運(yùn)載火箭通用發(fā)射軟件測試平臺設(shè)計*

丁芳頤，劉江

(北京航天自動控制研究所，北京 100854)

運(yùn)載火箭通用發(fā)射軟件測試平臺設(shè)計*

丁芳頤，劉江

(北京航天自動控制研究所，北京 100854)

詳述了一種基于外設(shè)組件互連標(biāo)準(zhǔn)(PCI)總線技術(shù)和可編程邏輯控制器(PLC)技術(shù)的運(yùn)載火箭通用發(fā)射軟件測試平臺，利用它可以脫離發(fā)射控制系統(tǒng)實物對發(fā)射軟件以及其發(fā)出的點火、緊急關(guān)機(jī)等時串進(jìn)行全面測試，模擬各種硬件故障和軟件故障，從而提高測試覆蓋性，保證發(fā)射的可靠性和安全性。

運(yùn)載火箭；通用；發(fā)射軟件；測試平臺；精確定時；可編程邏輯控制器

0 引言

點火控制組合是運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)地面測試發(fā)控系統(tǒng)的重要組成部分。它的主要功能為在收到點火指令后，發(fā)出發(fā)動機(jī)自動點火指令和緊急關(guān)機(jī)指令。而發(fā)射軟件則是點火控制組合的核心程序，發(fā)射軟件在收到“轉(zhuǎn)電”指令后，自主計時按照順序發(fā)出“點火”、“緊急關(guān)機(jī)”等一系列點火指令信號，控制發(fā)動機(jī)完成點火動作從而實施自動點火。因此，發(fā)射軟件的時序精度、脈沖寬度和順序都需要進(jìn)行準(zhǔn)確測試[1]。

由于發(fā)射軟件的可靠與否直接關(guān)系著火箭發(fā)射的成敗和人員的生命安全，因此它的可靠性和安全性要求尤為重要。如果沒有通用平臺則對發(fā)射軟件進(jìn)行測試時，必須啟動整套地面測試發(fā)控系統(tǒng)，這樣既造成了因受系統(tǒng)硬件環(huán)境的影響而不能盡快開展測試工作，又不能經(jīng)常不斷的對發(fā)射軟件進(jìn)行測試。因此必須開發(fā)脫離地面測試發(fā)控系統(tǒng)的獨(dú)立通用發(fā)射軟件測試平臺，以便能隨時對發(fā)射軟件進(jìn)行測試，從而達(dá)到暴露問題、改進(jìn)設(shè)計、提高發(fā)射軟件的可靠性、提高發(fā)射系統(tǒng)的綜合保障效率的目的。另外利用它通用發(fā)射軟件測試平臺還可以模擬各種硬件故障和軟件故障，進(jìn)行故障注入測試，從而考察在冗余系統(tǒng)環(huán)境中，發(fā)射軟件在各種故障情況下能否協(xié)調(diào)工作，輸出正確的點火時序和緊急關(guān)機(jī)時序，從而保證發(fā)射的可靠性和安全性[2-3]。

1 總體設(shè)計技術(shù)

1.1 總體要求

測試平臺總體的設(shè)計首先應(yīng)滿足完全模擬被測設(shè)備的測試需求。因此模擬地面測發(fā)控系統(tǒng)的真實設(shè)備將測試平臺的硬件設(shè)計為3套PLC冗余結(jié)構(gòu)，因此不但需要測量經(jīng)3取2表決電路產(chǎn)生的時串信號還需要單獨(dú)測量每個PLC分支輸出的點火時串信號，從而實現(xiàn)冗余分支的測試。輸出除了考慮模擬地面測發(fā)控的母線加電、地面轉(zhuǎn)電、點火發(fā)射等正常的測發(fā)控流程以外還需要模擬緊急關(guān)機(jī)和不同運(yùn)載型號切換等復(fù)雜的流程控制信號[4-5]。

另外由于點火時串的重要性，因此對點火時串的測量精度要求非常高，需要測量時串的輸出時間，脈沖寬度，時間記錄需要精確到1 ms,單次誤差要小于等于10 ms。測試結(jié)果還需要進(jìn)行實時的自動記錄、存儲、顯示，并可以通過第三方軟件對結(jié)果編輯、打印、查詢等；另外，系統(tǒng)還提供了彩燈顯示系統(tǒng)和筆錄儀外接系統(tǒng)，為軟件記錄的結(jié)果提供參照依據(jù)。

另外系統(tǒng)還設(shè)置了故障注入模式，可以人為設(shè)定單PLC或多個PLC故障，還可以設(shè)定某幾路輸入信號故障等故障模式，全面模擬在火箭發(fā)射過程中遇到的各種類型的故障，考核系統(tǒng)的可靠性。

1.2 整體架構(gòu)[6]

通用點火組合軟件測試平臺是由PLC測試箱，自研測試箱，控制機(jī)、專用測試電纜組成的，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示[7]。

PLC測試箱由3套PLC組成，運(yùn)行發(fā)射軟件，其軟件環(huán)境為GE公司提供的Versapro編程軟件，以循環(huán)掃描的方式執(zhí)行，其硬件環(huán)境為GE公司的PLC(可編程控制器)。該軟件的功能是當(dāng)發(fā)控臺檢測到PLC工作正常并具備轉(zhuǎn)電、點火條件時，按下轉(zhuǎn)電按鈕，使PLC發(fā)出轉(zhuǎn)電信號，牽動等信號；當(dāng)點火按鈕按下后，PLC按設(shè)定的時間發(fā)出點火時序信號和緊急關(guān)機(jī)信號，發(fā)射軟件為三重復(fù)冗余系統(tǒng)，采用3取2表決工作方式。3套PLC中可運(yùn)行相同或不同版本的發(fā)射軟件，更換PLC中的軟件版本就可輕松實現(xiàn)不同火箭系統(tǒng)的測試轉(zhuǎn)換[8]。

自研測試箱由穩(wěn)壓電源、開關(guān)和指示燈組成的，其主要功能是接收PLC信號進(jìn)行彩燈顯示筆錄儀記錄，提供供電和開關(guān)量控制信號。

圖1 通用發(fā)射軟件測試平臺系統(tǒng)原理框圖Fig.1 General launching software test platform system theory diagram

控制機(jī)一方面可以通過軟件程序?qū)LC的每路輸入信號的時間，順序等加以控制。從而實現(xiàn)不同方式的故障注入，另一方面，可對接收到的時串?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行采集，記錄，保存，編輯。并通過顯示器實現(xiàn)對點火時序的實時監(jiān)視，最后通過打印機(jī)打印結(jié)果?？刂茩C(jī)采用PCI板卡，包括I/O卡和2塊數(shù)字量接口卡，I/O卡將控制信號輸出到PLC點火時序中去，控制PLC的輸入，并且實時將PLC輸出的時串隔離輸入到工控機(jī)內(nèi)，從而實現(xiàn)對時串的采集和監(jiān)控。這樣軟件在編程時采用不同的輸入組合就可以模擬正常和各種異常狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集卡使用的是研華公司的PCI-1756 32通道隔離輸入/輸出卡和PCI-1754 64通道隔離輸入輸出卡，用以采集記錄時串時間并進(jìn)行測試，可以實現(xiàn)每路PLC的測試和三冗余后的信號測試，從而對冗余的分支以及數(shù)據(jù)差異性做出比較。軟件具有良好的人機(jī)交互軟界面來操作測試[9]。

2 軟件關(guān)鍵技術(shù)

由于運(yùn)載型號的測發(fā)控系統(tǒng)比較復(fù)雜，對人機(jī)交互圖像界面的要求非常高，并且同時還要運(yùn)行殺毒軟件、Office軟件、數(shù)據(jù)處理軟件等軟件。因此如果采用VXWork實時操作系統(tǒng)，則在圖形界面開發(fā)方面等方面難度較大，對其他軟件的安裝支持相對于Windows也較弱，因此測發(fā)控系統(tǒng)采用的Windows98操作系統(tǒng)。根據(jù)繼承性原則和盡量與實物一致的原則，發(fā)射軟件測試平臺也采用了Windows98操作系統(tǒng)。由于Windows98系統(tǒng)是一種實時多任務(wù)系統(tǒng),用戶可以同時運(yùn)行多個任務(wù),在集成化的操作環(huán)境中完成多任務(wù)需求;同時Windows98系統(tǒng)還是一種真正的32位操作系統(tǒng),提高了內(nèi)存管理能力和高速緩沖存儲器(Cache)的效率,有利于充分利用微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存資源,并使操作更為迅速與有效。同時Windows 98的運(yùn)行環(huán)境要求相對較低,在64 Mbit的內(nèi)存、較低端Pentium級CPU就可以使Windows 98正常運(yùn)行大型的應(yīng)用程序,而且對系統(tǒng)的整體開銷比較小,特別適合于需要精確定時的計算機(jī)系統(tǒng)。程序采用VC編寫程序和界面，由于測試要求的時間精度精確到±1 ms，因此在Windows操作平臺下實現(xiàn)精確軟件定時是該軟件需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.1 Windows下秒級定時的一般方法[10]

在Windows下解決定時問題的最簡單方法是使用其提供的計時函數(shù)KillTimer()，SetTimer()和TimerProc()。首先在程序中通過調(diào)用SetTimer函數(shù)向系統(tǒng)申請定時器消息，同時設(shè)定消息發(fā)送的時間間隔，Windows系統(tǒng)就會每隔一定時間向窗口發(fā)出一個WM_TIMER消息，不需要再定時處理時則調(diào)用KillTimer通知Windows系統(tǒng)停發(fā)消息，采用則種方法可以方便的在應(yīng)用程序中設(shè)置一個或多個定時時鐘，但是由于受系統(tǒng)時鐘的限制，定時器的最小間隔不能低于55 ms，所以不能解決精確定時的問題。

2.2 利用多媒體定時器實現(xiàn)毫秒級精確定時[11]

由于多媒體的需要,微軟公司在其多媒體Windows中提供了精確定時器的底層API支持。在它的多媒體擴(kuò)展庫MMSYSTEM. DLL中,提供了更高的定時器服務(wù)。利用多媒體定時器可以很精確地讀出當(dāng)前時間,并能在非常精確的時間間隔內(nèi)完成一個事件、函數(shù)、或?qū)^程的調(diào)用,該定時器的定時精度可以達(dá)到1 ms。在VC++中,對多媒體定時器的應(yīng)用主要通過以下函數(shù)來實現(xiàn):

(1) timeBeginPeriod()———建立應(yīng)用程序使用的定時器分辨率;

(2) timeEndPeriod()———清除前面用time-BeginPeriod()函數(shù)建立的最小定時器分辨率;

(3) timeSetEvent()———產(chǎn)生一個在指定的或時間周期間隔內(nèi)執(zhí)行的定時器事件;

(4) timeKillEvent( )———刪除前面用time-SetEvent()產(chǎn)生的定時器事件;

(5) timeGetDevCaps()———返回關(guān)于定時器服務(wù)能力的信息。

多媒體定時器對實現(xiàn)較高精度定時是比較理想的工具,其精度也十分可靠。但是,多媒體定時器的可靠精度是建立在對系統(tǒng)資源的消耗之上的,因此在利用多媒體定時器時必須注意在使用完定時器后一定要刪除定時器及其分辨率,否則系統(tǒng)會越來越慢。由于該方法采樣的最高分辨率為1 ms，因此誤差較大，在本系統(tǒng)中同樣不適用。

2.3 利用線程達(dá)到微秒級高精度定時的方法[12]

對于要求更高的計時系統(tǒng),VC++為Windows95及其后續(xù)版本提供了更精確的時間函數(shù),本程序在線程中采用了該時間函數(shù)的計數(shù)器作為定時使用，具體WIN32 API相關(guān)函數(shù)為QueryPerformanceFrequency()和QueryPerformanceCount()。

BOOL QueryPerformanceFrequency(LARGE_INTERGER * IpFrequency)。

該函數(shù)取得高分辨率新能計數(shù)器的頻率，IpFrequency表示變量指針，該變量值的每秒的計數(shù)被函數(shù)設(shè)置為當(dāng)前性能計數(shù)器的頻率[13]；

BOOL QueryPerformanceCount(LARGE_INTERGER * IpPerformanceCount)。

該函數(shù)取得高分辨率性能計數(shù)器的當(dāng)前值；IpPerformanceCount表示變量指針，該變量的值被函數(shù)設(shè)置為當(dāng)前性能計數(shù)器值；

函數(shù)的運(yùn)行原理是在進(jìn)行定時之前,先調(diào)用QueryPerformanceFrequency( )函數(shù)獲得機(jī)器內(nèi)部定時器的時鐘頻率,然后在需要嚴(yán)格定時的事件發(fā)生之前和之后分別調(diào)用QueryPer-formanceCounter()函數(shù),利用2次獲得的計數(shù)之差及時鐘頻率,計算出事件經(jīng)歷的精確時間。

由于本軟件要求定時間隔<1 ms ,而Windows系統(tǒng)是基于消息機(jī)制的系統(tǒng),任何事件的執(zhí)行都是通過發(fā)送和接收消息來完成的,在VC++中直接運(yùn)用Windows高精度定時器會導(dǎo)致在運(yùn)行時程序大量占用CPU時間和系統(tǒng)資源,出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。因此把調(diào)用Windows高精度定時器的控制程序放在線程中執(zhí)行,從而防止死機(jī)。

在這2個操作函數(shù)的基礎(chǔ)上筆者完成了計時設(shè)計，程序示例如下[14-15]：

myThread = CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)Data_Timer, &TParam,CREATE_SUSPENDED,&thread_ID);//產(chǎn)生線程

if(myThread==NULL)

{MessageBox("產(chǎn)生線程錯誤！", "提示信息框",MB_OK);}

else

{

SetThreadPriority(myThread,THREAD_PRIORITY_NORMAL); //設(shè)置線程優(yōu)先級

ResumeThread(myThread); //開始線程

}

if( !( QueryPerformanceFrequency(&frequency) ) )

{::MessageBox(NULL,"硬件不支持此高精度記數(shù)器!","錯誤信息",MB_OK);}

intervel = ( 50*(frequency.QuadPart) )/1000000; //這里可以設(shè)置基礎(chǔ)的計數(shù)值，如這里為50 μs

QueryPerformanceCounter( &begin ); //獲得當(dāng)前記數(shù)器值

while( TRUE )

{

QueryPerformanceCounter( &end ); //不斷獲得當(dāng)前新的記數(shù)器值

temp.QuadPart = end.QuadPart - begin.QuadPart; //新的記數(shù)器值-BEGIN記數(shù)器值

if( temp.QuadPart<0 )

{temp.QuadPart = temp.QuadPart + frequency.QuadPart;} //記數(shù)器值溢出處理

if( temp.QuadPart>=intervel )

{

begin.QuadPart = begin.QuadPart + intervel; //更新BEGIN記數(shù)器值

// 以下為數(shù)據(jù)采集及分析程序，每隔50 μs進(jìn)入一次

ptDioReadPortByte.port = 0;

ptDioReadPortByte.value = (USHORT far *)&gwValue0;

}

}

在本測試平臺中通過該定時方法成功地每隔50 μs從通道采集一次數(shù)據(jù)，滿足系統(tǒng)要求的1 ms精度。

3 故障注入

故障注入是人為在目標(biāo)系統(tǒng)中引入故障來加速系統(tǒng)失效，然后通過觀察系統(tǒng)在出現(xiàn)故障之后的行為反應(yīng)對系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評價的方法。運(yùn)載火箭通用發(fā)射軟件測試平臺的主要作用是驗證發(fā)射系統(tǒng)的軟硬件可靠性，點火組合平臺硬件采用硬邏輯3取2冗余設(shè)計，本身可抵消一度故障的影響。因此模擬各種故障并進(jìn)行注入，從而驗證系統(tǒng)及其各冗余分支的可靠性是其必不可少的功能之一。

一般來說，故障注入有基于硬件的故障注入和基于軟件的故障注入2種方式，本設(shè)備采用的是軟硬件結(jié)合的故障注入方式。模擬故障類型和方式如表1所示。

在實際測試中，系統(tǒng)參照上表模擬了一度故障和幾度故障相結(jié)合的方式，考核系統(tǒng)軟硬件的健壯性。在使用中驗證了系統(tǒng)一度故障無影響的設(shè)計，并對各硬件冗余分支進(jìn)行了測試，故障注入用于軟件應(yīng)例設(shè)置環(huán)節(jié)，達(dá)到軟件各分支測試覆蓋率100%，與原始設(shè)計期望值相符合，達(dá)到了故障注入的設(shè)計目的。

4 結(jié)束語

該通用發(fā)射軟件測試平臺簡便易用，僅更換PLC中的軟件就可實現(xiàn)不同火箭系統(tǒng)的測試轉(zhuǎn)換。目前已在某系列火箭測試中應(yīng)用，在實踐中取得了很好的效果。

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Design of General Launching Software Test Platform for Carrier Rocket

DING Fang-yi,LIU Jiang

(Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100854,China)

A general launching software test platform for carrier rocket based on peripheral component interconnection (PCI) bus and programmable logic controller (PLC) technology is introduced. It can be used comprehensively to test launching software and ignition time bunches, emergency cutoff time bunches, etc. without launch control System. It can also simulate a lot of software and hardware fault to improve testing coverage and ensure launching reliability and security.

carrier rocket; general; launching software; test platform; accurate timing; programmable logic controller(PLC)

2014-11-02；

2015-02-02

丁芳頤(1978-)，女，北京人。工程師， 碩士，主要從事運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)電氣綜合研究工作。

通信地址：100854 北京142信箱402分箱四室 E-mail：dbbei_2002@sina.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.04.030

V448.25+3

A

1009-086X(2015)-04-0178-06