驗(yàn)證星務(wù)軟件在RT-Thread系統(tǒng)運(yùn)行的可行性

本作品為了驗(yàn)證星務(wù)軟件在RT-Thread系統(tǒng)運(yùn)行的可行性，底層是否能夠驅(qū)動(dòng)星務(wù)軟件，同時(shí)擴(kuò)展RT-Thread應(yīng)用范圍。ART-Pi作為衛(wèi)星下位機(jī)，星務(wù)前端用VS2010開(kāi)發(fā)，兩者之間通過(guò)異步串口通信。星務(wù)前端發(fā)送遙控指令，ART-Pi能夠正常解析運(yùn)行，并且能把星務(wù)的一些狀態(tài)遙測(cè)發(fā)送至星務(wù)前端，方便地面人員查看。本作品設(shè)計(jì)的線程只有星務(wù)線程，采集線程，姿控線程，地測(cè)線程，F(xiàn)ree線程，正常的衛(wèi)星軟件不止這五個(gè)線程，簡(jiǎn)化為這五個(gè)，涉及到的外設(shè)也簡(jiǎn)化為只有定時(shí)器與異步串口。

開(kāi)發(fā)環(huán)境

硬件：ART-Pi開(kāi)發(fā)板

RT-Thread版本：RT-Thread 4.0.2

開(kāi)發(fā)工具及版本：RT-Thread Studio 1.1.5，Visual Studio 2010

RT-Thread使用情況概述

內(nèi)核部分：線程操作（創(chuàng)建，掛起，刪除），二值信號(hào)量

組件部分：軟件定時(shí)器，異步串口，

軟件包：無(wú)

其他：無(wú)

硬件框架

本作品驗(yàn)證RT-Thread系統(tǒng)，軟件方面應(yīng)用較多，底層硬件只需要一個(gè)ART-Pi開(kāi)發(fā)板模擬衛(wèi)星系統(tǒng)即可。ART-Pi作為衛(wèi)星下位機(jī)，星務(wù)前端用一個(gè)PC代替即可，硬件框架如圖1所示。

圖1 硬件框架

軟件框架說(shuō)明

軟件框架如圖2所示，軟件定時(shí)器以4Hz頻率給星務(wù)線程信號(hào)量，星務(wù)線程啟動(dòng)后，檢測(cè)其他各個(gè)線程的運(yùn)行狀況，核對(duì)線程運(yùn)行時(shí)間，核對(duì)軟件狗計(jì)數(shù)是否超過(guò)閾值，核對(duì)運(yùn)行時(shí)間片，當(dāng)都滿足后，給所有線程信號(hào)量。設(shè)計(jì)的各個(gè)線程優(yōu)先級(jí)如表1所示，由表可知，星務(wù)線程優(yōu)先級(jí)最高，會(huì)一直運(yùn)行至等待下一個(gè)信號(hào)量，依據(jù)RTT線程搶占運(yùn)行原理，次一級(jí)優(yōu)先級(jí)線程運(yùn)行。所以在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)，線程運(yùn)行順序?yàn)椋莿?wù)線程→采集線程→姿控線程→地測(cè)線程→Free線程。圖中的遙測(cè)遙控部分在下一章節(jié)“軟件模塊原理”描述。

軟件定時(shí)器于整秒處開(kāi)始運(yùn)行，定時(shí)器間隔為250ms，將0-249ms定義為時(shí)間片TASK_ROUNDA，將250-499ms定義為時(shí)間片TASK_ROUNDB，將500-749ms定義為時(shí)間片TASK_ROUNDC，將750-999ms定義為時(shí)間片TASK_ROUNDD。各線程運(yùn)行時(shí)間片如表2所示。

圖2 軟件框架

軟件模塊說(shuō)明

軟件模塊分為遙控上傳，遙測(cè)下傳，星務(wù)軟件管理三個(gè)部分，遙控上傳流程圖如圖3-a，3-b所示。

圖3-a 遙控流程

圖3-b 遙控流程

1．遙控流程

星務(wù)前端依照表3所示的遙控包結(jié)構(gòu)組包，并通過(guò)異步串口發(fā)送至ART-Pi串口6，其中類型占用2個(gè)字節(jié)，定義如表4所示。

分系統(tǒng)類型：星務(wù)線程0x00，請(qǐng)求線程0x01，姿控線程0x02，無(wú)0x03.

指令碼：自定義地測(cè)線程將串口6FIFO讀空，按照表3結(jié)構(gòu)循環(huán)解析解析遙控指令，直到無(wú)可用遙控包，然后將合法遙控包存儲(chǔ)到遙控指令緩存，等待線程來(lái)取指令；地測(cè)在存儲(chǔ)指令前，查看遙控指令緩存是否有可用空間，有可用空間則將指令存儲(chǔ)，并將標(biāo)志位置有效狀態(tài)，線程檢測(cè)本線程對(duì)應(yīng)的指令在緩沖區(qū)中有有效狀態(tài)指令時(shí)，將指令取出，并將標(biāo)志位置空閑。具體遙控指令說(shuō)明參考附錄。

2．遙測(cè)流程

遙測(cè)流程星上程序簡(jiǎn)單，地測(cè)線程依據(jù)包發(fā)送的時(shí)間片，符合本周期則發(fā)送，不符合則丟棄，發(fā)送的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)符合表3，包下發(fā)的具體信息請(qǐng)參考附錄。具體解包流程可參考上位機(jī)代碼，非本設(shè)計(jì)詳述部分，故不再贅述。

3.星務(wù)軟件管理

星務(wù)初始化時(shí)，初始化各個(gè)線程，初始化硬件等；當(dāng)星上軟件運(yùn)行起來(lái)時(shí)，檢測(cè)各個(gè)線程狀態(tài)，給合法線程信號(hào)量。當(dāng)前線程共有三種狀態(tài)，即允許運(yùn)行、線程掛起、線程停止。各個(gè)線程的狀態(tài)不僅受到遙控指令控制，還會(huì)與星務(wù)軟件狗有關(guān)，各個(gè)線程之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示。

圖4 線程狀態(tài)轉(zhuǎn)換與遙控指令對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4中，紅字表示發(fā)送的遙控指令，圓圈內(nèi)表示當(dāng)前線程狀態(tài)。

星務(wù)軟件設(shè)計(jì)了軟件狗，軟件狗的作用是為了防止線程死循環(huán)，將整個(gè)優(yōu)先級(jí)之后的的線程同時(shí)卡死的問(wèn)題，具體過(guò)程是每次當(dāng)星務(wù)給線程信號(hào)量時(shí)，此線程對(duì)應(yīng)的軟件狗計(jì)數(shù)會(huì)累加，當(dāng)線程運(yùn)行至線程循環(huán)底部時(shí)，會(huì)將軟件狗清零；如果在一個(gè)周期內(nèi)，程序由于卡死在死循環(huán)或者是任務(wù)循環(huán)次數(shù)過(guò)大，導(dǎo)致本周期未運(yùn)行至函數(shù)體底部，則星務(wù)會(huì)繼續(xù)累計(jì)軟件狗，當(dāng)次數(shù)大于設(shè)置值時(shí)，依據(jù)設(shè)置的方式對(duì)線程處理，線程重啟或者是整個(gè)操作系統(tǒng)重啟。

演示效果

圖5 星務(wù)前端上位機(jī)界面1

圖6 星務(wù)前端上位機(jī)界面2

比賽感悟

本作品較好的實(shí)現(xiàn)了原定的目標(biāo)，在真實(shí)情況下，RTT也會(huì)有較好表現(xiàn)，擴(kuò)展了RTT的應(yīng)用范圍，對(duì)其他的類似系統(tǒng)也有很好的借鑒作用；但是作為功能強(qiáng)大的ART-Pi開(kāi)發(fā)板，真正用到的功能較少，后期可以再開(kāi)發(fā)一些其他的有意義的應(yīng)用。

本作品所用的代碼與實(shí)際衛(wèi)星使用代碼原理一致而具體不同，有部分借鑒的成分，主要的困難是需要將星務(wù)系統(tǒng)底層適配RTT，并且不能照抄原版代碼，一是為了避免涉密，二是為了提高移植的意義，使我對(duì)整個(gè)衛(wèi)星的軟件框架有了很好的認(rèn)識(shí)，對(duì)我本人從事的工作也有很好的促進(jìn)作用。而且開(kāi)源衛(wèi)星代碼的原理也讓衛(wèi)星代碼圈子增加一點(diǎn)生態(tài)，也對(duì)其將來(lái)的發(fā)展有好的促進(jìn)作用。

原文標(biāo)題：【RT-Thread開(kāi)源作品秀】基于RT-Thread的星務(wù)平臺(tái)研究

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