基于分層插件的引信裝定器模型

賴 明，霍鵬飛，劉 創(chuàng)

（機電動態(tài)控制重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引言

彈道修正引信是信息化程度較高的新型智能引信，其研究、測試、實驗及使用都有別于傳統(tǒng)的“傻瓜”引信，尤其在數(shù)據(jù)需求方面，呈現(xiàn)數(shù)字化、復雜化的趨勢。在其引信裝定器開發(fā)及維護過程中，面臨著兩個問題：1）彈道修正引信在發(fā)展的不同階段，其功能有時（甚至經(jīng)常）會發(fā)生變化，引信裝定器的對應功能也需進行升級或擴展，如增加新的功能模塊、數(shù)據(jù)接口等外圍設備，這種升級或擴展很可能是大幅度的，甚至要重新設計電路和定制系統(tǒng)、重新編寫程序等，擴展性不夠靈活，因此需花費很大工作量；2）引信裝定器的開發(fā)和維護需要若干開發(fā)者協(xié)同完成，但不同開發(fā)者使用的開發(fā)工具、編程語言很難統(tǒng)一，導致后期的模塊銜接問題出現(xiàn)。對于上述兩個問題目前系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)模型解決，它利用層次化方法將一個完整的系統(tǒng)劃分成彼此相鄰的多個層或模塊，各層（模塊）之間通過抽象接口連接，各層完成特定的功能。這種方法優(yōu)點是使得各層之間的調(diào)用關系清晰，高內(nèi)聚低耦合，使系統(tǒng)有較好配置性；缺點是這種結(jié)構(gòu)模型側(cè)重于面向應用層，更適用于商業(yè)消費類嵌入式系統(tǒng)，對底層硬件接口及驅(qū)動問題的考慮不完善，不適合直接應用到修正引信裝定器這種功能復雜且未來功能具有不確定性的特殊平臺上來。本文針對以上方法的不足，提出了基于分層插件的引信裝定器模型。

1 傳統(tǒng)分層架構(gòu)及插件技術

1.1 分層系統(tǒng)架構(gòu)

嵌入式技術是近年來風靡全球的熱點技術，已經(jīng)應用在各類電子產(chǎn)品中，而分層系統(tǒng)架構(gòu)是現(xiàn)今嵌入式平臺的主流系統(tǒng)架構(gòu)設計方法。分層架構(gòu)方法是一種層次化的設計方法，將嵌入式系統(tǒng)分為軟件和硬件部分來實現(xiàn)，并按各功能模塊的調(diào)用次序進一步將硬件部分分為硬件層和硬件抽象層，軟件部分分為操作系統(tǒng)層和應用層，各層之間單向調(diào)用和單向依賴，只有相鄰的上層可以調(diào)用下層（有時也允許跨層訪問）；操作系統(tǒng)的主要部件與硬件無關，可支持更多的硬件環(huán)境，易于進行操作系統(tǒng)移植；硬件抽象層完成硬件的具體操作及接口抽象，向上提供面向應用開發(fā)的編程接口，即面向應用層的開發(fā)支持，同時提供面向系統(tǒng)開發(fā)的編程接口，即系統(tǒng)驅(qū)動的開發(fā)支持［1-2］。圖1 為傳統(tǒng)分層系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

圖1 分層系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Hierarchic system framework

分層系統(tǒng)架構(gòu)一般分4 層：硬件層、硬件抽象層、操作系統(tǒng)層和應用層。硬件層是組成嵌入式系統(tǒng)的載體、具體的硬件平臺，處于系統(tǒng)的最底層；其次是硬件抽象層，是一個與硬件密切相關的代碼層，主要作用是實現(xiàn)全部硬件的操作，并把這些操作抽象成統(tǒng)一的接口，以BSP（板級支持包）的形式供上層操作系統(tǒng)的內(nèi)核使用；操作系統(tǒng)層位于中間，它實現(xiàn)了操作系統(tǒng)的全部功能，主要包括內(nèi)核、內(nèi)存和文件管理、設備管理等等，此外系統(tǒng)資源及平臺級功能的定制也在這層完成；應用層位于最頂層，是應用程序的集成層，通過操作系統(tǒng)層提供的API（應用程序開發(fā)接口）接口集開發(fā)實現(xiàn)具體的軟件應用。

1.2 插件技術

插件模型是近年發(fā)展起來的一種軟件體系結(jié)構(gòu)，在軟件開發(fā)中有著越來越多的應用。插件式體系結(jié)構(gòu)是一種非常靈活的組件式結(jié)構(gòu)，它把一個軟件程序的功能分割在幾個相互獨立的插件中，各個功能插件獨立于系統(tǒng)，獨立開發(fā)，并且可以動態(tài)地插入、刪除和替換到系統(tǒng)中［3-4］。其本質(zhì)在于不修改軟件主體的情況下，對軟件功能進行擴展與加強，通過制作相應插件解決一些操作上的不便或增加新功能，實現(xiàn)“即插即用”的軟件開發(fā)。圖2為插件模型示意圖。

圖2 軟件插件模型Fig.2 Software plug-in model

插件模型一般包括兩部分：平臺（或稱主程序）和插件（或稱擴展模塊）。平臺是一個程序的核心和基礎，實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能，按功能的不同又可把平臺分為兩部分：軟件內(nèi)核和插件管理。軟件內(nèi)核完成整個系統(tǒng)的通用功能部分，是軟件程序相對固化的部分；插件管理功能用于集成和管理插件，為插件與平臺的連接和通信提供標準接口支持。插件是平臺功能擴展或升級的載體［5-6］。插件通過擴展接口調(diào)用平臺功能，平臺通過插件接口調(diào)用插件功能，擴展接口完全由平臺實現(xiàn)，插件接口完全由插件實現(xiàn)，單向通信。

插件體系結(jié)構(gòu)具有突出的優(yōu)點：1）提高軟件的復用性；2）增強功能模塊的封裝性和獨立性；3）不同功能組件的無縫銜接；4）很好地擴展性；5）面向不同應用層面的靈活性和可移植性［7-8］。

2 分層插件系統(tǒng)模型

將軟件工程的插件化思想引入到傳統(tǒng)嵌入式分層系統(tǒng)，對同一層相對獨立的組件進行橫向劃分，不同層間建立相關組件的縱向聯(lián)系，形成一種分層插件系統(tǒng)模型。圖3為分層插件系統(tǒng)模型示意圖。傳統(tǒng)分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更像一種“串聯(lián)”式的交互結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)只能通過硬件抽象層提供的BSP 包對硬件進行控制，應用層的開發(fā)和維護也只能通過操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)集進行，不同功能模塊的硬件抽象接口全部集合在了一個BSP中，不同的軟件模塊的代碼也是靜態(tài)地封裝在一起的，這樣當硬件發(fā)生了變化或需增減相應功能時，則需重新修改編譯整個硬件抽象層的BSP 包或在代碼層面對程序進行更新，牽一發(fā)而動全身。而分層插件系統(tǒng)模型則像“并聯(lián)”式的交互結(jié)構(gòu)，各層以“平臺”的形式存在，層的內(nèi)容按功能進行劃分，對上層提供的接口相互獨立，即多條數(shù)據(jù)和指令的“通道”并行工作，獨立開發(fā)和維護，對一項功能的增加刪除不會影響到另一項功能。

圖3 分層插件系統(tǒng)模型Fig.3 Hierarchic plug-in system model

分層插件系統(tǒng)模型的插件有別于軟件工程中的插件概念，是一個更為抽象的軟硬件封裝形式（如圖4）。一個插件包括了硬件、驅(qū)動程序、API函數(shù)和軟件程序模塊。硬件位于系統(tǒng)的硬件層，是插件的基石，通過標準接口與硬件層平臺銜接，以插拔形式完成插件的增加或刪減；其上是驅(qū)動程序，是一個實現(xiàn)硬件具體操作和提供抽象接口供操作系統(tǒng)使用的安裝包，位于硬件抽象層，可在操作系統(tǒng)中隨時安裝和卸載；再往上是API函數(shù)，由操作系統(tǒng)層提供，此層的插件化需要操作系統(tǒng)的支持，應采用構(gòu)件式的可定制操作系統(tǒng)；頂部是軟件程序模塊，它不再是主程序代碼中的子代碼，而是以封裝好的軟件插件形式供應用層平臺使用，和前章所描述的軟件插件是一致的。

硬件層、硬件抽象層、操作系統(tǒng)層和應用層的通用部分以平臺形式固化存在，而按功能細分的插件構(gòu)成了各層的主要內(nèi)容。在分層插件系統(tǒng)中，一項功能插件的增加變得和搭積木一樣簡單，只需將4個部分分別連接到所屬層的標準接口上就可立即使用，舊的插件進行修改更新只在自身內(nèi)部進行，不會影響到平臺和其他插件，不同開發(fā)人員實現(xiàn)的插件按標準接口無縫銜接，插件與插件間高內(nèi)聚低耦合，并“即插即用”，符合信息交聯(lián)系統(tǒng)的使用習慣需要，擁有良好的擴展性和可維護性。

圖4 插件模型Fig.4 Plug-in component

3 應用實例

一維射程修正引信裝定器為修正引信提供星歷數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、射擊任務數(shù)據(jù)等，并計劃逐步添加對引信的測試、檢驗等擴展功能。系統(tǒng)目前通過GPS接收機產(chǎn)生星歷數(shù)據(jù)，手動導入氣象文件獲取氣象，手動輸入射擊任務信息，而今后很可能改用北斗接收機獲取星歷，添加無線氣象接收模塊收取戰(zhàn)場氣象廣播，智能產(chǎn)生射擊任務數(shù)據(jù)。因此計劃采用分層插件系統(tǒng)模型改造裝定器系統(tǒng)平臺，迎合目前和未來的擴展升級需求，方便開發(fā)維護。現(xiàn)已完成了部分模塊的插件化改造工作，其中GPS接收機的插件化是典型的分層插件模型應用。圖5為裝定器在分層結(jié)構(gòu)下的示意圖，圖6為裝定器插件化后的示意圖。

首先將硬件平臺上的外設接口全部改為標準接口，除處理核芯最小系統(tǒng)外的其他硬件均通過標準接口與處理核芯相連，GPS 接收機添加了轉(zhuǎn)換接口，以使得和標準接口一致。接收機的寄存器讀寫和資源配置等具體的硬件操作封裝為一個驅(qū)動包，插上接收機后在操作系統(tǒng)中進行安裝。操作系統(tǒng)選擇具有良好圖形交互界面的WinCE6.0 嵌入式操作系統(tǒng)，由于其是可定制的構(gòu)件式操作系統(tǒng)，因此可以按照接收機和其他硬件模塊需要的API進行系統(tǒng)裁剪，僅保留需要的系統(tǒng)部分，整個操作系統(tǒng)的定制和建立，可在1h內(nèi)完成。最后開發(fā)GPS接收機子程序插件，并按照軟件工程插件化的方法將主程序平臺化，分別實現(xiàn)擴展接口和插件接口，使用時，直接在主程序中導入GPS 接收機插件即可使用。接收機的程序和驅(qū)動開發(fā)獨立完成，使用時即時安裝即時使用。

圖5 分層結(jié)構(gòu)的裝定器Fig.5 Fuse setter based on hierarchic framework

圖6 插件化后的裝定器Fig.6 Fuse setter based on hierarchic plug-in component

原來的GPS接收機通過專用接口和系統(tǒng)硬件電路板相連，接收機的驅(qū)動和其他硬件模塊的驅(qū)動在一塊形成BSP，接收機相關的程序代碼也作為整個程序代碼的一部分和其他程序代碼在一塊，若更換其他型號的接收機（如北斗）或更改程序功能，則需使用新的配套接口，重新畫板，設計新的硬件電路圖，重寫B(tài)SP，并修改裝定器的軟件程序代碼，重新編譯生成新軟件。將接收機插件化后，其功能模塊的開發(fā)維護和升級擴展都變得清晰容易很多，由于各層都使用標準接口和平臺相連，因此變動修改只在插件內(nèi)部進行，不需變動整個平臺。

4 結(jié)論

本文提出了適用于彈道修正引信裝定器的分層插件系統(tǒng)模型。該模型在傳統(tǒng)分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎上引入插件化思想，將通用功能的部分固化，其他功能部分以插件形式實現(xiàn)，形成以插件為核心內(nèi)容的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。應用實例表明這種系統(tǒng)模型在系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)升級擴展、及各模塊的銜接問題上都較傳統(tǒng)分層系統(tǒng)有較大改善，更適合于具有復雜功能需求的修正引信裝定器系統(tǒng)平臺。

目前國外已經(jīng)實現(xiàn)了加榴炮裝定器標準化，一門火炮的裝定器可以裝定炮射導彈、彈道修正引信、多選擇引信、近炸引信和電子時間引信。但是并非所有火炮都配炮射導彈和彈道修正引信，使用本文提出的模型，有利于實現(xiàn)國內(nèi)加榴炮裝定器的標準化以及為低配置火炮配置低成本裝定器的目標。

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