基于某半實物仿真系統的VMIC實時網通信測試方法

摘 要:半實物仿真技術為導彈武器系統試驗與鑒定提供了最優的手段,實時網是保證半實物仿真實時性的物理設備。本文介紹了VMIC實時網的工作原理和特點,在全面分析導彈半實物仿真系統需求的基礎上,結合半實物仿真系統的特點和功能要求,對VMIC實時網的 通信 測試方法進
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摘 要:半實物仿真技術為導彈武器系統試驗與鑒定提供了最優的手段,實時網是保證半實物仿真實時性的物理設備。本文介紹了VMIC實時網的工作原理和特點,在全面分析導彈半實物仿真系統需求的基礎上,結合半實物仿真系統的特點和功能要求,對VMIC實時網的通信測試方法進行深入研究并詳細設計測試軟件。通過對測試結果的分析,能夠為導彈半實物仿真系統的構建奠定數據基礎。

關鍵詞:半實物仿真;實時性;實時網;測試方法
引 言
  實時仿真理論與支撐技術的典型應用場合之一是半實物仿真系統,所謂半實物仿真系統是指在仿真回路中接入部分實物的實時仿真。在對系統進行仿真時,必須要求仿真時間標尺與實際系統時間標尺相同。它不僅要求快速性,而且還提出了實時性的問題,因為計算機接收實時動態輸入,輸入與輸出為具有固定采樣區間的數列。例如,對導彈某分系統進行仿真試驗時,仿真計算機與實際裝置相連接,仿真計算機必須在與實際系統同步的條件下獲取動態的輸入信號并實時地產生動態的輸出響應,因此就要求系統中各仿真機之間的數據傳遞具有強實時性。
  目前傳統的以太網絡已得到了廣泛深入的應用,但是由于以太網傳輸協議開銷的不確定性,很難滿足大型復雜系統的半實物仿真的需要。而反射內存光纖網絡采用了先進特殊的技術,具備了很強的支持分布實時系統的數據傳輸能力,網絡協議開銷小,硬件延遲也很小,實時性強,因此成為半實物仿真分布實時計算機網絡的首選方案。
1VMIC實時網工作原理及特點
  VMIC實時網主要是由反射內存板通過光纖等高速網絡傳輸介質連接而成的。在每個需要實時通訊的節點上插入共享內存網卡(節點卡),每塊節點卡都有自己獨立的局部內存,網上任何節點向本地局部內存寫數據時,該數據和相應的局部內存地址將被廣播到網上所有其他節點并存儲在相同位置如圖1所示。由于反射內存使用簡單的讀寫方式,對CPU來說就相當于標準的RAM,而且反射內存的數據更新是通過硬件操作來實現的,網絡延遲大大減小,保證了實時性。通過這種方式,所有的節點讀寫網絡上的數據就如同讀寫本機內存上的數據一樣快速方便,并且能透明并確定地傳送中斷、消息或者數據塊到其它的節點。
  由于實時網絡是一個實時的、基于內存的網絡系統,其所有的工作都是由硬件完成的,沒有軟件的開銷,再加上采用光纖傳輸介質,因此可以達到數十兆字節的數據傳輸率和百納秒級的數據傳輸延遲,更重要的是這種網絡的傳輸延遲是確定和可以預期的,這是傳統的以太網絡技術所難以達到的。此外,通信協議簡單、仿真主機負載輕、軟硬件平臺適應性強、支持中斷信號的傳輸等特點也極大的方便了半實物仿真系統的構建。



圖1VMIC實時網工作原理圖
2半實物仿真系統基本結構及原理
  某導彈武器系統半實物仿真總體結構如圖2所示。系統組成主要包括實時仿真計算機、仿真主控計算機、仿真模擬計算機、實時網絡,導彈分系統等組成。其中,實時網絡采用VMIC實時網,實時仿真計算機采用通用計算機+通用操作系統,仿真幀周期ms級。
  其中,仿真模擬計算機用于在仿真試驗中為導彈分系統提供實際的輸入響應;仿真主控計算機完成系統管理和試驗控制功能;實時仿真計算機在試驗過程中接收導彈分系統的輸出信息,對仿真模型進行實時解算,完成導彈系統的閉環仿真,并傳送控制指令實時控制導彈分系統工作狀態; VMIC實時網由反射內存卡、光纖和HUB組成,是各仿真節點間信息傳輸的高速通道,在仿真試驗過程中實現數據的實時傳遞。
  
  
  
  
  
  
  
  
  圖2系統總體結示意構圖
  實時仿真開始后半實物仿真系統依據實時仿真計算機仿真時鐘和時統方式進行通信控制,實時仿真計算機嚴格按照幀周期實時控制回路其它仿真節點協調、有序地工作。滿足仿真試驗系統實時性要求的基本前提是各參試仿真設備的通信、解算、控制及相關操作都能滿足系統實時性要求,在此基礎上,實時仿真計算機精確控制仿真時間,并以數據驅動方式實時控制各仿真設備以仿真時間標尺同步遞進。可以說,VMIC實時網是保證半實物仿真系統實時運行的關鍵設備,系統各節點通過實時網進行實時控制和數據傳遞,使仿真系統其它仿真設備嚴格按照仿真步長協調同步工作,以保證仿真系統工作的時間確定性和時序同步性。因此,研究、測試仿真系統實時網通信耗時,能夠保證網絡傳輸時間確定性,為系統一個周期內的時間片劃分提供支持。
3VMIC實時網通信測試方法研究
  實時網的數據傳輸是通過共享內存的方式是實現的,因此數據讀寫功能也是實時網的基本功能。根據系統的功能和實時仿真工作過程需求,需要對VMIC實時網的以下功能進行測試:中斷響應功能測試、傳輸可靠性測試、傳輸速率測試。
3.1中斷響應功能測試
  中斷響應是實時網的一項重要功能,制導回路就是通過中斷響應的方式對幀周期進行控制的。中斷響應是由發送方向其他一個或幾個節點發送中斷消息,其他節點響應中斷后進行相關操作。
  發送中斷的函數為RFM2gSendEvent(),此函數可將指定的消息類型發送給指定的節點。響應中斷的函數為RFM2gWaitForEvent(),實時網處于等待中斷狀態,等待中斷觸發。
  在此項功能測試中還涉及到使能中斷、禁止中斷、查詢中斷和清除堆棧中斷等功能,可以用實時網的函數加以實現。
3.2傳輸可靠性測試
  實時網在數據傳輸過程中,具有極高的數據可靠性,對可靠性的測試主要是比較接收到的數據文件與原文件的數據進行一一比對,經過多次測試,以此來判斷數據傳輸的可靠性。
  客戶端和服務端對數據文件進行讀取,將文件當中的數據放到緩沖當中。測試開始后,客戶端向服務端發送數據,服務端將接收的數據返回客戶端,客戶端將數據讀出,并與緩沖內存當中的原數據進行比對,記錄錯誤數據個數;服務端接收到客戶端發送的數據后,將數據讀出,與緩沖內存當中的數據進行比對,同時將接收到的數據發回給客戶端。通過每個數據的對比,計算得出本次傳輸的誤碼率從而檢測實時網數據傳輸的可靠性,進行多次循環傳輸進行測試。
3.3傳輸速率測試
  傳輸速率測試主要是對實時網中斷和數據的傳輸速率進行測試,通過客戶端與服務端的中斷和數據的傳輸時間進行計算,得出傳輸速率。傳輸速率的測試包括中斷傳輸速率 的測試和數據的傳輸速率測試。測試過程中,程序時間采用高精度計時器,進程優先級選擇實時優先級設置。
  客戶端開始計時,同時向服務端發送中斷或數據,然后等待服務端發送確認消息,接到消息后結束一次計時,計算本次傳輸速率。服務端開始計時后,等待客戶端的中斷或數據,接收到中斷或數據后結束計時并給客戶端返回一個確認消息,計算本次傳輸的速率。測試可以進行不同數據包大小和多次測試,通過時間和數據量的記錄,還能夠計算出帶寬等信息。
4測試結果與分析
4.1中斷響應功能測試結果
  中斷響應測試設客戶端和服務端進行測試,由客戶端向服務端發送中斷,并進行結果計算顯示。
  由客戶端向節點編號為3的服務端發送不同類型的中斷,右側的信息顯示為已經成功發送的中斷,如圖3所示。在服務端接收客戶端發送的中斷,右側的信息顯示為堆棧內已經接收的中斷,和進行閉環測試的結果(RFM2g fibre Ring Loop is closed and intact!),圖4所示。



圖3中斷響應測試發送端顯示圖


  

圖4中斷響應測試接收端顯示圖  
  由測試得出結論如下:通過測試,客戶端與服務端能夠進行順利的發送與響應中斷,服務端可對自己節點內的中斷堆棧進行查詢和清除堆棧管理,尤其是清除堆棧管理,在半實物仿真系統中起到了關鍵作用。
4.2傳輸可靠性測試結果
  傳輸可靠性測試是對傳輸的數據的準確率進行測試,由客戶端向服務端發送數據并進行檢驗,并進行結果顯示。
  其中,客戶端將文件數據讀出放到緩沖區,數據包大小56Byte,然后向服務端節點發送數據包,并接收服務端返回的數據進行檢驗。在測試過程中進行多次測試,在設置的10000次發送當中,錯誤的數據傳輸為零,在其它更多次的測試條件下可靠性測試也保證了同樣精確的可靠性。
4.3傳輸速率測試結果
  (1)中斷響應速率測試結果
  中斷響應速率測試進行節點間中斷響應速率的測試,由客戶端向服務端發送中斷,并進行結果顯示。測試結果如圖5左側所示。



 
圖5傳輸速率測試結果圖
  經過測試,實時網節點間的中斷響應速率非常快,對不同的中斷類型軟件測試速率為平均時間約36us,而且很穩定均方差約1us,傳輸速率穩定,滿足試驗實時性要求。
  (2)單點數據傳輸速率測試結果與分析
  單點數據傳輸速率測試用于測試實時網傳遞固定數據包的速度性能,由客戶端向服務端發送固定大小的數據包進行測試。對某導彈武器系統半實物仿真過程中單節點的最大數據傳輸約為184Byte,本測試設置數據包大小200Byte,測試結果如圖7右側所示。
  經過測試,實時網對固定數據包進行傳輸時傳輸大小200Byte的數據包用時約150us(其中包括用于中斷響應的時間),均方差在10us以內,傳輸速率穩定,傳輸速率滿足實時性要求。
5結束語
  VMIC實時網作為半實物實時仿真的關鍵設備,為系統實時性的實現提供保障。本研究是基于Windows操作系統下,利用VC++開發平臺進行的通信測試。通過測試,系統中兩節點之間傳輸200KByte大小的數據包耗時約110us,兩節點之間進行中斷響應耗時約37us,節點之間數據傳輸非常可靠,多次測試情況下誤碼率為零。在系統毫秒級幀周期內用于傳輸所占用的時間小于150us,能夠滿足半實物仿真系統實時性的要求。
  
參考文獻
孔文華.利用放射內存網絡構成分布式實時仿真環境.計算機仿真,1997.10

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