（计算机应用技术专业论文）实时语音雷达同步记录仪的设计与实现.pdf

四川大学硕士学位论文27 7 8 7 8 5实时语音雷达同步记录仪的设计与实现计算机应用技术专业研究生周述虹指导教师游志胜教授记录仪是一种广泛应用于民用航空、军用航空、公路铁路调度、航海指挥调度、公安指挥中心、电力调度等领域的语音雷达数据记录设备。随着国民经济的发展，空中交通管制、公路铁路调度等领域出现了数据量快速增大、指挥调度迅速、应急处理迅捷的需求。语音雷达记录仪要求在记录语音和雷达数据时必须严格时间同步，即使在数据流量高峰也不允许丢失数据，因此具有典型的实时系统特点。传统的记录仪基于分时操作系统环境，在通道数多、数据量大的情况下逐渐不能满足各领域的实时性需求：并且其传统的结构化设计方法，导致一旦软件的需求有变化或是系统改良，软件的维护就变得困难。考虑到实时系统从理论到应用日趋成熟，结合记录仪应用领域的新需求，本文将实时概念引入记录仪，阐述了基于q n x 操作系统的实时语音雷达同步记录仪系统的分析、设计与实现。本文以实时语音雷达同步记录仪系统为实例，探讨了实时系统的设计和实现方法。实时语音雷达同步记录仪系统基于实时操作系统q n x ，采用实时结构化分析方法s a i 汀进行系统分析、设计，采用单调速率分析法r m a 对系统实时可调度性进行分析，使系统在多通道情况下具有更高的实时性和可靠性，便于实现复杂的程序功能，并且增强了软件的维护性和技术衔接性。内容安排如下：首先对记录仪的应用领域进行总体介绍，提出论文的研究背景、目的、意义，介绍了作者在系统开发中承担的工作。接下来对实时系统及相关概念、实时记录仪系统开发环境和工具进行了介绍，并给出了系统总体设计方案及系统关键技术描述。论文的主体部分对系统关键技术的分析和实现予以详细描述。其中第三章系统地分析了当前各种实时调度算法的优缺点，采用适合本文实例的r m a 方法中的单事件利用率边界分析算法对实时记录仪系统进行实时可调度性分析，四川大学硕士学位论文提高了系统的实时性和可靠性：第四章着重对语音编码技术进行了系统地探讨，对多种语音编码算法进行了分析比较，提出了符合系统实时性需求的a d p c m和g s m1 3 k b sr p e l t p 两种语音编码算法原理及其软件解码方案。论文的最后对实时语音雷达同步记录仪系统测试结果进行分析，并与国内外已知的记录仪产品性能进行对比，证明了该系统具有更高的实时性、更强的处理能力和容错能力，提高了记录仪软件的质量。同时还对实时语音雷达同步记录仪系统的应用前景进行展望，提出其有待完善之处。经过1 年的研究开发，实时语音雷达同步记录仪已经通过系统测试，运行稳定，功能完备，产品化后将产生良好的社会效益和经济效益。实时语音雷达同步记录仪是目前记录仪产品研发领域的新的尝试，对于推动记录仪产品在国内的研究和发展有一定的贡献。关键词：实时系统，q n x ，调度，a d p c m ，r p e - l 1 p四川大学硕士学位论文t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f r e a l t i m el o g g e rm a j o r ：c o m p u t e r a p p l i e dt e c h n o l o g yg r a d u a t e ：z h o us h u h o n ga d v i s o r ：y o uz h i s h e n gt 1 l i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h ea n a l y s i s 、d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fr e a l t i m ed i g i t a ll o g g e rs y s t e mw h i c hf u n d a m e n t a lf u n c t i o ni st or e c o r da n dr e p l a yt h ev o i c ea n dr a d a rd a t a t h er e a l - l i m ed i g i t a ll o 邸e rs y s t e m ，t h ei n s t a n c eo ft h i sp a p e r , b a s e do r lt h er t o sq n xi sa n a l y z e da n dd e s i g n e dw i t ho b j e c t - o r i e n t e dm e t h o dw h i c hi sv e r yh e l p f u lf o rr e a l i z i n gt h ec o m p l e xf u n c t i o n so f p r o g r a m s 、t h em a i n t a i n a b i l i t ya n dt h es y s t e mu p g r a d e t h ec o n t e n to ft h i sp a p e ri sa r r a n g e da sf o l l o w s ：f i r s t l y , t h et o n a li n t r o d u c t i o no ft h ev o i c e r a d a rl o g g e r sa p p l i c a t i o nf i e l d si sm a d e s e c o n d l y , t h ep a p e rp r e s e n t st h eb a c k g r o u n d 、t h eo b j e c t i v ea n dt h em e a n i n go ft h ea u t h o r sr e s e a r c ha n di n t r o d u c e st h ea u t h o r sw o r ki nt h er e a l - t i m ed i 舀t a ll o g g e rs y s t e md e v e l o p m e n t n e x t , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h er e a l - t i m es y s t e ma n dt h ec o n c e p t i o n st h a tc o n c e r n e d 、t h ee n v i r o n m e n ta n dt o o l st od e v e l o pt h er e a l q i m ed i g i t a ll o g g e rs y s t e m 。a n dt h et o t a ld e s i g np r o p o s a la n dk e yt e e i m o l o g i e sd e s c r i p t i o n t h eb o d yo ft h ep a p e rg i v e sd e s e n p t i o ni nd e t a i lo na n a l y z i n ga n dr e a l i z i n go ft h ek e yt e c h n o l o g i e so f t h es y s t e m c h a p t e r3a n a l y s e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a lr e a l t i m es c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa n dp r e s e n t e das c h e d u l i n ga l g o r i t h mt h a ts u i t a b l ef o rt h er e a l - t i m ed i g i t a ll o g g e rs y s t e ma n dc a p a b l eo fi m p r o v i n gt h er e a l t i m ea b i l i t yo ft h er e a l - t i m ed i 西t a ll o g g e r c h a p t e r4e m p h a s i z e so nt h es t u d yo f v o i c ec o d i n gt e c h n o l o g yb yc o m p a r i n gs e v e r a lv o i c ec o d i n ga l g o r i t h m sa n di n t r o d u c i n gt h et h e o r i e sa n ds o f t w a r ed e c o d i n gp r o p o s a l so f t w oa l g o r i t h m sw h i c ha r ea d p d ma n dg s m1 3 k b sr p e - l t p a tt h el a s to ft h ep a p e r , t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h et e s t i n gr e s u l to ft h er e a l t i m ed i g i t a ll o g g e ra n dt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h er e a l + t i m ed i g i t a ll o g g e ra n d四川大学硕士学位论文o t h e rl o g g e rp r o d u c t sd o m e s t i c a l l ya n da b r o a d , i tp r o v e st h a tt h et h er e a l t i m ed i g i t a ll o g g e rh a sh i g h e rr e a l t i m ea b i l i t y 、m o r ep o w e r f u lp r o c e s sa b i l i t ya n df a u l tt o l e r a n ta b i l i t y t h ep a p e ra l s os h o w st h e t h er e a l - t i m ed i g i t a ll o g g e r sa p p l i c a t i o np r o s p e c ta n di t sd i s a d v a n t a g e s a f t e ray e a r sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，t h er e a l t i m ed i g i t a ll o g g e rs y s t e mh a sp a s s e ds y s t e mt e s t i n g i tr u n ss t a b l ea n di t sf u n c t i o n sa l ec o m p l e t e i fm a d ei n t op r o d u c t i o n , i tw o u l dg e n e r a t es u b s t a n t i a ls u mo fs o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s t h er e a l - t i m ed i g i t a ll o g g e rs y s t e mi sas u c c e s s f u lt r i a li nl o g g e rf i e l d ；i tm a k e sam e a s u r e o f c o n t r i b u t i o n t o t h er e s e a r c h a n d t h e d e v e l o p m e n t o f l o g g e r p r o d u c t i o n i no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：r e a l - i 自m es y s t e m , q n x , s c h e d u l i n gi l i 荆嘲岫，a d p a 呜r p e - l t p四川大学硕士学位论文图表目录图2 1 系统体系结构1 2图2 2 系统软件层次图1 2图2 - 3 监控模块d f d 和c i = d 1 4图2 _ 4 目标跟踪流程图1 6图2 - 5 语音卡驱动程序结构流程图1 7图3 - 1 优先级倒置( p r i o r i t yi n v e r s i o n ) 图例3 0图3 。2 无限优先级倒置图例3 1图3 - 3 优先权继承算法解决无限优先级倒置图例3 2表3 1 系统实时任务时间分配3 5表4 - 1 两种语音编码方法比较3 8图4 _ 1a d p c m 编码器功能框图4 3图4 2 a d p c m 辫码器功能框图“图4 _ 3g s m1 3 k b sr p e l t p 编码原理框图4 9表4 2 心t 参数量化比特分配表5 0表4 _ 3 当前帧实际使用的l a r i ( i ) 参数5 0表4 _ 4 加权滤波器系数表5 2图“g s m 解码器原理框图5 3表4 - 5g s m 方案参数比特分配。5 4表5 1 主要功能测试结果5 9表5 2 语音主观评测结果5 9表5 - 3 几种国内记录系统的比较，6 0四川大学硕士学位论文第1 章绪论1 1 记录仪应用领域现状记录仪是一种广泛应用于民用航空、军用航空等领域的语音雷达数据记录设备。它用于实时记录多路地空对话和雷达数据，控制和防止飞行交通事故。同时，记录仪也在公路铁路调度i l “、航海指挥调度、公安指挥中心、电力调度等领域起到重要的管理辅助作用。记录仪应用领域的共同特点是记录数据量大、通道数多，数据重要性、可靠性以及保密性要求高，需要长时间连续不问断的数据记录。随着国民经济的发展，空中交通管制、公路铁路调度等领域出现了数据量快速增大、指挥调度迅速、应急处理迅捷的需求。仅在民用航空方面，从国际的情况看，过去2 0 年全球民用航空运输事业持续增长。据统计，从1 9 9 5 2 0 0 3 年飞行量增长3 0 ，飞行公里数增长5 5 。欧洲地区最近的统计表明，该地区飞行年增长率为5 ，预计1 5 年后年飞行量将增长一倍。从国内情况看我国民用航空飞行量以每年将近2 0 的速度迅速增长。北京首都机场在国庆繁忙期间日起降飞机已经达到8 0 0 余架次，上海在a p e c 会议期间两个机场的日飞机起降架次也达到7 0 0 架。2 0 0 5 年预计中国民航飞机拥有数量将要翻一番，预期飞行量也将有相应的大幅度增加。语音雷达记录仪要求在记录语音和雷达数据时必须严格时间同步，在数据流量高峰时必须保证数据的可靠性。目前，国内外记录仪产品众多。仅在民航系统中，国际上有英国的r a c a l 、澳大利亚的d a t a w a y 等公司的设备，它们价格昂贵，采用盘式模拟磁带作为存储介质，使用成本也偏离，而且不便傲到边录边放【引。国内比较成熟的产品有北京东进航电科技有限公司的m d r 多通道数字记录仪和川大智胜软件股份有限公司的m d s l 系列多通道数字同步记录仪等。以下是2 0 0 2年前各记录仪产品的性能对比( 此后各记录仪产品均在原产品的基础上有所四川大学硕士学位论文发展，但始终没有改变其分时系统的特点) ：表1 - 1 记录仪产品性能对比对比角度r a c a lm d rm d s l系统平台分时系统分时系统分时系统系统结构单机结构单机结构网络结构活动硬盘，数据存储介质磁带机硬盘，光盘d a t 磁带数据存储形式磁轨迹数据库文件网络功能无有有模块化程度未知不高不高易维护性需专业水平需相关技能需相关技能可在一定范围内扩可在一定范围内扩可扩展性未知展展数据传输协议未知i s ap c i系统容量一盘磁带天小较小系统资源占用专用系统多多单机通道教6 4 路8 ，1 6 ，3 21 6 3 2 ，4 8 ，6 4易掌握程度难较易较易可靠性理想不理想较理想音质很高电话质量电话质量价格高较高中记录仪系统需求的新趋势有以下几个方面：一、实时性要求高。二、可靠性更高。三、记录容量大，能够记录更长时间、更多通道的信息。四、模块化程度高，可扩展性好，易于维护。五、使用更简便。六、成本低廉。四川大学硕士学位论文1 2 选题背景作者所在的四j l 大智胜软件股份有限公司，由于较早就涉足空管领域的记录仪系统软件开发，积累了丰富的经验；又拥有四川大学图像图形研究所的技术支持，有着丰富的技术资源和人力资源，在国产记录仪领域中处于明显的领先水平。其生产的记录仪系统在语音二次压缩等关键技术上已有较大的突破，追上或超过了国外的技术，比起国外的同类产品来说，川大智胜的产品售价远低于国外的产品，因而极具竞争力。j i l x 智胜软件公司的记录仪系统己广泛应用于国内大部分大中小型机场，受到了广泛的好评。但是，随着记录仪应用领域的快速发展，实时需求追在眉睫，原记录仪系统开发年代早，基于分时操作系统平台，采用传统的结构化设计方法，在数据量大、通道数多、数据流量高峰期等特殊情况下处理速度偏低，逐渐不能满足各领域的实时性需求，而且软件的升级和维护需要耗费大量的财力物力。考虑到实时系统从理论到应用日趋成熟，结合记录仪应用领域的新需求，川大智胜成立实时记录仪课题组，致力于对实时多通道语音雷达同步记录仪的设计研发。力图满足用户新需求，提高产品质量，降低产品成本，扩大产品的市场份额。本课题的目标是利用当今成熟的计算机技术成果，设计开发符合实际应用需求、造价低廉、符合记录系统发展趋势、技术先进的多通道数字语音雷达同步记录系统。实时数字同步记录仪概念的提出，是目前记录仪产品研发领域的新的尝试，对于推动记录仪产品在国内的研究和发展有一定的贡献。1 3 作者的主要工作作者从2 0 0 3 年7 月至2 0 0 5 年1 月共1 8 余月时间，一直参与实时多通道语音雷达同步记录仪课题的科研开发工作。其间，主要参与了以下几项工作：1 调研了国内外部分相关产品的现状和特点，考察了其应用领域和前景，根据了当今相关技术的发展状况下，各领域对记录系统的更高要求及其可能的发展趋势，确定了本课题的技术研发目标，提出实时多通道语音雷达同步四川大学硕士学位论文记录系统的总体设计方案。2 详细研究了实时系统及其相关的概念，深入学习了实时记录仪系统的开发环境和工具，采用实时结构化分析方法s a r t 对系统监控单元和记录单元软件进行设计。3 对实时调度理论进行了广泛深入的研究，通过对不同实时调度算法的特性对比，选择了适合实时记录仪系统的单事件利用率边界分析算法对系统的实时可调度性进行分析，提高了实时记录仪系统的实时性和可靠性。4 着重对语音编码技术进行了探讨，利用仿真工具对多种语音编码算法处理的语音波形进行了比较，结合系统应用的实际需求，给出了符合系统实时性需求的a d p c m 和g s m1 3 k b s r p e l t p 两种语音编码算法的软件解码方案。5 对实时记录仪系统进行测试，并对测试结果进行了分析，并与国内外已知的记录仪产品性能进行对比，证明了该系统具有更高的实时性、更强的处理能力和容错能力，提高了记录仪软件的质量。在整个课题的科研开发活动中，查阅了大量中文和英文相关资料，开发了大约3 0 ，0 0 0 行c 代码。1 4 论文组织结构本文主要分为六部分，内容安排如下：第一部分对记录仪的应用领域进行总体介绍，提出论文的研究背景、目的、意义，介绍了作者在系统开发中承担的工作。第二部分对实时系统及相关概念、实时记录仪系统开发环境和工具进行了介绍，并给出了系统总体设计方案及系统关键技术描述，其中简要介绍了实时记录仪系统雷达数据处理的算法、q n x 下语音卡驱动程序的开发和系统数据存储方案等系统关键技术。第三部分、第四部分是文章的主体部分。探讨了系统实时可调度分析方法、语音编码技术。其中，第三部分分析了当前流行的各种实时调度算法的优缺点，提出适合本文实例实时记录仪的调度算法，以提高实时记录仪系统4四川大学硕士学位论文的实时性。第四部分着重对语音编码技术进行了探讨，对多种语音编码算法进行了比较，给出了符合系统实时性需求的a d p c m 和g s m1 3 k b sr p e u 甲两种语音编码算法的原理及软件解码方案。第五部分对实时记录仪系统测试结果进行分析，并与国内外已知的记录仪产品性能进行对比，证明了该系统具有更高的实时性、更强的处理能力和容错能力，提高了记录仪软件的质量。第六部分为结束语。对全文进行总结，并对实时记录仪系统的应用前景进行展望，提出其有待完善之处。四川大学硕士学位论文第2 章实时记录仪系统总体设计实时多通道数字语音雷达同步记录仪系统是川大智胜软件股份有限公司的自研项目，主要功能是实现多路无线有线通道的语音、雷达数据连续记录、回放、监听，监视和转存。该系统基于q n x 实时操作系统，通过实时可调度分析，保证系统的实时可调度性。通过g s m l 3 k b s r p e l t p 和a d p c m 两种语音编码算法，在确保商可懂度的话音质量情况下，实时完成多路语音编解码。系统集成多台记录单元，通过局域网络采用集中控制工作模式，可实现通道容量的扩展和系统空间的分布。本章将首先介绍实时系统及其相关概念，其次介绍系统开发环境和工具，最后简要介绍实时记录仪系统的总体结构、软硬件平台和关键技术。2 1 实时系统及相关概念实时系统是指对特定输入做出反应的速度足以控制发出实时信号的对象，或者说能及时响应外部事件的请求，在规定时间内完成对该事件的处理。实时系统必须同时满足时间和功能的需求，其正确性不仅依赖于系统的逻辑正确性而且依赖于系统的时间正确性。与非实时系统相比，实时系统必须保证整个系统的可靠性；必须保证对实时事件响应的每个实时任务的可调度性，在高的资源利用率基础上保证满足系统的时间需求；系统必须保证在瞬时过载下的稳定，当系统处于瞬时的过载情况下不能满足所有事件的截至时间时，系统必须满足对关键的紧急事件的时间需求。根据不同的应用场合，实时系统分为强实时系统和弱实时系统，在强实时系统中，必须绝对满足对事件相应的时间需求，任何次不满足都会带来灾难性的后果，或者说任何一次的不满足都是不可接受的。相应的弱实时系统中偶尔的不满足对系统来说并不是不可接受的。随着嵌入式实时操作系统的发展，现代大多数实时系统都是基于实时操作系统的实时应用程序和实时操作系统的结合体。实时操作系统为实时应用四川大学硕士学位论文程序提供接e l 完成操作系统的各种资源管理工作，简化了实时系统的开发难度和复杂度。鉴于实时系统的应用领域和场合千差万别，实时系统的系统规模也相差很大，故实时操作系统大都是嵌入式操作系统。嵌入式操作系统是采用微内核思想实现的一种可伸缩性操作系统，微内核即将传统操作系统中的许多共有的，基本的部分抽象出来组成操作系统的基础一微内核，真正的操作系统功能则由内核之外的可选模块组成，这样就提供了手段使得可在内核基础上根据应用灵活组装所需操作系统各模块。9 0 年代初人们就制定出了相关标准- - p o s i x 3 0 0 1 b ，这个标准规定了“丌放系统”对实时应用提供的服务，即p o s i x ( p o r t a b l eo p e r a t i n gs y s t e mi n t e r f a c ef o rc o m p u t e re n v i r o n m e n t s ) 标准的实时扩展，包括高精度的时钟，实时调度策略，实时信号，同步异步通讯，同步异步i o 等。i e e e 的实时u n i x 分委会认为实时操作系统应具备以下特点：异步的实时响应。实时系统应能在系统要求的时间内响应异步的外部事件，要求有异步i o和中断处理能力。姻响应时间常受内存访问、外存储器访问和处理机总线速度所限制。确定的切换时间和中断延迟时间优先级中断和调度必须允许用户定义中断优先级和被调度的任务优先级，以及服务中断和任务的方式。抢占式调度为保证实时尚优先级任务的截至时间，实时操作系统必须提供抢占式的调度方式，就绪的高优先级任务能抢占低优先级任务的c p u 资源。内存锁定实时操作系统必须具有将程序或部分程序锁定在内存的能力，内存锁定可避免因为对换而访问外存储器，对换会使得任务的执行时间增长和执行时间的不确定。连续文件实时操作系统应提供访问磁盘数据的优化方法，使得外部存储器存取数7四川大学硕士学位论文据的查找时间最少。连续文件能减少外部存储器存取数据的查找时间。同步提供更丰富的同步和共享数据使用和时间执行的手段。总体来说，实时操作系统是事件驱动的( e v e n td r i v e n ) ，能对外界的作用和信号在限定的确定时间内做出响应。它强调的是实时性，可靠性，与实时应用软件结合成为有机的整体，是实时系统的核心，并为实时应用软件提供良好的运行环境和开发环境。目前，比较成熟的实时操作系统有：l y n x 实时系统公司的l y n x o s 、q n x软件系统有限公司的q n x 、新墨西哥工学院的r t - l i n u x 和堪萨斯大学的k u r t - l i n u x 。以上几种r 1 d s 的特点如下：q n x 是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统。它遵循p o s i x 1 、( 程序接口) 和p o s i x 2 ( s h e u 和工具) 、部分遵循p o s i x 1 b ( 实时扩展) 。它最早开发于1 9 8 0 年，到现在已相当成熟。l y n x o s 是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统，它遵循p o s i x 1 a 、p o s 1 b 和p o s i x 1 c 标准。它最早开发于1 9 8 8 年。r t - l i n u x 是一个嵌入式硬实时操作系统，它部分支持p o s i x 1 b 标准。k u r t - l i n u x 不是为嵌入式应用设计的，不同于硬实时刺t 实时应用，他们提出“严格( a r m ) ”实时应用的概念，如一些多媒体应用和a t m 网络应用，k u r t 是为这样一些应用设计的“严格”实时系统。2 2 软件开发环境和工具介绍通过对不同的实时操作系统的对比分析，本课题采用了q n x 。q n x 是一个微内核实时操作系统，其核心仅提供4 种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它o s 服务，都实现为协作的用户进程，因此q n x 核心非常小巧( q n x 4 x 大约为1 2 k b ) 而且运行速度极快【3 5 l 。q n x 提供p o s i x i b 标准进程调度：3 2 个进程优先级；抢占式的、基于优先级的正文切换；8四川大学硕士学位论文可选调度策略：f i f o 、轮转策略、适应性策略。q n x 的系统服务有：多种资源管理器，包括各种文件系统和设备管理，支持多个文件系统同时运行，包括提供完全p o s i x 1 及u n i x 语法的p o s i x 文件系统，支持多种闪存设备的嵌入式文件系统，支持对多种文件服务器( 如w i n d o w s n t 9 5 、l a n m a n a g c r 等) 的透明访问的s m b 文件系统、d o s文件系统、c d r o m 文件系统等。设备管理。在进程和终端设备间提供大吞吐量、低开销接口服务。图形窗口支持。包括q n xw i n d o w s 、xw i n d o ws y s t c mf o rq n x 、对m sw i n d o w sn t 9 5 和xw i n d o w 系统的远程图形连接。t c p i pf o rq n x 。高性能、容错型q n x 网络一f l e e t ，使得所有连入网络的计算机变成一个逻辑上的超级计算机。透明的分布式处理。f l e e t 网络处理与消息传递和进程管理原语的集成，将本地和网络i p c 统一起来，使得网络对i p c 而言是透明的。q n x 具有良好的开放性：支持多种c p u ：a m de l a n s c 3 ，3 1 0 q ，4 1 0 、a m 3 8 6d e s e 、c y r i xm e d i a g x 、x 8 6 处理器( 3 8 6 以上) 、p e n t i u m 系列、s t m i c r o e l e c t r o n i c s的s t p c 。多种总线：c o m p a c t p c i 、e i s a 、i s a 、m p e ( r a d i s y s ) 、s t d 、s t d3 2 、p c 1 0 4 、p d l 0 4 一p l u s 、p c i 、p c m c i a 、v e s a 、v m e 。各种外设：多种s c s i 设备、m e e i d e 驱动器、1 0 m ，1 0 0 m 以太网卡、t o k e n r i n g 网卡、f d d i 接口卡、多种p c m c i a 设备、闪存、声卡等等【3 5 1 。本课题采用p h a b ( p h o t o na p p l i c a t i o nb u i l d e r ) 为图形开发工具。p h a b是一个强大的图形设计工具，它能生成d c + + 代码以实现应用程序的用户界面。通过使用p h a b ，可以大幅度地减少编程工作，还节省了调试和测试时间。系统后台采用c + + 作为开发语言。9四川大学硕士学位论文2 3 系统总体设计2 3 1 系统设计原则系统设计目的是向用户提供实时性强，可靠性高、性能稳定，模块化程度高、易维护，操作使用方便的记录仪系统。因此我们从以下角度出发进行系统总体设计：严格遵循人机工程设计原则系统设计做到“以人为本”。按照人一机工程设计原则，设计符合用户工作习惯、提高系统自动化程度、提高工作效率并能自动保障其工作质量的记录仪系统。采用国内外著名品牌的通用硬件如果采用专用硬件，不仅成本高，而且后期可维护性差。本系统采用国内外著名品牌的商用硬件，以保证质量、性能、先进性、可靠性和完善的售后服务为原则。由于当前硬件发展的速度远远快于软件的开发，采用商用硬件，不仅节约了开发成本，而且可以缩短系统研发周期，同时由于商用硬件的开发者较多，使硬件的后期可维护性增强，保证了系统的可靠性。独立于硬件的软件策略为了适应硬件的快速发展，系统软件设计的趋势是尽量采用与硬件无关的策略。因此，需要在应用软件上做到与硬件的隔离，对硬件的操作由各种底层驱动程序和接口程序完成；另外，软件设计必须模块化、层次化，各功能模块之间也要相互独立，一般是不随硬件的不同而改变的。深层次技术开发与创新创新性是高新技术的生命，应力求在关键技术上有所创新，并针对专用性、实时性、可靠性进行深层次开发，这样做不仅仅是知识产权及软件版权的需要，也是使软件在效率和可靠性方面具备优势的重要技术措施。1 0四川大学硕士学位论文2 3 2 系统设计目标本课题根据语音雷达记录仪的特点和实际应用的多种需求，制定了以下设计目标：1 语音雷达信息的数字化采集、处理、存储、传输、查询；2 多路语音雷达数据同步处理；3 可靠的信息存储和管理：4 模块化程度高，系统配置简单，可靠性高，易维护；5 系统使用简便：6 应用领域广：系统可分解为单雷达记录仪和单语音记录仪并分别应用于所需场合。7 成本低廉。2 3 3 系统总体结构实时记录仪系统的体系结构如图2 - 1 所示：实时记录仪系统由一台控制单元，一台时钟同步单元，2 1 6 台记录单元组成，记录单元与监控单元之间采用1 0 0 m 以太网进行通信。每台记录单元可同步记录最多1 2 8 通道模拟话音和1 6 通道雷达数据，各记录单元、监控单元通过g p s 时钟或其它设备的同步时钟信号保持精确同步，状态监视和功能操作通过监控单元的人机界面完成。l 捌四川大学硕士学位论文多通道语音信号多通道雷达数据图2 - 1 系统体系结构系统硬件平台选用稳定、可靠的商用货架产晶，选用通用总线工业标准，如：p c i ，便于系统升级换代。控制单元可采用普通p c 机，记录单元采用高性能工控机。时钟同步单元，语音采集编码压缩卡【1 9 l 、雷达数据协议转换接收卡为自制设备。实时记录仪系统软件模块分为：操作系统软件，驱动程序，实时时钟接收与同步，语音，雷达数据记录和压缩，语音，雷达回放，数据转存和系统监控模块。每个模块的修改不影响其他模块。图2 2 所示为系统软件层次图。系统监控语音i 雷达回放i数据转存语音雷达数据记录、压缩驱动程序l实时时钟接收操作系统图2 - 2 系统软件层次图操作系统软件，采用q n x 实时操作系统。驱动程序包括多通道语音采集1 2四川大学硕士学位论文记录压缩卡的驱动程序和雷达数据协议转换接收卡的驱动程序。实时时钟接收与同步模块用于接收g p s 时钟或第三方时钟标准，并向各记录单元发送标准时间信息进行同步。语音雷达数据记录、转存和回放模块均在记录单元实现。多通道语音信号经语音卡转换为6 4 k b s 的声音数据流，压缩成a d p c m4 8 k b s 、3 2 k b s 、2 4 k b s 、1 6 k b s 或g s m1 3 k b s r p e l t p 输入。多通道雷达数据经同步处理后转换成异步数据输入，g p s 数据经g p s 数据处理单元得到g p s 时钟数据以6 0 s 的周期输入。为提高系统可靠性，每个记录使用r a i d 磁盘阵列记录声音雷达数据。记录单元可保存最近一个月的历史语音和雷达数据。记录单元还接收监控单元的各种命令，实现监控单元各种命令要求的功能。记录单元接收监控单元的单元，通道开启或停止命令对本单元或本单元通道实现记录开启或停止；记录单元接收声音监听命令实现对某声音通道的监听控制；接收雷达监视命令，将需监视的雷达通道数据送监控单元实现对雷达通道的监视：接收回放命令，从记录单元历史声音臀达数据中搜索出相应时间段的声音数据在本单元回放，并同步检索出雷达数据送监控单元实现声音和雷达的同步回放，并同时输出时间标记。为适应长时间不间断运行，记录单元采用嵌入式结构将必要的o n x 相应操作系统模块和记录单元程序嵌入到f l a s h 中，提高记录单元的稳定性、安全性。由于记录单元声音雷达数据对航空事故事后分析的重要性，数据的丢失将造成严重的后果，为进一步提高系统的安全性，记录单元采用二级备份冗余。每个记录单元使用r a i d 磁盘阵列，两个大容量硬盘互为镜像防止硬盘故障造成的数据丢失。每两个记录单元可输入相同的声音雷达数据互为备份，防止因某记录单元故障造成记录丢失。另外当某个记录单元发生致命的记录错误时，该单元将其错误状态实时发送到监控单元，并发出声音报警。监控单元运行在q n x 实时平台上并提供人机界面，用户通过监控单元向各个记录单元发送命令，并通过监控单元实时反映当前各个记录单元的工作状态。监控单元非不间断运行，当监控单元开机时向各个记录单元发送广播消息，当记录单元感知监控单元开机时，每1 0 0 0 m s 向监控单元发送当前各个记录单元的状态信息。用户通过控制监控单元人机界面可监控每个记录单元，四川大学硕士学位论文每个声音，雷达通道的开启关闭：向记录单元发送声音监听命令实现对各个声音通道的实时监听；向记录单元发送雷达监视命令，并接收记录单元发送的雷达数据以图形的方式显示出来以实现对各个雷达通道的监视；向记录单元发送回放命令可以实现对历史声音雷达数据的回放；监控单元可发送转存命令命令记录单元将用户选定的特定时间段的声音雷达历史数据传送至监控单元做永久保存。实时记录仪系统采用实时结构化分析方法s 朋玎进行分析、设计，由于篇幅所限，本文只给出监控模块的数据和控制流图如图2 3 所示：圈2 - 3 监控模块d f d 和c f d系统内部实时通信网络采用t c p i p 标准，实现点对点、广播等通讯方式，并通过各单元网络通信的状态监视、线路状态监控、网络进程监控、优先级调度等功能保证商实时性和高可靠性传输。内部网络的拓扑结构灵活，便于系统扩展或紧急情况下降级运行。1 4四川大学硕士学位论文2 4 关键技术2 a 1 系统实时可调度性分析本课题根据实际应用领域的需求，提出实时语音雷达记录仪的概念。由于语音和雷达同步记录和回放对实时性要求高，传统的记录仪在实现上有一定困难，因此本课题采用实时操作系统，对系统软件采用实时可调度性分析方法和实时设计方法进行分析和设计，保证系统的实时性、可靠性。系统的实时可调度性分析是本文的主要内容之一，将在第三章详细介绍。2 4 2 语音编码技术语音编码技术是本课题的重点和难点。本课题采用a d p c m 和g s m1 3 k b sr p e l t p 两种语音编码算法，采用d s p 技术，完成对语音卡的设计，实现对语音的硬件编解码。同时考虑到应用的实际需求，某些关键语音数据可能在记录仪系统之外的通用语音播放器中回放，本课题实现了两种语音编码算法的软件解码，把语音文件转换成w a y 格式。同时为用户提供了5 种压缩比，用户可根据对语音质量和存储容量的不同需求，自行选择。语音编码技术的设计和实现是本文的另一个主要内容，将在第四章详细介绍。2 4 3 雷达数据处理技术雷达数据处理( r a d a rd a t ap r o c e s s ，以下简称r d p ) 是实时多通道数字语音雷达同步记录仪的关键技术之一。在实时记录仪系统中，通过记录单元的雷达数据处理串口卡接收多路雷达异步数据，并在该数据上加注时标信息，然后存储于记录单元的外存储器。当监控单元需要对某一路雷达数据进行回放时，系统从外存储器查找出需要回放的雷达数据，通过网络送往监控单元。监控单元接收到雷达数据后，经r d p 将活动雷达目标图像显示出来：r d p 是雷达信号处理的后处理过程，它能通过对数据的处理提供每个目四j i i 大学硕士学位论_ 文标的位置、速度、机动情况和属性识别，对目标进行跟踪和监视，其精度和可靠性都高于雷达的一次观测；它还能消除由残余杂波造成的虚假检测，改善雷达信号处理功斛a 。雷达数据处理的主要功能是对控制区域内目标的运动轨迹进行平滑计算，从而形成航迹，并外推出它们在下一时刻的可能运动参数，完成对目标的跟踪【2 7 】。这一功能通过对目标航迹的处理来实现的。目标航迹是目标运动的轨迹，雷达数据处理通过对目标运动轨迹的跟踪形成该目标航迹f z “。目标航迹的处理包括航迹的建立，即建立第一点航迹( 航迹起始) ；目标航迹和雷达获取的观测的相关处理；目标航迹的滤波处理；目标航迹的预测；目标航迹的终止。雷达数据处理对目标的跟踪处理如图5 1 所示。航迹相关问题是雷达数据处理中的关键步骤，它是将雷达传感器所获取的观测和已有的航迹正确配对的问题。航迹相关算法中的一个主要方面是航迹观测配对算法【翻。航迹配对算法是将落入航迹相关波门内的观测和航迹进行正确配对的算法。在实时记录仪系统中，r d p 根据实际应用环境中不同雷达的性质，对航迹配对算法最近邻域法( n n ) 进行了补充，在其基础上，增加了雷达数据中一些目标属性的相关规则计算以得到最准确的配对结果。这种方法减少了计算量，解决了实际使用中出现的问题，提高了程序的效率。1 6四川大学硕士学位论文为有效实现航迹相关算法，系统设计了一套完备的数据结构去支持航迹的建立、维护和撤消。数据结构的合理设计和有效使用，使得软件逻辑结构简洁、清晰，提高了软件的可靠性、可维护性和扩充性。2 4 2 语音卡驱动程序开发实时记录仪系统的语音采集压缩凭借语音采集压缩卡实现。语音采集压缩卡下文简称为语音卡。实时记录仪系统采用的q n x 实时操作系统中，驱动程序和普通应用程序的界限是非常含糊的。它们共同构成了q n x 系统的模块；每个模块由于运行于自己独立的地址空间，可以随时按照实际需要动态决定其运行或终止运行。q n x 系统中的设备驱动程序可以采用两种工作方式：中断方式和查询方式。在中断方式下，事件的发生由中断确定的，在中断没有出现时，驱动程序处于空闲状态。在查询方式下，驱动程序必须生成一任务，以不停地查询相关寄存器以确定事件发生。语音卡的驱动程序中，硬件周期地产生中断，因此系统采用中断触发方式【2 5 1 。q n x 下语音卡的驱动程序结构流程如图2 5 所示：初始化l获取硬件接口参数l设置硬件寄存器l实现接口函数j启动消息循环图2 5 语音卡驱动程序结构流程图1 7四川大学硕士学位论文初始化，即对语音卡进行初始化。其中包括识别语音卡，设置数据缓冲区，设置与系统相关的例程，初始化设备属性结构，把中断向量和i s r 挂上，把语音卡与某一设备文件名相连，设景系统需要的接口函数。获取硬件接口参数包括内存映像地址、i o 端口地址和系统中断控制器的输入( 取q ) 。根据硬件的接口方式不同，获取硬件接口参数的方法也不同。对于i s a 总线，硬件接口参数都是预先设置好的。而对于p c i 总线，由于是即插即用的总线，在b i o s 和操作系统的支持下，能够自动地为设备分配合适的内存映像地址、i o 端口和系统中断控制器的输入( i r q ) 。因此，只要调用相应的系统函数就可以获得这些硬件参数。设置硬件寄存器就是控制硬件的行为和特性，对于内部寄存器的访问方式有两种：和内存映像。语音卡是采用内存映像的方式进行控制的。设备驱动程序位于底层硬件和上层应用程序之间，提供一种双向的接口，即同时与硬件和应用程序接口，从而在两者之间建立联系。对于采用中断方式工作的硬设备来说，有一特殊的接口函数，即中断服务程序。中断服务程序与i r q 相连，在中断发生时做一些必要的处理，然后立即返回到正常的工作状态。对于中断服务程序，其编写必须遵循一定的规则，最主要的是不能造成系统阻塞而影响系统可靠性及性能。在中断服务程序中不能运行时间过长的代码，也不能出现对某些共享资源进行某种访问( 例如读取信号景) 的代码以免造成竞争或死锁。语音卡的中断处理程序主要是从映像的内存中读取语音数据，然后传递给用户进程进行处理，同时，如果需要语音回放时，从用户进程获取数据并写入到硬件中以实现话音重演，为保证数据读取和处理的实时可靠，驱动程序中采用双缓冲区，轮流对数据进行读取，当数据装满缓冲区后，通过发送消息通知读进程读取数据：如果有语音数据进行回放，每次中断时则发送消息通知写进程向