送读取数据的请求,直到程序停止通信;

5)每次数据采集完成即进行内部处理,包括判别、转发、统计、显示和存储等。

4.3 接口测试设计与实现

按照循序渐进、确保成功的原则,制定了如下测试流程:1)实现与Excel 的静态和动态数据交互;2)在第1 步基础上测试与舱压采集组态软件的非现场仿真通信;3)最后在仿真通过以后与飞船系统进行现场接口测试及预联试。

4.4 软件运行结果

舱压接口软件在试验现场进行了实时采集测试和连续无故障运行时间测试,根据实测情况增加了DDE 连接的定时检测和自动重链接功能,进一步提高了软件连续无故障运行的可靠性。图3是DDE通信设置界面,用于3个关键通信参数的修改和更新;图4是应用软件主界面,提供人机交互操作与软件运行监控功能。

图3 DDE 通信参数设置界面Fig.3 Interface of DDE parameters settings

图4 接口模块应用软件主界面Fig.4 Main interface of application softw are

舱压接口软件应用于航天员系统的地面监测系统,参加了出舱活动验证试验的2次预联试和2次正式任务,试验中实现了1s 快速无阻塞采集通信,每次正式试验连续运行时间超过6h,数据量累计为691 200byte,整个试验中数据采集正确、运行稳定可靠,顺利完成试验任务。

5 讨论

航天员系统内现有的大型设备和系统集成项目如超重训练设备、舱外航天服试验舱、模拟失重训练水槽、航天飞行训练仿真设备等,都包含了不同数量的商用软件和工程控制软件,这些软件可以根据需要进行二次开发或提供数据接口[9]。随着载人航天任务需求的多样化,地面监控系统会不断产生与这些系统之间的数据通信需求。在组态软件基础上,利用DDE 等通用数据通信机制和编程技术实现数据交互,是具有较高效率和现实可行性的方式。以本软件为例,根据型号任务实际需求,在不影响既定数据接口规程前提下,通过合理选择技术实现路径,降低了技术难度,保证了时间节点。型号任务后期试验中,对于满足监测参数较少,但不确定性较大的接口需求来说,基于DDE 的数据通信机制具有简单可靠、方便快捷的优点。从这个意义上来说,可以考虑将相关的接口功能模块化和标准化,以提高其可应用性和可扩展性。

总的来看,对于工程型号任务中的网络数据接口通信而言,DDE 的优势在于:技术比较成熟,在Window s 操作系统中应用广泛,兼容性好,占用系统资源少;其不足在于:从数据交换速度、连接的可维护性、可交换数据的复杂性等方面来说,DDE 对于复杂工程控制环境和多信道大数据流的网络通信可应用性并不明显,在这种情况下,还是需要选择或者结合其它的网络接口通信技术来实现。

References)

[1]陈炳忠,王朋.载人航天工程软件化趋势及其启示[J].载人航天,2006(4):2

[2]赵明生,李爱梅.DDE 技术及其在先进控制技术中的应用[J].计算机工程与设计,2005,26(9):25-46

[3]陈荦,景宁.动态数据交换技术及其实现方法研究[J].计算机工程与应用,1999,20(3):42-45

[4]刘军,任光,盖立平.工业现场控制网络数据动态交换技术的研究[J].大连海事大学学报,2000,26(4):76-77

[5]梁庚,白焰,李文.基于Window sDDE 的客户/服务器应用开发[J].计算机工程与设计,2004,25(5):736-737

[6]崔俊峰,阳高峰,龚洁,等.航天员出舱活动地面试验系统设计与实现[J].中国空间科学技术,2008 (6):52-55

[7]张柏楠,尚志,潘腾,等.神舟七号飞船出舱活动气闸舱的研制[J].中国科学E 辑:技术科学,2009,39(8):1388-1389

[8]胡志坤.Visual C++通信编程工程实例精编[M].北京:机械工业出版社,2007:163-169

[9]陈善广.航天医学工程学发展60年[M].北京:科学出版社,2009:199-200,225-229