基于UML的1553B通訊仿真在LabVIEW中的實現

（91550部隊 大連 116023）

1 引言

現代航空電子系統通常采用的是MIL-STD-1553B時分制指令/響應多路傳輸數據總線通信系統，它包括總線控制器（BC）、遠程終端（RT）、總線監控器（BM）及電纜等，是一種集中控制、分布式處理的系統［1～2］。為了保證通信系統正常運行，使系統在調試、互聯、檢測等過程中，對發生的故障、技術問題能夠準確定位、及時排除，需要一種能夠完成這種任務的檢測仿真設備。

LabVIEW是虛擬儀器概念的首創者，是美國National Instruments（簡稱NI）公司推出的一款圖形化軟件開發環境［3～6］。LabVIEW版本中首次引入了面向對象編程的思想，用戶可創建更易維護的代碼，令代碼的修改不影響應用程序中的其它代碼，也可用于創建用戶定義的數據類型［7～8］。

Unified Modeling Language（簡稱UML）是一種面向對象的建模語言，用來描述軟件從需求分析到實現和測試的全過程。它涵蓋了面向對象的分析、設計和實現，融合了早期面向對象建模方法和各種建模語言的優點，為面向對象系統的開發、軟件自動化工具與環境提供了豐富的、嚴謹的、擴充性強的表達方式［9～10］。UML 是由圖和元模型組成的。圖是UML的語法，而元模型則給出了圖的意思，是UML的語義。UML語言中的核心概念包括用例圖、用例、角色、協作圖、順序圖、狀態圖、類圖、組件圖、配置圖等。

本文基于UML采用面向對象編程的方法［11］，在LabVIEW中實現了某型號武器火控系統內部的1553B通訊仿真。其具有以下特點：

1）與面向過程的編程方法相比，極大地降低了模塊之間的耦合性，保證了不同模塊可以完全獨立的開發、測試、維護和升級；

2）LabVIEW與傳統的面向對象編程語言不同，它采用強大的圖形化語言（G語言）編程，面向測試工程師而非專業程序人員，編程非常方便，人機交互界面直觀友好，開發周期短，具有強大的數據可視化分析和儀器控制能力等特點。

2 體系結構

2.1 系統組成

某型號武器火控系統內部的1553B通訊系統由總線監控器（BM）、總線控制器（BC）和三個遠程終端（RT），通過1553B總線接口并經過總線介質互連而成，各自操作獨立，資源和功能則可通過網絡共享。其中，BC用來控制RT的接收和發送信息，BM負責接收總線上傳輸的數據，并截取選定的信息作為備份。

為了實現上述1553B總線通訊系統的功能，本文利用自行開發的某型號武器火控1553B綜合仿真系統和一塊QCP-1553板卡模擬BC，采用三片BU65170模擬RT。

2.2 軟件開發工具

本某型號武器火控1553B綜合仿真系統采用LabVIEW開發，利用該軟件中提供的面向對象的編程技術，用戶可以使用已創建的類和對象，也可以自己創建新的類和對象；同時可創建更易維護的代碼，令代碼的修改不影響應用程序中的其他代碼［12～13］。

2.3 硬件組成

本某型號武器火控1553B綜合仿真系統需要的硬件資源主要包括：一臺筆記本電腦、一個PCMCIA卡、兩根專用通訊電纜、一臺NI公司的PXI-1036機箱、一塊NI公司的PXI 8310板卡、兩塊Condor公司的QCP1553單功能板卡、兩根1553B通訊電纜和三片DDC的BU65170等。硬件資源的安裝連接示意圖見圖1所示。

3 設計思想

為了模擬BC的功能，某型號武器火控1553B綜合仿真系統需要通過1553B總線向每個RT發送控制命令和參數，實時接收并處理RT反饋的參數，并能監測總線上異常數據。該系統向每個RT發送8種類型的消息，接收RT反饋的12種類型的消息，所有消息的接收、發送和處理按照如下的設計思想實現。

圖1 硬件資源的安裝連接示意圖

1）廣播時間數據

通過1553B總線向每個RT廣播系統時間，所有RT均以該廣播時間作為自己內部的系統時鐘時間，廣播周期為512ms，廣播的時間精度為0.5ms。為確保廣播時間的精準，采用硬件中斷而非軟件定時的方式來計時；

2）發送控制命令

通過突發方式向RT發送一條系統維護命令和一條控制命令，這兩條命令之間的時間間隔為1s，在此時間內，1553B總線上禁止發送和接收任何消息；

3）廣播平臺參數

向RT廣播平臺參數，廣播周期為512ms；廣播的平臺參數用戶可以自定義，也可以隨機生成；

4）發送工作數據

以突發方式向RT發送工作數據，每條工作數據的長度最多為64字節，相鄰兩條工作數據的發送間隔最短為800μs；

5）發送長抱環測試數據

向RT發送長抱環測試數據，發送周期為512ms；

6）發送模式碼指令

向RT發送四種模式碼指令。其中，發送狀態字和啟動自測試以突發方式發送，發送矢量字的發送周期為32ms，發送BIT字的發送周期為1s；

7）顯示并回放接收的參數

接收、解析并保存RT發送給BC的各種工作參數，對接收的各種工作參數能夠實現多種方式的回放；

8）監控總線故障

對于RT中產生的通信故障和消息傳輸過程中產生的故障進行監控，這些故障包括無響應、校驗錯、格式錯和終端故障等，對于檢測出的故障應能通過界面實時顯示給用戶；能模擬各種通信故障，監測RT對錯誤的反應和處理能力；

9）異常報警

實時監測1553B總線上的異常參數和數據，對異常情況進行報警。

4 軟件設計

某型號武器火控1553B綜合仿真系統的軟件結構如圖2所示。

某型號武器火控1553B綜合仿真系統使用UML（統一建模語言）建立系統仿真模型，在詳細設計階段通過設計類圖來描述各個類的屬性、操作以及類與類之間的接口。該系統的軟件功能主要是由MessageType、SimOperation和AbnormalData三個類完成。

圖2 某型號武器火控1553B綜合仿真系統軟件結構

通過創建MessageType實例來增加、刪除或者修改總線上每條消息的序號、控制字、下一條消息的序號、命令字、消息間隔和消息內容等，實現總線上消息的任意修改。

通過創建AbnormalData實例，描述了總線上關鍵消息參數的名稱、數據類型、分辨率、顯示格式和轉換公式等，一旦總線上該關鍵參數產生異常，本系統會立即發出報警信號。

通過創建SimOperation實例，實現了對總線上各種消息的接收和發送，顯示和回放接收的各種工程參數，監控總線故障并對異常報警等功能。

此外，通過創建InterfaceRelation實例，定義了本仿真系統對各種消息的發送和接收關系。

某型號武器火控1553B綜合仿真系統的核心類如圖3所示。

完成了某型號武器火控1553B綜合仿真系統的仿真模型和系統設計類圖后，在LabVIEW中創建了 MessageType.lvclass、SimOperation.lvclass、AbnormalData.lvclass、InterfaceRelation.lvclass和 Data.lvclass，其中AbnormalData類是Data類的子類，兩者都包含了同名的Display.vi，該vi為動態vi。某型號武器火控1553B綜合仿真系統的項目類視圖如圖4所示。

圖3 某型號武器火控1553B綜合仿真系統核心類

圖4 某型號武器火控1553B綜合仿真系統的項目類視圖

5 關鍵技術分析

某型號武器火控1553B綜合仿真系統的交聯關系較為復雜，對總線上消息傳輸的實時性提出了很高的要求。由于總線上需要處理20種消息的接收和發送，尤其當不同長度不同周期的消息交替的接收和發送，同時存在異步數據需要處理時，處理難度異常的大。

解決上述問題的傳統方法是采用軟件定時的辦法，設置多個定時器，每條消息發送和接收的周期設置為定時器的定時周期。經過多次實驗證明，當總線上處理的周期消息的種類在10種以上，同時相鄰兩條非周期消息的發送間隔為1ms以下時，軟件定時1min會產生5s的誤差。因此，軟件定時的方法不能夠滿足系統的實時性要求。

為了保證1553B總線通訊的可靠性和實時性，避免出現消息遺漏和通訊延誤的現象，采用中斷技術，在每個消息傳輸結束，產生消息結束中斷，在中斷服務程序對傳輸完的消息進行處理。然而，Windows操作系統對中斷不開放，在Windows下開發中斷處理程序是非常困難的，Windows操作系統的非實時性，決定了在其下開發的程序的非實時性。但是，Windows提供了消息循環機制和線程機制，采用Windows的線程機制和QCP1553板卡的中斷機制相結合可以解決這個問題。

當一條消息運行結束時，QCP1553板卡產生消息結束中斷，QCP1553板卡將該條消息數據存儲到板卡的雙口存儲器中。在Windows應用系統中創建一個線程，該線程在平時處于“睡眠等待”狀態，當查詢到有中斷產生時，線程被“喚醒”，中斷服務程序對消息進行處理。采用Windows消息循環機制和板卡實時中斷機制相結合，保證了消息傳輸的實時性。實驗證明，在周期消息和非周期消息混合發送的前提下，非周期消息之間的間隔可以達到μs級。

6 結語

該套基于LabVIEW開發的某型號武器火控1553B綜合仿真系統自投入使用以來，能夠正確地組織消息進行傳輸，能夠對消息進行實時監控，并將消息實時地顯示給用戶，全面跟蹤系統的工作狀態，人機界面良好，為系統數據分析、故障定位、系統排故等提供了有力的支持，保證了某型號武器火控系統各項綜合試驗的順利進行。基于UML的某型號武器火控1553B綜合仿真系統稍加修改即可用于外場檢測，也可用于其它型號設備數據總線的檢測，具有良好的可擴展性。