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1、硕士论文中期报告硕士论文中期报告田野基于vxworks的卫星半物理仿真中的通信一、 研究内容概要：借助vxworks嵌入式操作系统平台，实现卫星半物理仿真中的通信 问题。半物理仿真各个阶段涉及嵌入式星载计算机之间的通信、星载计算机和各个外部系统 之间的通信、系统中执行和测量部件的控制和信息反应等，是从系统级、分系统到部件级的 层次机构，其中通信机制发挥了建立其间联系的根底性作用。主要包括：通信机构的设讣、 通信协议的选择和统一、通信接口的编制以及底层通信设备驱动程序编写等内容，以期最后 参与到卫星地而半物理仿真试验系统的整体调试之中。二、 开题后主要完成的研究工作：1、飞轮和陀螺数据通信相关硬

2、件及软件环境：pc计算机、PCI1710数据采集及转换卡、实际飞轮和陀螺；vxworks操作系统及其 编译环境Tornado、matlab的rtw实时工具箱：实验目的和意义：飞轮是卫星的执行机构，根据“动量守恒原理来控制卫星的姿态，它的精度、速 度和控制效果好坏直接影响到卫星的姿态精度和稳定性，本工程中主要使用的是零动 量反作用飞轮来实现姿态三轴稳龙。陀螺是卫星的测量部件，本工程中采用徳国的微 型激光陀螺，通过对三个方向角速度的测虽:向卫星提供姿态数据。实现原理和步骤：1、 按照仿真框图图1-1matlab的simulink中建立飞轮测速的模型，包括控制部 分发送控制指令、s函数对PCI171

3、0采集卡进行读写操作以及利用采集卡进行脉 冲计数、显示比照局部图1-2;2、 使用mailab的tornado编译工具将simulink模型转化为在vxworks运行的代码，通 过tornado和目标机的交叉编译环境下载到目标机的vxworks操作系统下：3、 在vxworks操作系统下运行代码，给飞轮提供一个控制信号，然后得到飞轮的转速、 转向和力矩等信息，通过matlab外部模式实时观察数据。飞轮的角速度信号是通过 PCI1710卡的计数器换算得到的；4、 模型运行300秒后，得到数据文件绘岀控制力矩和输出力矩的曲线图 1-3。图中平滑的曲线是控制力矩，前100秒为-0.8,后500秒呈正

4、弦规律变化。带有 噪声的曲线是飞轮的力矩曲线，由于该飞轮是一个性能不是很好的产品，只能用于地 面的初期试验阶段，所以在控制力矩变向的时候产生了较大的噪声，这是十分正常的。 图1-是误差图，从图中看出输出力矩和控制力矩平均误差不是很大：5、 陀螺的测试方法与上面飞轮测速类似。图反作用飞轮仿真系统框图图1-2飞轮测速Simulink模型 Figure 1-2 Measure velocity model of wheel图13控制力矩与输岀力矩 Figure 13 Control torque and output torque图14误差曲线Figure 1-4 Error curve diagr

5、am2、vxworks下的网路通信相关硬件及软件环境：pc计算机、ne2000网卡、RS485串口 PCI接口卡、vxworks操作系统及其编译环 境Tornado matlab的rtw实时工具箱：实验目的和意义：利用TCP/IP提供的端到端的传输能力在位于不同主机上的任务间传输用户数据，英中一种方式就是使用socket 套接字，本工程中需要在仿真汁算机中增加网络传输 功能，以便以较快的速度通过网络把各种实时仿真数据传出，网络上其他il算机接收 到实时数据后可以进行实时显示、计算以及实现三维卫星模型的实时数据驱动。因为 数据量很大，串口无法满足要求，网络协议可靠快速，是良好的选择。实验原理：1

6、、 宿主机是集成编译环境，把运行在各计算机上的任务代码编译后通过网络下载到 各台计算机图2-1；2、 控制计算机即星载讣算机和动力学仿真计算机各安装一块PCI串口卡PCI1612, 通过485串口组成闭环结构实现实时控制图2-1；3、 动力学仿貞计算机利用网络将动力学仿真数据通过socket发出，宿主机利用VC 程序通过socket接收数据，并将英转换为符合STK接收要求的数据格式，发向STK 演示机图2-1；4、STK演示计算机接收仿真数据并实时驱动STK动画显示图2-1 oRS185总线I L口哥厂I 10 000000 00 -旨II1集线器I口r育侖主机i r S1STK演乐计口机功力

7、学仿冥计斤机控制计邕机模拟星载计图2-1半物理仿真系统结构图Figure 2-1 Semi-physical simulation system structure实现步骤：1、 在simulink动力学模型中编写有关网络通信的s函数模块socket_net,在苴中调用 vxworks代码编程实现socket的效劳器端，等待客户端申请建立连接后把实时仿真数 据由网络传给客户端图2-2；2、 在宿主机中用VC实现socket数据接收，作为客户端。效劳器端首先运行，等待客 户端连接。在效劳器端和客户端实现面向连接的socket接口的流程如下列图图2-3：wheel readoQnnmmrs485C

8、lockyprUwheelWboQbtimeWbDataMathematical ModelsEattOQbIn1图2-2仿真系统模型Figure 2-2 Simulaton system block效劳器创立socket绑怎bindXJDyprX2DWboEWSubsystemdatanetsend2socket netScope2客户接受连接 accept 阻塞等待连接listenread -, write连接关闭过程图2-3而向连接的socket应用框架Figure 2-3 Sock_stream application frame新连接3、STK软件下的卫星实时数据驱动演示实验原理：S

9、TK提供实时数据驱动接口，可以动态实时的根据数据显示卫星模型的各种状态, 使用STK/VO组件。按照组件的接口程序实现数据接收和发送。软件分为两局部：发 送方和接收方，他们之间通过网络IP地址来锁定。实现步骤：1、 在宿主计算机中VC编程实现数据接收网络客户端，在这个程序开始阶段包含对 STK演示计算机的初始化：1设定STK计算机的IP地址和端口号，以便建立连接;2程序选定需要数拯驱动的对象，如卫星姿态、轨道等：3给STK中需要数据驱动 的对象设苣初始值：4启动STK/AVO,等待实时数据到来；2、 在VC接收程序中实现把仿真计算机中的数据转换为STK可以识别的格式，并向 初始化时建立的接口发

10、岀：3、 STK演示计算机实时接收数据，观察直观的动画演示图3-1。图 3-1 STK/AVO 视图Figure 3-1 STK/AVO view4、利用matlab的TLC文件实现实时仿真的中断效劳程序接口 駛件和软件环境：pc计算机、pc机8250芯片的RS232串口，硬件连接结构如图图4-1, vxworks 操作系统及其交叉编译坏境他Tornadoxmatlab的rtw组件中的tornado和matlab接口：口RS232串 口口雪r t网络1o 000000 00集线器口r哥1宿主机Tornado图4-1 matlab中断系统结构图Figure 4-1 matlab interrup

11、t system structure实验原理分析：1、 在仿真计算机上的动力学仿貞模块需要实时接收来自控制计算机的控制指令来修 正英参数，同时把仿真的状态数据传给控制计算机来根据偏差计算下一步的控制指 令，这就需要动力学仿真计算机有实时接收数据的能力，即相应中断的能力：2、 而在动力学仿真模型是matlab的sinmlink下生成的固左步长的程序代码，即每隔 一泄时间周期执行一次动力学计算，不能实时接收控制指令，会引起控制指令丧失， 因此需要引入中断模式；3、 在maflab的rtw组件中提供了一个专门而对vxworks的接口模块Async Interrupt异 步中断模块图4-2,使其能在定

12、步长仿貞同时产生接收数据中断，在ISR中进行 控制数据的接收以及状态数据的发送，即中断模块和动力学仿真模块是相互独立运行 的，不会因为仿貞的左步长而影响接收数据的实时性；)SinnIRQ IRQM Async Intenu pt图4-2 matlab的rtw中的异步中断模块Figure 4-2 matlab rtw asynchron interrupt module4、 还需要一种机制来联系ISR中的数据和动力学仿真中的数据，使之能进行交换：5、 而Async Intemipt 异步中断模块默认是为VME总线中断提供的模块，和其他 中断在中断号、中断机制等方面有所不同，这就需要更改和Asyn

13、c Internipt 异步中断模块有关的程序；6、 Async Interrupt 异步中断模块的程序包括两局部：一是与输入参数有关的s函 数：vxintcrnipil.c, 是与自动代码生成有关的TLC文件：vxintcrruptl.tlc,它们都 在:MATLAB7rtwctornadodevices 文件夹下：7、 由于最后运行的代码是由RTW自动程序创立过程来生成的，所以类似的源 文件无法直接参加到最后要下载的目标代码中，而是通过RTW的自动程序创立过程 动态参加的，这就需要更改TLC文件。4.3 rtw中TLC文件介绍：RTW提供了一个实时开发环境，这个实时环境将MATLAB与Si

14、mulink连接为一 个整体，并在这个根底上提供了从系统设il到实现的方法和简单易用的接口。RTW还 提供了 TLC来扩充自己的功能。通过使用TLC,可以修改、优化RTW生成的C程序, 扩充RTW的功能，比方，硬件驱动程序与硬件有关，随系统改变而改变，就需要利 用TLC,生成相应的驱动程序。TLC文件是在rw的自动程序创立过程中调用的。T LC文件是一种生成程序的文件。在本工程中，就需要改写RTW自动程序创立过程能在不同主机环境下生成用于实时应用的程序，该创立过 程使用高级语言编译器中的联编实用程序，来控制所生成源代码的编译和链接过程。 RTW使用一个高级的M文件命令控制程序创立过程，默认命令

15、是makc_rtv。RTW的 自动程序创立过程如图图4-所示。用户开发的棋型. 利模板联编文件口动的程序创立过程ake m图4-3RTW的程序自动创立过程Figure 4-3 RTW automatic program building process实现步骤：1、探索性的运用matlab中的全局变疑和局部变量解决了动力学仿真数据s函数中 和中断效劳程序ISR TLC文件中之间的数据联系、存储和传递问题，忽略了细卩 的数据传递关系如下列图图4-：动力仿真学模型图44控制计算机与动力学仿真汁算机及其动力学仿真汁算机内部的数据传递关系2、 将中断模块参加到原动力学仿真模块中,修改和文 件，在中参加ISR