RTX实时系统在半实物仿真中的应用

张健楠

(中国兵器工业第203研究所，西安 710065)



RTX实时系统在半实物仿真中的应用

张健楠

(中国兵器工业第203研究所，西安 710065)

文中介绍了一种应用于红外制导体制半实物仿真系统中的通信接口设计方法，此方法针对以往采用的Windows系统通信不够实时、定时不够稳定等缺点，提出了一种基于Windows+RTX的仿真应用架构，通过增加RTX实时扩展子系统，使得仿真系统的实时性和开发效率得到了大幅提高；探讨了在半实物仿真中开发的要点，给出了一种通用的开发模式及流程，设计了共享内存及任务调度的编写算法共享内存机制的建立，保证了上位机MFC界面与下位机实时通信模块之间的协同工作；经试验测定，该系统应用在红外制导仿真系统回路中具有实时性高、灵活性好、稳定可靠等特点，同时降低了半实物仿真系统的复杂度。

半实物仿真；实时系统；RTX；进程调度

0 引言

半实物仿真又称为物理-数学仿真，准确称谓是硬件(实物)在回路中(hardware in the loop)的仿真[1]。它以数学模型的方式来表征系统的部分功能，并将其转换为仿真计算模型，而仿真回路所需的另一部分则是以实物(或物理模型)的方式引入的。

对于半实物仿真系统，由于实际对象和物理效应模拟设备实物的接入，要求系统实现实时控制，以更真实地仿真实际系统的工作特性。所以，实时性的要求对于半实物仿真系统来说就显得十分重要。实时性是一个相对的概念，即计算机运算、监测和控制事件的产生能够满足被控对象对相关事件时延特性要求的性能。实时并不是“快”的意思，它指的是系统的时间响应特性。实时性的衡量标准是最坏情况下的响应特性而不是系统的平均相应时间特性。

本文正是基于以上背景，对应用在红外制导体制半实物仿真试验系统中的Windows+RTX实时通信模块进行了研究。首先对该系统的架构和工作原理进行了系统描述；其次对半实物仿真中实时通信软件的开发方法进行了探讨；最后对该系统在实际的半实物仿真试验系统中的应用给出了数据分析和结论。

1 RTX架构及实时原理

RTX被实现为一套静态库和动态库的集合，RTSS作为RTX采用HAL扩展技术为Windows系统安装的实时子系统，通过一套实时API实现了系统对实时对象的扩展和调度[1]。同时，HAL通过在Windows XP和RTX线程之间增加中断隔离，以保证在运行RTSS线程时，屏蔽所有Windows系统的控制中断，保证Windows下RTSS线程的实时性。

系统中对内存、IRQ、I/O的精确控制都可以通过RTX来实现，这样就确保了实时任务执行时具有100%的可靠性。RTX支持30 KHz的持续中断触发速度，平均IST延迟小于1 μs。

RTX中动态库与静态库中的函数均以Rt开头，用户进入RTSS的方法是对库函数进行调用，且Win32也可以调用这些库函数[2]，如图1。RTSS拥有其独立的进程间通讯、中断、时钟、IO管理、进程线程管理机制，这一点和其它的实时系统是一致的。RTSS线程优先级个数为128个，见表1。RTX与Windows之间的数据通信是通过应用高速的IPC信息和同步机制来完成的。RTX的时钟分辨率可以达到100 ns，这使得它的最小定时器周期可以做到100 μs，满足多数情况下的需要。

表1 RTSS与Win32线程优先级比对表

图1 RTX对Win32的扩展架构

2 半实物仿真实时通信软件的开发方法

2.1 半实物仿真软件设计流程

RTX支持标准的Windows编程开发环境，半实物仿真软件的设计框图如图2所示。利用向导创建标准RTX工程和MFC工程，Windows系统下的MFC工程负责人机交互等功能的实现，完成上位机的功能；而RTX工程则负责实时通信，包括采集部件的数据，并实时输出等，完成下位机的功能。上、下位机之间信息的交互是通过RTX线程的调度及共享内存机制完成的。

图2 半实物仿真软件设计框图

2.2 MFC界面设计

半实物仿真软件除了要完成实时通信的功能，良好的操作界面也是必不可少的。MFC模块主要完成了Windows下的操作界面的设计，功能主要包括对导引头光轴、波门的控制，对导引头锁定、解锁的操作，仿真条件的设置，对弹上计算机击发等指令的发出，采集舵机及弹上计算机的模拟指令信号，采集导引头框架角及视线角速度信号并在MFC界面中实时图形显示。而RTSS进程是在MFC程序初始化过程中开启的，并通过共享内存在实时模块与非实时模块之间传递仿真初始化参数。

2.3 RTSS实时通信设计

RTSS实时通信模块在MFC模块初始化即启动，并读取共享内存中的仿真初始条件设置，然后启动Timer定时模块完成精确的1 ms定时，并在一个定时周期内，读取上位机的指令，完成各部件数据的采集，并实时输出给仿真机进行弹道解算。

在这一模块中，实时数据的采集，RTX环境下板卡驱动的编写以及试验过程中的软保护是设计的重点。

2.4 Windows与RTSS之间的交互设计

共享内存机制是RTX提供的用于实时进程与非实时进程之间进行数据交互的重要方式，也是半实物仿真软件设计的关键，其原理框图如图3所示。

图3 进程间共享内存框架

共享内存的创建是在MFC的初始化程序中完成的，这里需要用到一个函数：

RtCreateSharedMemoryA(PAGE_READWRITE,0,size,name,&pMem);

而打开一片共享内存是通过调用RTX的内存打开函数完成的，如下所示：

RtOpenSharedMemoryA ( SHM _MAP _WR ITE, FALSE, name, &pMem) ;

3 半实物仿真试验结果分析

将Windows+RTX模式的设计应用到某型号导弹半实物仿真中，开发了基于MFC+RTSS的仿真应用平台。仿真周期为1 ms。试验中，仿真计算机运行导弹动力学、运动学模型，实时输出导弹运动信号(x,y,z,vx,vy,vz,ax,ay,az)和姿态角、弹目视线角数据，通过仿真接口送给弹载计算机和五轴转台，姿态角(γ,ϑ,ψ)以及弹目视线角控制五轴转台实时运动；红外图像目标模拟器安装在五轴转台的目标轴(外两轴)上，其光学出瞳位于导引头入瞳位置，按照弹目相对关系输出动态红外图像；弹载计算机放置在试验台上，惯性导航装置、导引头和弹载端机安装在五轴转台的内三轴上；惯性测量装置随同转台一起运动，惯性导航装置测量获得导弹姿态角信号、角速率信号、导弹位置、速度、加速度误差信号(转台没有线位移，惯性测量装置测得零位移运动误差信号)；导引头敏感目标背景图像，通过光纤传输系统给图像跟踪器，并接收武器站跟踪指令跟踪目标，输出视线角速度；弹载计算机采集导引头的视线角速度，惯性导航装置输出的姿态角、角速率，并综合仿真专用接口和惯性测量装置的导弹位置、速度、加速度误差信号作为控制系统模型输入。弹载计算机针对控制模型输入参数，运行控制模型，分段形成控制指令(姿态控制，中制导的位置控制，末制导的比例导引、过载及落角控制)，通过D/A接口送给舵机；舵机跟随控制指令运动，形成舵偏角，通过A/D接口到VMIC转换送给仿真计算机；仿真计算机根据舵偏角计算控制力和控制力矩实现导弹闭环控制。其中部分仿真的技术参数如下：

1)仿真周期：1 ms；

2)弹载计算机的指令计算周期：1 ms；

3)五轴转台内三轴最大加速度分别为：3 500°/s2，4 500°/s2,12 000°/s2，外两轴最大加速度分别为：1 000°/s2，1 000°/s2 ；

基于五轴转台半实物仿真(红外成像制导)系统原理图如图4所示。

图4 半实物仿真系统原理图

仿真结果如图5、图6所示。

如图所示，部件发出的数据与采集转换后的数据延迟小，无丢帧情况，数据响应稳定，满足半实物仿真的要求。

4 结论

图5 各部件输出的时标

图6 仿真输出与部件输出数据对比

文中对应用在红外寻的制导半实物仿真系统中的实时通信模块进行了研究。首先详细的分析了RTX技术的特点和优势，给出了基于Windows+RTX实时通信模块的详细设计方法，对MFC界面的设计、RTSS实时进程的设计以及进程间的数据交互方法等关键技术进行了详细的分析。最后将该模块引入到半实物仿真系统中进行了测试和检验，结果表明该模块设计良好，性能优越，满足红外寻的制导半实物仿真的要求。

[1] 单家元，孟秀云，丁 艳，等. 半实物仿真[M]. 北京：国防工业出版社，2013.

[2] Mike Cherepov,Mike Hirst,Chris Jones,et al.Hard Real-time with Venturcom RTX on Microsoft Windows XP and Windows XP Embedded[R]. Microsoft MSDN, 2002.

[3] Ardence Inc. RTX SDK Help Document [Z].

[4] 黄 键，宋 晓，薛顺虎. RTX平台下实时仿真系统的设计方法[J]. 计算机应用与软件，2009，26 (4)：167-169.

[5] 闫宇壮, 杨祚堂. RTX在半实物仿真中的软件开发方法[J]. 软件开发与应用， 2006，25 (9)：89-90.

[6] Ardence公司. RTX技术白皮书[Z]. 北京航天捷越(美斯比)科技有限公司，2004.

Application of Real-Time System Based on RTX For HL Simulation

Zhang Jiannan

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries，Xi’an 710065，China)

In this thesis, a design scheme for real-time system in the infrared guidance hardware-in-the-loop simulation system is introduced. In the past, the Windows system is used in the HL simulation. Aiming at the disadvantage of complexity ,this paper introduce a simulation frame based on Windows+RTX, ,it improves the efficiency and capability of real time simulation through adding the RTX extension. The keys of development of HL based on RTX technology was discussed, a general develop mode and process were given, an algorithm was designed for shared memory and task dispatching.This paper developed an upper computer by using MFC interface and realized Co - Simulation between non - real - time simulation process and real - time simulation process. According to the simulation test, the system is reliable and stable, and has other excellent characteristics in the infrared guidance hardware-in-the-loop simulation system,reduces the complexity of developing HL system.

HL simulation; real-time system; RTX; task dispatch

2015-08-15；

2015-11-05。

张健楠(1986-)，男，辽宁沈阳人，硕士，主要从事导弹半实物仿真方向的研究。

1671-4598(2016)03-0136-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.037

TP3

A