艦船噪聲數據連續回放技術研究＊

胡生國 朱 艷

（中船重工第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

在水雷目標探測系統研制的特定階段，需要進行長時間或特定工況下的考核測試，基于特定的原因，有些考核可以在海上以實船方式進行，有些卻不能，只能在實驗室或以特定的儀器設備進行考核驗證。為確保目標探測系統能經受嚴酷的考核試驗，在實驗室條件下必須預先對目標探測系統進行長時間、惡劣工況條件下的仿真試驗考核。為提高仿真置信度，在研制的后期一般均是采用實航試驗數據進行考核驗證。受限于數據采集系統存儲容量的限制，長時間特定工況下的連續噪聲信號都是以一個個數據文件存在，在半實物仿真過程中，在將數據文件中的信號還原成實航條件下的信號時，將會出現輸出信號是一段一段的，與實航條件下的狀態不一致，導致仿真置信度大幅下降，失去考核作用。如何將多個數據文件以連續回放方式將信號還原出來，成為特定工況如臺風條件下對系統進行考核的必然要求。本文采用上下位機方式，采用VxWorks實時操作系統，輔之以特定的軟件控制流程，實現了多個數據文件連續回放的功能，回放的數據文件取決硬盤所能存儲的最大容量，真正實現了長航程的考核，在半實物仿真試驗中獲得了成功的應用。

2 技術原理

在實航試驗過程中，物理場數據采集系統將采集到的艦船噪聲數據以定長的具有特定格式的數據文件存放，數據文件包含文件頭，包頭，幀頭等，不同的文件名以時間段進行區分，相鄰的文件名在時間上是相互銜接的，如某一個文件名為11.12.52.30.dat，數據時長為10min，則下一個文件名為.11.13.02.30.dat。在半實物仿真過程中，為了復現實航試驗狀態，要求數據文件以時間為序連續回放。為實現這一功能，采用上下位機的方式，上位機運行Windows系統，實現人機交互功能，下位機運行VxWorks實時操作系統，實現數據的讀取及連續回放功能。首先將所有的待回放的數據文件全部拷入下位機的硬盤（在數據文件存放的過程中，文件不一定是按時間順序進行存放的），在上位機上運行人機交互軟件，將下位機所有的數據文件名提取并按時間順序排序。仿真時首先通過人機交互軟件選擇待回放的第一個數據文件，通過網絡方式傳給下位的測控軟件，下位機的測控軟件在硬盤上找到對應的文件名，打開按幀方式讀取數據并進行相應的操作，當數據文件讀到數據末尾時，測控軟件向上位機發送數據請求，上位機的人機交互軟件取下一個文件名并傳送給下位機，完成下一個文件的讀取準備。為確保兩個數據文件之間的無縫銜接，應充分利用硬件設備板卡如DA板卡上的動態緩存，通過軟件流程控制，使動態緩存中的數據用完之前及時將新文件中的數據導入，保證兩個數據文件之間的無縫銜接，實現數據連續輸出。

3 系統結構

采用上下位機結合高性能DA板卡實現數據文件連續回放過程，系統組成結構圖如圖1所示［6］。

圖1 仿真系統組成框圖

系統由三部分組成：1）上位監控計算機，運行Windows操作系統，安裝人機交互軟件開發工具Visual Studio及VxWorks前端編譯工具Tornado，完成仿真人機交互及仿真過程監控功能，與仿真計算機之間以網絡連接，采用UDP／IP方式實現數據通訊；2）下位仿真計算機，CPCI總線架構，運行VxWorks實時操作系統及實時測控軟件，硬盤中存放實航試驗數據，完成數據解析，網絡通訊，數據傳輸等功能，與DA板卡之間通過CPCI總線以DMA方式實現數據傳輸；3）多通道同步信號輸出DA板卡，接收仿真計算機傳輸過來的數字信號，按照設定的通道及數據采樣率將數字信號轉變為模擬信號輸出。

4 軟件架構及工作流程

下位機實時測控軟件采用多任務方式，其主要的任務如表1所示。

正常工作時，只運行任務3、任務4及任務5。軟件流程的核心是圍繞多通道同步信號輸出DA板卡來進行流程劃分，關鍵點在于DA板卡上的動態緩存的運用。

5 信號連續輸出實現

連續輸出技術主要涉及二個方面，一個是所采用板卡的數據存儲格式，另一個是對板卡自身所帶動態緩存的應用。數據存儲格式決定多通道信號是否能正確輸出，動態緩存則決定信號是否能連續不中斷輸出。

表1 實時測控軟件任務

5.1 數據存儲格式

多通道數據的正確輸出取決于數據存儲格式，對不同的硬件板卡，其數據存儲格式不盡相同，首先數據存儲格式要符合板卡本身數據采樣的要求，對本研究已選定的 PMC－16AO－12－20221板卡而言，其數據的存放格式如表2所示。

其數據是按激活的通道數順序存放的，每一個通道的同一序號的數組成一幀，每一個采樣周期的觸發脈沖將一幀數據取出，按相應的順序發送到不同通道對應的DAC，當最后一個通道的數據到達時，所有通道的DAC同時觸發，將數據發送出去。

表2 動態緩存數據存放示意表（激活3、6、8通道）

5.2 動態緩存的工作方式

同步輸出板卡動態緩存的工作方式分為兩種，一種為閉環方式，一種為開環方式［2］，其工作示意圖如圖5、圖6。

圖2 閉環緩存工作示意圖

圖3 開環緩存工作示意圖

如圖2所示，閉環緩存工作時，預先放入緩存的數據在采樣時鐘的作用下，其數據流有二個方向，其一為采樣時鐘將數據幀直接轉向DAC，此為模擬信號輸出通道，其二為轉向DAC的數據同時被導向先前放入緩存的數據的末尾，變成了一個環形通道，動態緩存中的數據既沒增多，也沒減少。

如圖3所示，開環動態緩存工作時，當從總線來的數據放入動態緩存后，一旦數據的采樣時鐘啟動，其數據只有一個流向，即數據被采樣時鐘導向了DAC，緩存中的數據同步向前流動，緩存中的數據同步減少。

從圖2、圖3可以看出，為了防止數據輸出中途出現斷點，每一幀的數據首尾必須相接，在技術上，當一幀數據放入動態緩存時，其尾部自動出現一個EOF標識，每一幀數據放入時，其頭部首先尋找EOF標識，然后在數據末尾按順序排放，既防止數據出現斷點，又可防止數據格式混亂。其工作示意圖見圖4。

圖4 數據幀銜接示意圖

5.3 中斷控制

多通道同步信號輸出DA板提供了七種中斷源，如表3所示。

表3 DA板中斷源

如表3所示，與動態緩存有關的中斷有三種，分別為動態緩空中斷，動態緩存1／4滿中斷及動態緩存3／4滿中斷，顯然在仿真中選擇動態輸出緩存空是不可取的，因為必然會出現數據輸出的斷點。在另兩種中斷方式中選擇何種中斷方式與仿真系統的規劃有關，與之有關的主要有仿真幀數據量，采樣時鐘頻率，動態緩存的大小及CPU的計算速度，幾種因素相互制約，需綜合考慮。首先一旦DA選定，其動態緩存的總量就定下了，可以按1／2n來進行動態緩存劃分，本研究中采用全動態緩存即128k，當采用1／4滿中斷方式時，即動態緩存中的數據少于32k時，DA板會發出中斷請求，若采用3／4滿中斷方式時，動態緩存中的數據少于96k時會發出中斷請求。采用這兩種方式時分別有限制條件，當采用1／4方式時，要確保CPU在32k的數據被采樣完之前計算完新的一幀數據并將其導入動態緩存。而采用3／4方式，要確保CPU計算出的一幀數據通過DMA導入動態緩存時，數據不溢出［1］。

5.4 數據文件間銜接控制

當一個噪聲數據放完時，為了防止動態緩存中的數據出現空狀態，必須在緩存中的數據放完之前放入下一個文件中的數據。為了實現這一功能必須充分利用動態緩存的1／4中斷標識及1／4緩存容量，動態緩存示意圖如下：

圖5 動態緩存數據流向示意圖

若動態緩存容量為128k，則1／4容量為32k，設采樣時鐘為50kHz，通道數為6，則從1／4緩存中斷到數據放完所需時間為

在109ms內需要完成：1）關閉當前文件，向上位機請求下一個文件名；2）上位機響應請求，發送下一個文件名到下位機；3）下位機接收了文件名，并在硬盤中查找對應文件；4）打開文件，讀出一幀數據并解析；5）將數據放入動態緩存。由于下位機采用VxWorks實時操作系統，主要的耗時在第2）步，經實測，采用千兆網主流配置的PC機其耗時約為20ms～50ms，完全能夠滿足要求。

6 試驗結果

圖6 模擬信號輸出示意圖

采用某實航試驗數據進行測試，每個數據文件10個通道，約360M，80個文件，經過下位機實時回放軟件的處理，多個數據文件能夠順暢連續回放，兩個數據文件之間的信號無縫鏈接，經示波器觀察無斷點存在，回放的數據文件量取決于下位機硬盤所能存儲的數據量。回放過程中反饋回上位機的數據圖像如圖6所示。

7 結語

采用VxWorks實時操作系統結合高性能多通道同步輸出DA板卡，輔之以上下位機通訊機制及信號同步輸出軟件控制技術，依據CPCI控制總線計算機的強大計算性能，通過仔細劃分仿真幀時間及仿真幀數據量大小，較好地解決了仿真試驗所要求的多噪聲數據文件回放無縫銜接及巨量數據文件連續自動回放問題，使該技術在產品研制過程中得到了充分的應用。

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