基于VxWorks實(shí)現(xiàn)跟蹤雷達(dá)信號處理子系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

作者：劉國滿 ， 戴擎宇 ， 高梅國

實(shí)現(xiàn)跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)通訊，重點(diǎn)是信號處理子系統(tǒng)中信號處理板和網(wǎng)絡(luò)間的實(shí)時(shí)通訊。在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks平臺下，編寫PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序和網(wǎng)絡(luò)通訊程序，以完成通訊功能。VxWorks的高可靠性和強(qiáng)實(shí)時(shí)性在應(yīng)用中得到了充分的驗(yàn)證，在VxWorks平臺的支持下，信號處理子系統(tǒng)完成了信號處理和網(wǎng)絡(luò)之間的實(shí)時(shí)通訊。

跟蹤雷達(dá)在跟蹤高速目標(biāo)時(shí)，需要有足夠快的反應(yīng)速度，這不僅對它自身的硬件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求較高，而且對相應(yīng)軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求也較高。用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks作為跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)，可以滿足軟件對實(shí)時(shí)性需求。

本系統(tǒng)中，跟蹤雷達(dá)各分機(jī)設(shè)備在相應(yīng)處理計(jì)算機(jī)、控制計(jì)算機(jī)控制下協(xié)調(diào)工作，完成對目標(biāo)的跟蹤和測量雷達(dá)的引導(dǎo)，各分控計(jì)算機(jī)之間通過以太網(wǎng)接口相互通訊。跟蹤雷達(dá)軟件按功能分為主控、顯示、信號處理、伺服控制、高頻控制、光電控制六個(gè)子系統(tǒng)，分別對應(yīng)不同的計(jì)算機(jī)。其中主控、信號處理、伺服控制、高頻控制、光電控制子系統(tǒng)上都使用VxWorks操作系統(tǒng)，如圖1所示。

1 VxWorks簡介

目前市場上比較著名的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有：

VxWorks、pSoS、Nucleus、VRTX、Windows CE、Palm OS、QNX、PowerTV、JavaOS、LynxOS等。其中，VxWorks是美國WRS（Wind River System）公司推出的一個(gè)具有微內(nèi)核、可裁剪的高性能強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)市場上處于領(lǐng)導(dǎo)地位。它在航空、廣播、運(yùn)輸、醫(yī)療、自動(dòng)化生產(chǎn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，尤其是在國防和軍事上一些高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，體現(xiàn)出了其優(yōu)越的性能。在1997年4月發(fā)射的火星探測器上也使用到了VxWorks。

（1）VxWorks的主要特點(diǎn)

VxWorks具有高度可剪裁的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，它需要的存儲(chǔ)器空間大約為8KB～488KB（ROM）、620B～29.3KB（RAM）?？梢奦xWorks有著極好的可伸縮性，用戶可以利用工具或直接修改內(nèi)核源文件來配置內(nèi)核。VxWorks能進(jìn)行高效的多任務(wù)調(diào)度，它支持中斷驅(qū)動(dòng)的優(yōu)先級搶占式調(diào)度和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，并具有確定的、快速的上下文切換能力，確定的、微秒級的中斷延遲時(shí)間。這些使得內(nèi)核具有非常強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。

（2）VxWorks應(yīng)用程序開發(fā)

除了性能出眾的操作系統(tǒng)外，WRS公司還提供了優(yōu)秀的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)工具Tornado。Tornado包含三個(gè)高度集成的組件：Tornado工具，一套強(qiáng)大的交叉開發(fā)工具；VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；一整套主機(jī)-目標(biāo)間的通訊選項(xiàng)，例如以太網(wǎng)、串行線路、在電路仿真（ICE）和ROM仿真等。

圖2是Tornado開發(fā)系統(tǒng)組成框圖，左邊的框代表Tornado集成開發(fā)環(huán)境，它運(yùn)行在開發(fā)主機(jī)上，可以基于WIN9x、WINNT、DIGITAL UNIX等主機(jī)操作系統(tǒng)。本文介紹的內(nèi)容都是基于WIN9x系統(tǒng)的。右邊的框代表目標(biāo)機(jī)，目標(biāo)機(jī)支持的CPU類型有MC680x0、PowerPc、SPARC、SPARClite、i960、x86、R3000、R4000、R4650等。目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其上層運(yùn)行用戶應(yīng)用程序。

Tornado集成了用于VxWorks應(yīng)用程序開發(fā)和調(diào)試的各種工具。開發(fā)者在主機(jī)系統(tǒng)里，利用這個(gè)集成環(huán)境組織、編寫、編譯和調(diào)試應(yīng)用程序，然后下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行、調(diào)試。編譯在主機(jī)上完成，測試、調(diào)試需要主機(jī)目標(biāo)機(jī)協(xié)調(diào)完成，流程如圖3所示。

2 VxWorks在信號處理子系統(tǒng)中的應(yīng)用

信號處理子系統(tǒng)采用摩托羅位的COMPACT PCI計(jì)算機(jī)，它的CPU為PII233MMX。該信號處理子系統(tǒng)的主要任務(wù)是通過網(wǎng)絡(luò)接收來自主控子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和命令，傳送給信號處理板；并且還要讀取信號處理板的處理結(jié)果，將其通過網(wǎng)絡(luò)傳送給主控子系統(tǒng)和顯示子系統(tǒng)。信號處理子系統(tǒng)軟件可分為兩部分：一是驅(qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)對信號處理板的初始化、配置和訪問，另外用中斷方式來響應(yīng)信號處理板；二是網(wǎng)絡(luò)通訊程序，負(fù)責(zé)與主控機(jī)握手、接收數(shù)據(jù)報(bào)文和發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。它的組成如圖4所示，當(dāng)信號處理板產(chǎn)生數(shù)據(jù)后，發(fā)出一次中斷，中斷服務(wù)程序觸發(fā)發(fā)送進(jìn)程讀取信號處理板上的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)通訊程序主要由五個(gè)并發(fā)的進(jìn)程組成：poopClient、BDPReceive、intProc20ms、intProcGate和messageHandle。PoopClient進(jìn)行負(fù)責(zé)和主控子系統(tǒng)握手，獲取主控機(jī)在線信息，以及傳送本子系統(tǒng)在線信息。BDPReceive進(jìn)程接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，然后送給messageHandle進(jìn)程，經(jīng)處理后再送到信號處理板上。IntProc20ms和intProcGate進(jìn)程從信號處理板中讀出數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中去。

STATUS appMain （void）

{

……

/* Connect the ISR */

if （pciIntConnect （INUM_TO_IVEC （INT_NUM_IRQ0+dsp_intLine），（VOIDFUNCPTR）dspISR，0）= =ERROR）

……

/* Create some tasks */

if（taskSpawn（“poop”，100，0，2048，（FUNCPTR）poopClient，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0） = = ERROR）

……

if （taskSpawn（“BDPRecv”，80，0，2048，（FUNCPTR）BDPReceive，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0） = = ERROR）

……

if（taskSpawn（“intProc20ms”，70，0，2048，（FUNCPTR）intProc20ms，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0） = = ERROR）

……

if（taskSpawn（“intProcGate”，60，0，2048，（FUNCPTR）intProcGate，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0） = = ERROR）

……

messageHandle （）;

return （OK）;

}

信號處理板通過PCI總線和CPU板相連。在系統(tǒng)上電后，VxWorks對信號處理板進(jìn)行一系列必要的初始化。首先在硬件初始化函數(shù)sysHwInit（）里，調(diào)用pciConfigLibInit（）來選擇PCI設(shè)備的配置機(jī)制Mechanism #1或Mechanism #2，接著調(diào)用pciConfigLibInit（）對PCI設(shè)備中斷進(jìn)行初始化，建立中斷鏈表。這兩個(gè)步驟對PCI做了最基本的配置，隨后的一些PCI配置都以它們?yōu)榛A(chǔ)。隨著系統(tǒng)初始化的繼續(xù)，在另一個(gè)硬件初始化函數(shù)sysHwInit2（）里，調(diào)用了sysPciAutoConfig（），這個(gè)函數(shù)對PCI設(shè)備做了進(jìn)一步的初始化。首先，它逐個(gè)查找PCI設(shè)備，先查找0號總線上的所有設(shè)備，一旦查到PCI-PCI橋設(shè)所有設(shè)備為止。查找過程中，這個(gè)函數(shù)對一些在總線上慢顯現(xiàn)的設(shè)備作了一些特殊的等待處理。這會(huì)減慢系統(tǒng)啟動(dòng)的速度，若需要，用戶可以通過修改內(nèi)核源程序來避免等待。當(dāng)確定了所有的設(shè)備后，函數(shù)再次查找一遍設(shè)備。這次，它創(chuàng)建一個(gè)PCI設(shè)備列表，把所有的設(shè)備都存到列表中。然后，函數(shù)根據(jù)這個(gè)列表，對每個(gè)設(shè)備做一些配置。它根據(jù)設(shè)備硬件上的設(shè)備映射設(shè)備存儲(chǔ)空間和I/O空間，分配中斷向量等，圖4的PCI映射存儲(chǔ)器空間就是這樣映射的。然后，系統(tǒng)還對一些特殊的PCI設(shè)備做相應(yīng)的配置。到此為止，系統(tǒng)對PCI設(shè)備的初始化工作就結(jié)束了。用戶了解這些配置后，就可以在應(yīng)用程序里對自己的PCI設(shè)備進(jìn)行訪問了。

操作系統(tǒng)啟動(dòng)后，開始執(zhí)行usrAppInit（）。這個(gè)函數(shù)的內(nèi)容由用戶自己編寫，它完成用戶所需的功能。在本系統(tǒng)中，因?yàn)槌绦虿恢滥膫€(gè)槽上有哪種信號處理板，所以程序首先按槽號逐個(gè)查找一遍，以確定哪個(gè)槽有信號處理板；然后讀出設(shè)備的PCI映射存儲(chǔ)空間地址，以便對信號處理板進(jìn)行讀寫，同時(shí)讀出中斷線的內(nèi)容，進(jìn)而通過pciIntConnect（）來掛中斷。pciIntConnect（）函數(shù)考慮了PCI設(shè)備對中斷資源的共享，這樣不會(huì)破壞共享同一個(gè)中斷信號的其它中斷。中斷處理使用了信號量機(jī)制，處理模式如圖5下半部所示。當(dāng)有中斷產(chǎn)生時(shí)，中斷服務(wù)子程序立即響應(yīng)，它給相應(yīng)的處理進(jìn)程發(fā)送信號，處理進(jìn)程即開始工作；在沒接收到信號時(shí)，處理進(jìn)程處于等待狀態(tài)。

STATUS dspISR （）

{

……

switch （intType）

{

case INT_20MS;/* INT_20MS=1 */

……

semGive （sem20ms）;

break;

case INT_ACQGATE： /* INT_ACQGATE=2 */

……

semGIve （semAcqGate）;

break;

default：

……

break;

}

……

}

void intProc20ms（）

{

……

FOREVER

{

semTake （sem20ms，WAIT_FOREVER）;

……

}

……

}

void intProcGate （）

{

……

FOREVER

{

semTake （semAcqGate，WAIT_FOREVER）;

……

}

……

}

網(wǎng)絡(luò)通訊程序使用SOCKET機(jī)制，因?yàn)橥ㄓ嵵簧婕暗揭粋€(gè)小局域網(wǎng)，所以傳輸層采取UDP協(xié)議。程序中創(chuàng)建了一組消息隊(duì)理，接收進(jìn)程不停地接收SOCKET傳來的數(shù)據(jù)和命令，然后判斷它們的類型，再分別存放到不同消息隊(duì)列中，等待處理進(jìn)程的處理，如圖5上半部所示。處理進(jìn)程的一個(gè)主要功能是將接收到的數(shù)據(jù)和命令按照規(guī)定的格式組合成命令字，傳給信號處理板。另外，信號處理板處理完一批數(shù)據(jù)后，若向網(wǎng)上傳送數(shù)據(jù)，則需要先發(fā)出中斷，中斷服務(wù)程序通知處理進(jìn)程，把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳給其它子系統(tǒng)。

這樣，信號處理板和網(wǎng)絡(luò)之間就能夠順利地通訊了。主控計(jì)算機(jī)可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地向信號處理板發(fā)送各種命令和數(shù)據(jù)，同時(shí)信號處理板也可將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地傳送給其它子程序。

信號處理子系統(tǒng)的程序開發(fā)是基于BSP的cpv5000，它為PCI設(shè)備提供非常好的支持，使得開發(fā)者對PCI設(shè)備訪問變得非常輕松，VxWorks的網(wǎng)絡(luò)功能也很健全，網(wǎng)絡(luò)通訊易于實(shí)現(xiàn)。另外，VxWorks的多任務(wù)性及豐富的進(jìn)程通訊機(jī)制為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能提供了必要的手段。本文中提到的所有功能都已在具體的項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)，VxWorks穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性完全滿足項(xiàng)目的需要。

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