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    構件化的航天用數據傳輸處理系統構建

    時間:2015-12-12 來源:未知 作者:傻傻地魚 本文字數:3200字
    摘要

      1 引 言

      軟件復用是指重復使用為避免重復開發同樣或類似工作產品的過程[1].作為一種擺脫軟件危機的手段,它能夠有效克服軟件開發中經常出現的開發效率低、費用高、開發周期長、系統難以維護、軟件質量難以保證等問題[2].

      隨著對軟件復用實踐的深入,構件技術得到飛速發展[3].軟件構件技術是支持軟件復用的核心技術[4],構件通過接口與外界交互,可通過相同接口構件替換原有構件[5].這種方式徹底顛覆了手工作坊式的軟件開發模式,給軟件開發人員在設計、編碼等方面了帶來了很大的靈活度,正在成為軟件設計領域新的趨勢[6].

      在航天測控領域,測控應用軟件復用技術的研究歷來受到關注和重視。隨著載人航天工程、探月工程的不斷深入,我國航天測控網不斷有新的測控設備投入使用[7].而航天測控站數據傳輸處理系統是各測控設備不可或缺的一個分系統,它承擔著與測控中心之間的信息交換及部分信息處理任務,如何提高該軟件系統的開發效率,提高軟件質量,縮短軟件開發周期,減小軟件的維護成本,是我們面臨的一個重要課題。

      本文基于 Windows 系統,采用軟件總線模型層次化設備模型,構建了一個構件化的數據傳輸處理系統實例,實現了該領域內軟件的二進制復用,提高了系統的可靠性和軟件的開發效率。

      2 數據傳輸處理系統任務

      航天測控系統由測控中心、測控站、通信系統等組成[8].數據傳輸處理系統是航天測控網的基本節點,主要完成與測控設備通信、與中心的數據通信、實時數據處理和事后處理功能。

      (1) 與測控設備通信

      數據傳輸處理系統與測控設備之間通過通信接口部件(以太網、多路通信板、CCP 或專用接口) 連接,在相關的協議支配下進行通信: 向設備發送上行遙控信息、軌道預報信息,接收設備解調的遙測信息、測量信息等。

      (2) 與中心的數據通信

      數據傳輸處理系統與中心的數據通信一般使用多路通信板或網絡方式進行通信,采用簡化 HDLC規程或 TCP/IP 協議作為通信協議。實時向中心發送設備的測量信息、控制結果信息等,接收并轉發中心發送的遙控指令以及軌道預報。

      (3) 實時數據處理

      主要包括遙測挑點處理、外測數據處理以及控制量計算三部分。

      (4) 事后處理

      事后處理是指在任務跟蹤結束后對實時記錄測量和控制數據進行處理,包括顯示、打印和重發以及數據的精度分析等。

      3 需求分析

      3. 1 角色識別

      通過對航天測控站數據傳輸處理系統的任務進行分析,可識別出操作員、中心、各設備分機、雙工控制臺、時統設備、模擬器等 10 類角色,經過抽象,劃分為操作員、網絡用戶、HDLC 用戶、串口用戶、站時統 5 類用戶。

      3. 2 功能需求

      根據數據傳輸處理系統承擔的任務,分析后將系統抽象為如下用例模型[9],如圖 1 所示。

      3. 3 系統約束

      當前比較成熟的構件模型主要有 Microsoft 公司的 COM/DCOM/COM + 、SUN 公司的 JavaBeans/EJB 和 OMG(Object Management Group) 的 CORBA,這些技術相對比較復雜,程序不易理解。航天測控站數據傳輸處理系統的設計基于Windows 系統,要充分復用已有的軟件資源,在對現有功能模塊進行重構的基礎上,開發設計基于構件技術的體系架構,實現二進制級別的軟件復用,提高系統的可靠性,減少軟件的重復開發,實現多設備之間軟件版本的統一。

      4 構件化設計及實現

      4. 1 系統體系結構設計

      按照體系結構權衡分析方法(Architecture Trade- off Analysis Method,ATAM)[10],綜合目前常用的系統體系結構風格[11],結合構件化方法,數據傳輸處理系統采用層次模型和軟件總線模型相結合的風格,該模型結構如圖 2 所示。

      在系統底層,將與通信有關的部分軟件部件設計為層次結構,包含服務程序、通信接口、通信程序3 層。在系統上層,設計為軟件總線結構,總線中包含系統任務信息、計劃信息、主備機信息、系統路由信息、各軟件部件的信息描述、各軟件部件的命令接口以及命令接口描述、系統內部動態數據信息。在系統中,各處理部件將自己的信息描述、命令接口描述以及命令接口注冊到系統總線上,同時向總線申請本軟件部件要處理的數據以及對應數據的接收地址,系統總線負責在系統動態數據中查找各個軟件部件注冊的信息,并按要求向對應的地址發送。各軟件部件處理完畢后,如果要產生結果數據,則將數據發送到系統總線上。

      4. 2 系統的通信機制

      系統設計了專門的通信區域作為進程間通信的手段。通信區域采用 Windows 的內存映射文件傳送數據、利用事件同步數據的發送與接收、利用環形隊列緩沖數據的"進程 - 進程"之間高速單方向通信的機制[12 -13].對每個通信區域定義區域名稱、地址標識、區域長度、緩沖區個數等信息,并且與唯一的一個接收者相關聯。通信區域有一個接收者,但可以有多個發送者。對于使用者來說,只需要知道某個通信區域的去向即可,不必了解數據傳輸的任何細節,所有實現的細節都已經被封裝。

      4. 3 系統容器和運行機理

      系統設計了一個控制程序負責處理其他構件的加載、卸載以及管理、配置工作。系統通過信息處理構件(系統數據總線) 向外與其他構件進行信息交換,該構件預定義了一個命令接口和一個數據接口: 通過命令接口接收其他構件的注冊或注銷命令,按照其他構件注冊信息的類別,將所注冊信息發送給定的地址; 通過數據接口接收系統內部的動態信息。

      其他處理構件向信息處理構件注冊自己關心的信息,并從給定的地址接收信息,處理后,發送到信息處理構件數據接口。系統的信息流轉方式參見圖3.

      4. 4 信息注冊

      在系統數據總線上,構件使用兩種注冊機制---靜態注冊和動態注冊。

      (1) 靜態注冊

      靜態注冊在控制程序運行前進行。通過預先定義好描述的方式,將自身的信息寫入系統描述表,包括可執行文件名稱、運行路徑、命令接口地址等,控制程序運行時自動加載該描述表。

      (2) 動態注冊

      在控制程序運行后向控制程序動態注冊,包括可執行文件名稱、運行路徑、命令接口地址等信息。

      4. 5 構件化設計

      通過對系統進行分析,按照構件抽取理論,從數據傳輸處理系統抽取出數據平滑、外測數據處理、系統框架、雙工控制、信息管理、軌道預報、數據比對等系列構件。按照構件的運行特點和功能,將構件設計為可執行程序和動態鏈接庫兩種形式。

      (1) 可執行程序形式

      將網絡通信、HDLC 通信、串口通信、時間管理、遙控處理、章動控制、姿章聯控、雙工控制、數據服務等設計為可執行程序(進程) ,這種形式的程序只要符合系統的調用規范,可以隨時加入系統。

      (2) 動態鏈接庫形式

      將中心多項式平滑、軌道預報、數據比對、數據通信區設計為動態鏈接庫 (DLL) 形式。其中Dtes. exe + FrameWork. dll 為整個系統的容器,負責創建和管理其他進程---時間服務、網絡服務、串口服務、CCP 服務、通信管理、數據存儲、外測處理、數字引導、軌道預報、系統雙工處理等,而這些構件基于 Dt-esBase. dll、MemArea. dll、OrbitForcast. dll、Encrypt. dll等動態鏈接庫構件運行。系統部署圖[14]見圖4.

      5 結束語

      本文針對測控軟件開發中存在復用性差的問題,提出了構件化設計的理念,提出并實現了構件化設計、軟件總線體系結構、層次化的虛擬設備、數據注冊注銷機制,并在 Windows 平臺上開發設計了一種測控站數據傳輸處理軟件系統實例。這種方法與模塊復用相比,實現了業務功能構件的動態組裝,和商業化的組件技術相比,框架簡單,容易理解和開發。該系統已經部署在數十套不同類型的測控設備上,參加了數十次大型試驗任務,實踐證明,該方法具有下列優點:(1) 采用構件化技術,結合軟件總線模型體系結構,設計實現了測控站數據傳輸處理系統的可復用構件庫和統一的通信調用接口,提高了系統的可裁剪性、可擴充性;(2) 以構件單元進行組裝和復用,提高了軟件的復用程度,降低了軟件的生產維護成本,加快了軟件的開發速度,增強了系統的可靠性;(3) 采用內存映射文件技術,結合數據注冊機制,解決了系統連接構件設計實現的難點,使得系統內部信息流轉和交換更加方便靈活。

      參考文獻:
      [1] 史浩輝,何煒。 基于構件的指控軟件復用[J]. 計算機技術與發展,2011,2l(2) : 160 -165.

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