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t t c s 主控系统( j m d c ) 仿真设计与实现 专业：通信与信息系统 硕士生： 林涛 指导教师：倪江群副教授 摘要 本论文选题来自国家科技部2 0 0 3 年“国际科技合作重点项目计划”中的“阿尔 法磁谱仪( a m s ) 轨迹探测器热控制系统的研制”项目，其中的a m s 是指由1 5 个 国家的5 6 个研究机构合作承担的国际性大型科研项目，项目主要目的是寻找太空中 的反物质和暗物质，并研究宇宙射线的成分与能谱。其不仅是国际空间站上唯一的 大型科学实验，还是人类第一次在太空中使用粒子物理探测仪器和技术的实验。 中山大学在a m s 0 2 项目中的工作是参与轨迹探测器热控制系统t t c s 项目的 研制工作。t t c s 开发团队主要包括t t c s 电子、热工和机械三个研究小组，t t c s 电子小组的工作是负责t t c s 系统的关键子系统：r r c s 电子控制系统的研发。其 中j m d c 系统为r r c s 电子控制系统的主控制系统，主要功能包括接收地面监控系 统的控制指令实现对t t c e 系统的直接控制、接收r r c e 系统的数据进行性能监视、 实现r r c s 工作模式的切换及各种s a f e g u a r d 等。 作为主控制系统，m d c 系统及其仿真系统的研发对t t c s 电子小组和整个 t t c s 项目的研发都有很重要的意义。本文主要对j m d c 仿真系统的设计和实现( 包 括软件模块和通信协议的设计和实现等) 进行了研究，并提出了将主模块 t t c e m a n a g e r 从j m d c 仿真系统到真正j m d c 计算机应用系统的移植工作指引。 关键词：a m s 一0 2 ，r r c s ，j m d c 仿真系统，t t c e m a n a g e r t 0 p i c ： m a j o r ： n a m e ： s u p e r v i s o r ： t h ed e s i g na n dh n p i e m e n to fj m d cs i m u l a t i o ns y s t e m ， t h em a i nc o n t m ls y s t e mo f 下i ss y s c e m c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t c m l i nt a o p r o f e s s o rn ij i a n g q u n a b s t r a c t t h i st o p i cr o o t si nt h e “t h ed e v e l o p m e n to fa l p h a - m a g n e t i cs p e c d m e t e r ( a m s ) t r a c k e r 血c 珊a lc o n t r o ls y s t e m ( t t c s ) ”p 晒e c t ， o n eo ft h e2 0 0 3 “k e yp r o j e c ts c h e m eo f i n t e m a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o o p e r a t i o n ”o fn a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o i o g y m i n i s t 吼a m ss t a n d sf o rt h ei n c e m a t i o n a lp r o i e c t h e l db y5 6r e s e a r c hc o n s l i c u c e so fl5 n a t i o n s ，a r i di t st a r g e ti st of i n dt h ea n t im a t t e ra n dd a r km a t t e ri nt h es p a c e ，a r i dt o r e s e a r c ht h ei n g r e d i e n t sa i i de n e r g yc h a r t so fc o s r n j cr a d i a j f ti sn o to n l yt h eu i l i q u e l a r g e s c a l es c i e n t m ce x p e r i m e n ti nt h ei n t c m a 虹o n a ls p a c es t a t i o n ，b u ta l s ot h ef i r s t t i m e f o rh u m a nb e i n gt ou s ep a r t i c l ep h y s i c sd c t e c b o ni n s 虮l m e n t sa n dt e c h n o i o g yt ot a k e e x p c r i m e n t si nt h es p a c e t h er e s p o n s i b i l i t yo ft h es u ny a t s e nu n i v e r s i t yi na m s - 0 2p r o j e c ti st ot a k ep a r ti nt f l e r e s e a r c ha n dd e v e i o p m e n to ft t c sp r o i e c t ，t h et t c st c a mc o n s i s t so fe l e c t r o n i c s ， m en n a la n dm e c h a n i ct e a m s ，a n dt h et t c se l e c ”o n j c st e a mt a k e sc h a r g ei nt h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to ft h ek e ys u bs y s t e mo ft t c ss y s t e m ：t t c se i e c u d n i c sc o n t r o l s y s c e m t h e r e i n c ot l ej m d cs y s c e mi s t h em 撕nc o n ) ls y s t e mo fr t se l c c t r o n i c s c o n t r o ls v s t e m a n di t sm a i nf u n c t i o ni st or e c e i v et h ec o n t r o li n s 1 j c t i o n sf r o m 山e g r o u n dm o n i t o ra n dc o n t r o is y s t e m 【1 1 e nt or e a “z ec o n t r o it 0t r c es y s t e m s ，t os w i t c ht h e o p e m t i o n a lm o d e so fr r c ss y s t e m ，a n dt oi m p l e m e n th n d so fs a f e g u a r d s e t c c o n s i d e r i n gt h ef u n c t i o n so ft h em a i nc o n t r o is y s t e m ，t h er e s e a r c ha r i dd e v e l o p m e n to f j m d cs v s t e ma i l di t ss i m u l a 吐o ns y s t c mm e a n sm u c hn o to n l yt ot t c se k c t r o n i c st e a m ， b u ta l s ot 0t h ew h o i et t c st e a m 【nt h i st h e s i s t h ed e s i g na n di m p l e h l c n to fj m d c s i m u l a b o ns y s t e mi sr e s e a r c h e d ，w h i c hc o n c l u d e s 山ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h e s o f t w a r em o d u l e sa 王1 dc o m m u n i c a d o np f o t o c o l se t c w h a ti sm o f e ，h o wt o 舡- a n s p l a n tt h e m a i nm o d u l et t c e m a n a g e rf r o mj m d cs i m u l a t i o ns y s t e mt or e a lj m d ca p p l i c a t i o n s v s o e mi sa 【s od i s c u s s e di nt h et h e s i s k e yw o r d s ：a m s 0 2 ，t t c s ，j m d cs i m u i a t i o ns y s t e m ，t t c e - m a n a g e r 中山大学硕士学位论文1 t c s 主控系统( j m d c ) 仿真设计与实现 第一章绪论 “阿尔法磁谱仪( a m s ) 轨迹探测器热控制系统的研制”项目是由中国中山大 学和美国、瑞士、荷兰、意大利等国的多个科研机构所共同承担的科研项目，己在 国家科学技术部立项，并列入2 0 0 3 年“国际科技合作重点项目计划”。本论文侧重 于工程实现，主要是对其中主控制系统的仿真系统的设计、实现和移植进行了研究， 而本章主要是对项目的研究背景、研究意义和论文结构进行简单的阐述。 1 1 研究背景和意义 宇宙中是否存在反物质? 例如对应宇宙中存在的氦、碳等元素，是否也有存在 着反氦、反碳等元素的反宇宙存在呢? 这是人类至今未能完全解决的谜题。早在 1 9 2 8 年诺贝尔物理奖获得者p a m d i r a c 就提出了波动方程，其中包括了反电子 和电子自旋的概念。而其后分别在1 9 3 2 年、1 9 5 5 年和1 9 7 4 年，1 9 3 6 年、1 9 5 9 年 和1 9 7 6 年的诺贝尔物理奖获得者c a n d e r s o n 、0 c h a m b e r l a i n ，巳s e g r e 和b r i c h t er s c c t i n g 分别发现了正电子、反质子、夸克和反夸克，近年w - 0 e l e r t 也于1 9 9 6 年 在欧洲核子研究中心发现了9 个反氢原子的实验证据。但除了正电子外，至今为止 所有的反物质( 反粒子) 部是通过人工( 加速器) 的办法获得的，至于宇宙中是否 存在反物质仍有待探测。 为此，就产生了由1 5 个国家的5 6 个研究机构合作承担的国际性大型科研项目： a m s 0 2 ( a l p h a m a g n e t i cs p e c c m m e t c r ，第二代阿尔法磁谱仪) 。其目的就在于寻 找太空中的反物质和暗物质，并研究宇宙射线的成分与能谱。a m s 0 2 不仅是国际 空间站上唯一的大型科学实验，还是人类第一次在太空中使用粒子物理探测仪器和 技术的实验 1 】。 第一代阿尔法磁谱仪，即a m s 0 1 已经在s t s 9 l 行动中( 1 9 9 8 年6 月2 日到 1 2 日) 在太空穿梭机中进行了实验，其搜集了数亿个宇宙微粒虽然没有探测到所 需探测的反物质，但这次实验进一步确认了这个项目的重大意义且为后续开发提供 第1 页 第一章绪论 了重要提示 2 3 | 。而第二代阿尔法磁谱仪，即a m s 0 2 正在研发中，预计在2 0 0 7 年升天，并将放置在天空站中持续运行至少三年，搜集几十亿个高能量的质子和核 子，其主要任务就是要搜集宇宙中的反物质、黑物质和其他未发现的物质。 a m s 0 2 体积为3 米3 米3 米，重7 吨：有6 5 0 个微处理器，和2 0 万个数据 采集信道；使用超导磁体( 2 7 1 3 5 0 c ) 及5 种新的探测器。这5 种探测器分别是t r d ( t r a n s i t i o nr a d i a t i o nd e t c c t o r ，穿越辐射探测器) 、t o f ( t i r n c0 ff i i 曲t ，飞行时侧 探测器) 、t r a c k e r ( s i l i c o nt r a c k e 硅微条轨迹探测器) 、r i c h ( r j n g i m a g e c h e r e n k o v c 叫n l e r 环形成像切伦科夫计数器) 和c a l o r 妇e t e r ( 电磁量能计) 。其中的t r a c k e r ， 即6 6 m 2 硅微条探测器，其分为8 层，并有2 0 万读出信道，定位精度为l o 微米。 对物质通过这五种探测器时所测量的数据进行综合分析，就可确定该物质的准确身 份。 为保持t r a c k e r 在正常的温度范围下工作，需要研制一个热控制系统：t t c s ( t r a c k e r1 k 眦a lc o n 吣is y s t e m ，硅微条轨迹探测器热控制系统) ，t t c s 的主要功 能就是把在空间轨道上工作的t r a c k e r 的1 9 2 个数据采集电路所产生的、总共约1 4 4 瓦的热量带走并维持t r a c k e r 的温度高度稳定。中山大学在a m s 0 2 项目中的工作 即参与t t c s 项目的研制工作，主要包括：建立a m s 0 2s o c ( s c i e n c eo p e r a t i o n c e n t e f ，科学运作中心) 以从事相关的研究工作：在该中心内建立套t t c s 地面 系统，用于对空间系统的模拟仿真，并负责空间t t c s 运行状态的实时监测及实验 数据采集；分析t t c s 在空问运行中遇到各种问题，提出相应的解决方案：接收 a m s 0 2 的实验数据等。 a m s 一0 2s o c 主要包括t t c s 电子、热工和机械三个研究小组。其中t t c s 电 子小组负责t t c s 系统的关键子系统：t t c s 电子控制系统的研发而t t c s 电子 控制系统的主要部分又分为t t p d 系统( t r a c k c rn l e r r n a lp o w e rd i s i b u t i o n ，电源 功率分配系统) 、r r c e 系统( t r a c k e r t h e 珊a lc o n 啪le l e c 怕n i c s 电子控制) 、j m d c 系统( m i s s i o nc o m p u t c r ，主控制系统) 、和e g s e 系统( e l e c n i c sg r o u n ds u p p o n e q u i p m e n t ，地面支持系统) 。 其中j m d c 系统为t t c s 电子控制系统的主控制系统，主要功能包括接收地面 监控系统的控制指令实现对r r c e 系统的直接控制、接收1 r r c e 系统的数据进行性 能监视、实现1 r r c s 工作模式的切换及各种s a f e g u a r d ( t t c s 危险保护功能) 等。 第2 页 中山大学硕士学位论文玳s 主控系统( j m d c ) 仿真殴计与实现 作为主控制系统，j m d c 系统及其仿真系统的研发不仅对t t c s 电子小组，对整个 r r c s 项目的研发都有很重要的意义。而本人在r r c s 电子小组中的主要职责是负 责j m d c 仿真系统的设计和开发并提出主模块t t c e m a n a g e r 从j m d c 仿真系统 到真正j m d c 计算机应用系统的移植工作指引。 下面先从多个层面来看本论文的意义：从整个项目的角度，a m s 一0 2 项目是国际 太空站唯一的大型科学实验，也是人类第一次在太空中使用粒子物理探测仪器和技 术的实验。从中山大学的角度，从事a m s 一0 2 项目可为我国未来的太空研究打下基 础，带动一批相关学科进入国际合作的环境与国际接轨，锻炼和培养我校承担国际 最高水平研究的整体能力，为学校树立起组织攻关团队承接与完成高水平技术的大 型项目的典范。从本论文选题的角度，j m d c 仿真系统的设计开发，不仅可保证整 个t t c s 项目，特别是电子部分的原型件设计和调试的顺利进行，还使得将来可更 方便地在a m s 提供的j m d c 计算机实现r 陀s 系统的主控制模块功能。 再从多个层面来看论文的创新性：从整个项目的角度，a m s 0 2 项目的目标是要 寻找宇宙中的反物质和暗物质，这是人类一直未解开的迷题。从中山大学的角度， 1 t i s 系统是第一代a m s 项目所没有的部分，因此更具有刨新性和挑战性；参与此 项目需要多学科的协同工作，可进一步体现国际一流大型科研项目的组织协调能力。 从本论文选题的角度，r r c s 系统的j m d c 主控制系统及其仿真系统都是第一代 a m s 项目所没有的部分，所有涉及到的软件框架和模块、通信协议等都需要自行定 义，也更具有创新性和挑战性。 l2 论文主要研究工作 本论文根据j m d c 系统的主要功能及其在t t c s 系统中的实际应用情况，将目 标定位为运行于p c 上的可扩展的j m d c 系统应用和调试平台，具体目标为j m d c 仿真系统的设计和实现，其中包括软件框架和功能模块、通信协议和数据格式等的 设计和实现：并提出主模块1 1 e m a n a g e r 到j m d c 真正计算机的移植工作指引。 第3 页 第一章绪论 1 3 论文主要内容 本论文主要通过以下六章进行阐述： 第一章为绪论，简述了a m s 一0 2 项目、t t c s 项目及j m d c 仿真系统的研究背 景和研究意义等。 第二章从各个层面介绍了有关本论文的项目相关信息，其中对a m s 0 2 项目、 t t c s 项目、真正j m d c 计算机、c a n 通信等相关内容进行了简述。 第三章根据j m d c 主控制系统在1 t c s 系统中的功能和实际应用，研究了j m d c 仿真系统的软件总体设计和主要功能模块设计，及a m s 标准通信模型、数据格式 及c a n 通信的实现。 第四章根据j m d c 主控制系统的主要功能，并通过分析r r c s 系统的工作模式 及其中的各种s a f e g u a r d ，研究了t m d c 仿真系统中主模块t t c e m a n a g e r 的模块设 汁，及与t t c e 系统、地面监控系统的通信协议设计。 第五章展示了系统的研制成果，并提出了将r r c e m a n a g e r 模块从j m d c 仿真 系统到真正j m d c 计算机的移植工作指引。 第六章对本文工作进行了总结，并对后续研究工作进行了展望。 论文最后是有关的参考文献、主要术语列表和致谢。 第4 页 中山大学硕士学位论文1 1 s 主控系统( j m d c ) 仿真设计与实现 第二章项目相关信息 本章从各个层面地阐述了有关本论文的项目相关信息，首先从总体上介绍 a m s 0 2 项目和1 1 s 项目，然后介绍在a m s 中使用的真正_ m d c 计算机的相关 信息，最后是t t c e 系统和j m d c 系统间的通信通道：c a n ( c o n 昀i l e r a r e an e t w o r k ， 控制器局域网) 的介绍。 2 1a m s 一0 2 项目 a m s 0 2 即第二代阿尔法磁谱仪，是由1 5 个国家的5 6 个研究机构所合作承担 的国际性大型科研项目，其目的在于寻找太空中的反物质和暗物质，并研究宇宙射 线的成分与能谱。它预计将于2 0 0 7 年升空，并将在国际太空站上运行至少三年，以 搜集几十亿个高质量的质子和核子进行科学实验( 如图2 1 所示) 。 图2 ia m s 0 2 运行示意图 a m s 0 2 中使用了五种探测器( 如图2 2 所示) ，从上到下分别是t r d ( t r a n s i t i o n r a d i a t i o nd e t e c t o r ，穿越辐射探测器) 、t o f ( t i m eo fn i g h t ，飞行时间探测器) 、t r a c k e r ( s i i i c o nt r a c k e 硅微条轨迹探测器) 、r i c h ( 融n g i m a g e c h e r e n k o vc o u n t c r ，环形成 像切伦科夫计数器) 和c a l o r i i e t e r ( 电磁量能计) 。其中的t r a c k e r 即t t c s 项目中 所涉及的6 6 m 2 硅微条探测器，其分为8 层共2 0 万个读出信道定位精度可达1 0 第5 页 第二章项目相关信息 微米。在实际的运行环境中，当各种物质从上往下通过a m s - 0 2 的时候，五种探测 器依次记录其通过时的数据，再对五种数据进行综合分析，就可确定该物质的准确 身份( 下图右部就显示了正负电子等几种物质通过五种探测器时所被捕捉到的轨迹 图像) 。 2 2t t c s 项目 丽磊f ；一0 百j i 可 r 一一一 舯。； ；i ；f 删_ _ 一- 了f 。五_ _ _ ? _ 二 一 一：、i i 八 图2 2a m s 0 2 结构示意图 t t c s 系统是一个由荷兰航空航天局、瑞士日内瓦大学、意大利核物理研究所和 中山大学等多所研究机构共同研制的机械驱动的两相二氧化碳冷却系统。它的主要 作用是以两相的二氧化碳作为工作媒介，通过系统中两个冷却同路：主回路和辅助 回路来把在空间轨道上工作的硅微条轨迹探测器的1 9 2 个数据采集电路所产生的、 总共约1 4 4 瓦的热量带走并维持该探测器温度高度稳定。 主回路和辅助回路互为冗余，结构上也颇为相似，其中主回路如图2 3 所示， 其主要由辐射板( r a d i a t o r ，包括分别名为r a m 的前板和w a k e 的后板) 、冷凝器 ( c o n d e n s e r ) 、贮液器( a c c u m u l a t o r ) 、泵( p u m p ) 、热交换器( h e a te x c h a n g c r ) 、 蒸发器( e v a p o r a c o r ) 、热控制组件箱( t r a c k e r t h e 兀n a i c o m p o n e n t b o x r r c b ) 和电 子控制系统( c o n t r o le l e c t m n i c s ) 组成，其中热控制组件箱又由阀门( v a l v e ) 、液 体流量计( l f m ) 、差分压力计( d p s ) 、和绝对压力计( a p s ) 和预加热器( p r e h e a c e r ) 等组件构成。 如图2 3 所示，在实际的工作中，经过两块辐射板及冷凝器进行散热处理后的 两路低温二氧化碳两相物质汇总成一路，一方面流入贮液器中以便于系统根据情况 第6 页 一垂册一 嚣蔓熬纛噩t f o一瀑。一器震兰。磊 中山大学硕士学位论文 1 t c s 主控系统( j m d c ) 仿真踺计与实现 补充二氧化碳，一方面流入热交换器中，并经热交换器后再分为两路进入t r a c k c r 中，二氧化碳在t r a c k e r 中流动并带走t r a c k e r 的热量，从t r a c k e r 流出的高温二氧 化碳再流入热交换器中，与低温二氧化碳进行温度交换，之后再分别进入两个辐射 板继续新一轮的冷却循环过程。如此周而复始，通过不断的循环热交换来保证 t r a c k e r 可在恒定的温度范围下工作 4 】。 s0 2 丌c 5p 帅wl o o p 图2 3 t t c s 冷却同路 在实际的工作中，要实现对两个冷却回路工作状况的监视和控制，还有赖于 t t c s 系统的电子控制系统，其核心模块框图如图2 4 所示主要包括： 图2 4 电子控制系统核心模块框图 第7 页 第二章i 觅目相关信息 1 t r c r a t e ，即t t c s 电子控制和接口箱+ 其中主要包含了1 r r c e a 和t t c e b 两 套设备，其中任一套1 t r c e 设备都同时与两个冷却回路上的热控制元件箱t t c b p 和丁r c b s 进行连接，以实现对回路上各种元件的低级控制。 2 j c m t e ，即主控制计算机箱，主要包含了j m d c ，并与1 t c r a t e 中的t 1 e 通过 c a n 通道进行连接，以通过t t c e 实现高级回路控制的功能。 3 t t p b ，即t t c s 电源箱，与a m s 主电源箱p d b ( p o w e rd i s ”i b u t i o nb o x ) 相连， 以实现为1 t c r a 沱中两块t t c e 进行供电的功能 5 】。 在t t c s 系统中，对冷却同路的控制包括由r r c e 系统直接实施的低级回路控制 和由j m d c 系统通过t t c e 系统间接实施的高级回路控制，整个系统的控制框图如 图2 5 所示。如图所示，对于回路中各种组件的控制，既可以由t t c e 系统根据组 件的工作情况直接进行低级控制，也可以在j m d c 系统，根据组件状态且依据地面 监控系统传达的指令，进行高级控制并得出需要设置的参数，再通过t t c e 系统对 回路中组件进行具体的设置和控制【6 l 。 咖m dc o f m t 址c m n t 0 r h e 出g i 】p a c c 删咖r l r i q m df 1 0 wa 缸s sf l o wd j m 曲u t i o n 呻。晰m h 蛐gt 唧呲 r 0 t l i 叮0 t h 盯 0 t h 叮0 m 盯 ，s 札s o r i n f 0s s o r i n f 0s m s o r i n f o s s o r i n f 0 ih i 曲 一1 卜曲卜一1h l 曲卜一h i 曲卜一 jl 耐j g r o 眦d jl 吖dj g r o 啪d jl 吖dj g r o u n d jl 酬ig r o u n dj m d c lc 毗灯o il c o 心o i c o i 加i c o 山0 1 c o 时o l c o 山o l ic o 心o l l c o 山0 1 。1 。 。l 。r 尸。l 。_ s d p o i n t s 吐p o 扯ns 吐p o i md e s u e d t d n d 自乱u r e t a n 口d a 饥u er p m p o s m o n j 鼢1 苗 ：l 黼 ic o n 奸0 1 l 哳dl il o w - | l 孵咀lt t c e l 胛畦 c o r l l iic 叫吐r 0 1 i lc o r 灯o i 哪。0 i 僦 咖。吐如翟掣” p t l 0 0 0 19 吼p 盯加0 0 i 恤。 q 眦c s _ * p r o c e s s 一p r o c e s s l 2 3 真正j m d c 图2 5t r c s 系统控制框图 真正的j m d c ( m a i nd a t aa c q u i s i t i o nc o m p u t e r ，a m s 主数据采集计算机) ，是 第8 页 中山大学硕士学位论文 1 r c s = e 控系统( j m d c ) 仿真殴计与实现 基于p o w e r p c 技术体系构建的硬件平台，并运行着h a f d h a tl i n u x 嵌入式操作系统。 在整个a m s 一0 2 系统中，j m d c 主要是用于数据采集，并在整个a m s 0 2 数据采集 体系处于最高层次的地位( 如图2 6 所示) 。 a m s 采用的四层数据采集体系，共有3 0 0 多个计算节点。首先是第一层c d p ( c o m m o nd i g i t a lp a r t ，前端数据采集) 模块，其中采用各种s d r ( s e n s o rd a t a r e d u c o n ，传感器数据采集) 、x d r ( d e t e c t o rd a t ar e d u c t i o n ，探测器数据采集) 节 点等从前端采集数据；然后是第二层低级的c d d c ( c o m m a n dd i s t r i b u t o ra n dd a t a c 0 n c e n t r a t o r ，命令发布和数据集中) 模块，其中采用j l n f ( i n t e n n e d i a t cn o d e s c o n n e c t e dt of 如n t e n dn o d e s ，连接前端节点的中间节点) 节点从第一层c d p 模块的 各种节点采集数据：接着是第三层高级的c d d c 模块，其中采用j 【n j ( i n t e n n e d i a t e n o d e sc o n n e c t e d t oj m d c ，连接j m d c 的中间节点) 节点从第二层c d d c 模块中j i n f 节点及第一层c d p 模块中部分节点采集数据：最后是第四层主数据采集计算机，其 中j m d c 节点直接从第三层c d d c 模块中i n j 节点获取数据，并再进行后续的数 据处理、数据汇总和上报操作 7 9 1 。 图2 6a m s 一0 2 数据采集体系 出于冗余性和安全性的考虑，在主控制计算机箱j c r a t e 中，同时放置了四台 j m d c 计算机( 如图2 7 所示) 。每台j m d c 主要包括：j s b c ( s i n g l eb o a r d c o m p u t e r ，单板计算机) 模块，基于p o w e r p c7 5 0 芯片集构建，用作数据处理：j b u 第9 页 第二章项目相关信息 ( m e m o r vb u f f e r ，内存) 模块，可提供2 g 字节空间的数据存储；二种接口模块， 用以和其他系统用不同数据通道进行通讯，包括c a n 通道的j i m c a n 模块、a m s w 和1 5 5 3 通道的儿m a m s w 1 5 5 3 模块、用h r d l 和r s 4 2 2 通道的j i m h r d l 似2 2 模块。j c r a t e 中同时包括了两个外部通信模块：m i f ( h i g h r a t e 【n t e r f a c e ，高速接 口) ，用作与外界传输高速数据的接口；儿i f ( l o w r a c e 【n t e r f a c e ，低速接口) ，用 作与外界传输低速数据的接口。 图2 7j c r a t e 硬件结构 在j m d c 计算机中总的软件系统体系由三部分组成( 如图2 8 所示) ：j r o m ( r o mm o n i t o r ，r o m 监视器) ，相当于p c 的b i o s ，用来处理硬件系统的初始化 和运行控制：j o s ( o p e r a n gs y s t e m 操作系统) ，即h a r d h a tl i n u x 嵌入式操作系 统；j a p ( a p p i i c a c i o np r o g r a m s ，j m d c 应用系统) ，即实际上运行的应用软件体系。 而其中的j a p 的系统体系包括了：主任务t a s k ma r i a g e r ，用以管理其他任务的工作： 基本任务组，包括处理底层硬件接口的a m s w - m a s t e r 、c a n m a s t e r 、h r d l t x ，r x 等，实现系统基本通信功能的c o m m a n dh a n d l e r 、c o m m a n db a t c h 等，以及实现辅 助功能的d i s p l a ys e r v e r 、s t a t u sm o n i t o r 等；数据采集任务组，包括l e v e l 一3t r i g g e r 、 d a t a c o m p r e s s 等：监控任务组，包括各种组件的控制模块等【1 0 1 l 】。 第1 0 贞 中山大学硕士学位论文 1 1 s 主控系统( j m d c ) 仿真设计与实现 匝卜| 目 u t a 盘 1 珊i 趟”f l 一 ，j 垫cs o n w 1 f 甘 b 啦| c t w i # d a q i 鼬b m c t t 跚k l d i 卵i 町s c w t r a g c 呲h r d l ( t x r 均 l c v c i _ 3t n 鹞c rt r dg 溅c 0 n n o i l s 俺“博m o i l j t o l | t g e n f1 5 酣h x r 硒d a 衄c o m p r e 船 t w k c i th 王“c b n 衍州 l 壬。- 一。n a t a n m t i a a i s w - j e q js c r v c f| x p d e o l t i t o r c o n 呲蛐db a t c ha s wm a “e rs e l y e r o 岫t 曲 ： d y 阳吣l m s ws h v es e f e l d i vt 5 5 3c a a i n “t rs e l e r c a n s 抓s e r v t r t a s kt a b l e 2 4c a n 控制器局域网 图2 8j m d c 软件结构 c a n 是一种起源于汽车工业的串行网络，其速率最高可达l m b i 洮，并已成为工 业自动化及其他应用中的一种常用总线。c a n 总线主要用于嵌入式系统中如其名 字所示，是在微控制器问搭建起来的网络。它是半双工的、高速的网络系统，且非 常适合用于短信息高速传输的应用场合【1 2 1 3 1 。 c a n 的标准包括使用l l 位标识符的标准c a n 和使用2 9 位标识符的扩展c a n 。 而根据i s o ，o s i 参考模型，c a n 协议可分成两层：数据链路层( 包括逻辑链路控制 子层和媒体访问控制子层) 和物理层。 c a n 通信中用来作为通信对象的实体称为c a l lm e s s a g e 。每个c a nm e s s a g e 都包 括m e s s a g ei d 、f 1 a g e s 、d a t al e n g 山c o u n t 和d a t a b y t e s 等信息。但在c a n 通信过 程中，在各个节点剐传输的c a nm e s s a g e 并不包括发送节点或任何接收节点的地址 信息，而是在信息的内容里包含可唯一识别的标识符信息。网络中所有的其他节点 都接收这个信息并对其包含的标识符进行接受测试，以判决此信息是否与该节点有 关，若有关，则进行处理，反之则忽略该信息。 第l l 页 第二章项目相关信息 在a m s 0 2 项目中在需要进行c a n 通信的环境下，都是采用指定的c a n 通信 芯片来实现。如在真正j m d c 计算机上的c a n 接口设备j i m c a n 模块、在j m d c 仿真系统中采用的c a r i 接口设备e p p c a n ，都采用了英特尔公司的8 2 5 2 7 串行通信 控制器芯片 1 4 1 6 】。 第1 2 页 中山大学硕七学位论文t t c s 主控系统( j m d c ) 仿真设计与实现 第三章j m d c 仿真系统设计 本章根据j m d c 主控制系统在t t c s 系统中的功能和实际应用，研究了j m d c 仿真系统的软件总体设计，主要包括j m d c 功能分析、j m d c 仿真系统软件框架设 计、主要功能模块的模块设计、c a n 通道通信协议和数据格式设计等。 3 1j m d c 系统功能及j m d c 仿真系统总体设计 在t t c s 系统中j m d c 系统的主要功能包括：通过自定义的协议实现与r r c s 系统其他部分的通信、根据地面监控系统的指令实现对r r c e 系统的监控、维护 t t c s 系统的工作模式切换模型、为t t c s 电子组开发提供直接控制t t c s 系统中 所有元件的调试辅助功能等。这些主要功能可划分四个层次( 如图3 1 所示) ： f 罾ns c a n oc o r 灯o l t t c sa p p u c 姐0 nc o “t r o l m 曲l 吖dc o n l r 0 1 t t c e j ) cc o m m u n i c a h o ne g s e j m d cc o r r m 札h u c a h o n c a nc o l r r l u f l i c a h o n 图3 一lj m d c 系统功能 1 控制策略模块，包括飞行场景控制模块和t t c s 应用程序控制模块，前者主要是 根据地面监视系统的指令对j m d c 系统、r r c e 系统进行控制，并实现1 t r c s 系 统的工作模式切换等；而后者主要任务是根据辅助调试系统发来的指令对t t c e 系统中所有元件进行直接控制。 2 高级回路控制模块，主要功能是根据控制策略模块的输入实现各种控制策略。 3 t t c s 内部通信模块，包括r r c e 系统与j m d c 系统间通信模块和e g s e 系统与 j m d c 系统间通信模块。其功能是实现j m d c 与其他系统间的通信。 4 c a n 通信模块，其功能是实现j m d c 与其他系统间的c a i l 通道通信。 根据j m d c 要实现的系统功能，可设计j m d c 仿真系统软件结构如图3 2 所示。 第1 3 页 第三章j m d c 仿真系统设计 图3 2j m d c 仿真系统软件结构 其中包括了五类功能模块： i p r o c e s sc o n 的i ，也即j m d c 仿真系统的主程序，其负责其他所有模块的启动和 运行状态监视。而所有其他模块都存在于p r o c e s sc o n t m l 模块所管理的t a s k 1 a b l e 中。 2 c o m m a n dh a n d l e r ，负责j m d c 仿真系统中各模块间的通信。 3 t t c e m a n a g e r ，此模块负责实现j m d c 系统的主要功能，包括t t c s 内部通信 功能、高级回路控制功能和控制策略功能。 4 c a nc o m m u n i c a t i o n ，负责j m d c 仿真系统与t t c s 系统其他部分如1 r r c e 系统 间的c a n 通道通信，包括c a nm e s s a g et r a n s l a t o r 和c a r im a s t e rs e r v e r 等。 5 辅助模块，包括f a k e g r o u n d 为地面监控系统的仿真系统；f a k e t t c e ，为t t c e 系统的c a n 通信模块和数据处理模块的仿真系统；u ic o n t r o ls e r v e r ，为t t c s 电子组的辅助调试系统；及系统目志模块l o gs e r 咒r 等。 在j m d c 仿真系统的设计和开发过程中，系统目标定位为可扩展的j m d c 系统 应用和调试平台，一方面可以通过组合仿真系统内各种模块来实现不同的应用场景 ( 详见3 2 ) 或不同的调试场景，另一方面可按照现存系统的框架利工作模式，通过 开发后续模块并在其他相关模块中增加通信处理功能，来实现额外的系统测试功能。 3 2 典型应用场景 上文提到，在实际应用中可通过自定义j m d c 仿真系统的模块组合来实现各种 应用场景，其中主要的应用场景有两个： 场景一：使用f 钛e g r o u n d 、r r c e - m a n a g e r 和c a nm e s s a g et r a n s i a t o r 等模块来 第1 4 页 中山大学硕十学位论文1 t c s 乇控系统( j m d c ) 仿真设计与实现 实现“飞行场景控制”的功能，其中f a k e g r o u n d 模块充当地面监控系统的角色以发 布各种指令及收集t t c s 系统信息，r r c e m a n a g e r 模块负责接收指令以实现对 1 r r c s 系统的控制并实现t t c s 系统的工作模式切换，而c a nm e s s a 聆t r a t l s l a t o r 模 块则负责底层的c