一種多型號(hào)航空衛(wèi)通嵌入式應(yīng)用軟件方案研究

奚煒弘

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

航空衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)、傳輸容量大、覆蓋面積大和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，是航空通信的一種重要方式。航空設(shè)備對(duì)尺寸和質(zhì)量都有嚴(yán)格的要求，所以通常使用嵌入式的軟件解決方案來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信功能[1]。

在同一個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)下，航空衛(wèi)通設(shè)備與地面衛(wèi)通設(shè)備相比：航空平臺(tái)接口標(biāo)準(zhǔn)多，功能需求不一致，導(dǎo)致無法設(shè)計(jì)成通用設(shè)備；裝機(jī)設(shè)備可靠性和安全性要求更加嚴(yán)格，使得項(xiàng)目的研發(fā)測(cè)試周期更長(zhǎng)。

本文從軟件模塊化方法、嵌入式應(yīng)用軟件特點(diǎn)分析和實(shí)際應(yīng)用等方面進(jìn)行研究，提出了一種多型號(hào)航空衛(wèi)通嵌入式應(yīng)用軟件的解決方案，有效地節(jié)約了研發(fā)成本、縮短了研發(fā)周期。

1 軟件模塊化

軟件模塊化是指將軟件自頂向下、逐步分解，將一個(gè)較大的程序按照功能分成獨(dú)立命名且可獨(dú)立訪問的模塊，不同的模塊通常具有不同的功能與職責(zé)，同時(shí)在這些模塊之間建立必要的聯(lián)系，通過模塊間的相互協(xié)作完成整個(gè)軟件的功能[2]。

軟件模塊化設(shè)計(jì)具有降低程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、提高代碼的復(fù)用性、易于功能維護(hù)和擴(kuò)展、保證系統(tǒng)穩(wěn)定性、有利于團(tuán)隊(duì)開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。軟件模塊化可以分為類封裝、庫封裝和分布式開發(fā)三類。

（1）類封裝。通過類將模塊定義為一個(gè)對(duì)象，該類里封裝了一個(gè)對(duì)象所有的數(shù)據(jù)和方法。通過private關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的隱藏，通過public關(guān)鍵字提供對(duì)外的訪問接口。

（2）庫封裝。將模塊的所有功能封裝成一個(gè)庫，庫內(nèi)部封裝了用到的所有數(shù)據(jù)和方法，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)過程不可見，對(duì)外接口提供調(diào)用的庫和頭文件。

（3）分布式開發(fā)。將每個(gè)模塊設(shè)計(jì)成可以獨(dú)立運(yùn)行的程序。當(dāng)部署在不同的設(shè)備上時(shí)，各模塊之間通過網(wǎng)口或串口等方式建立聯(lián)系；當(dāng)部署在同一個(gè)設(shè)備上時(shí)，各模塊之間通過本地套接字或內(nèi)存共享映射等方式實(shí)現(xiàn)建立聯(lián)系。

2 嵌入式應(yīng)用軟件解決方案分析

嵌入式軟件就是嵌入在硬件中的操作系統(tǒng)和開發(fā)工具軟件，其中的嵌入式應(yīng)用軟件是嵌入式操作系統(tǒng)中的上層軟件，實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備的主要功能和用途。與非嵌入式應(yīng)用軟件相比，具有以下特點(diǎn)。

（1）軟件規(guī)模較小，開發(fā)團(tuán)隊(duì)規(guī)模較小。

（2）開發(fā)調(diào)試周期短。嵌入式應(yīng)用軟件通常僅少部分調(diào)試工作可仿真，絕大部分的調(diào)試必須等硬件系統(tǒng)完備后才可以進(jìn)行。

（3）調(diào)試手段少，調(diào)試經(jīng)驗(yàn)要求相對(duì)較高。嵌入式調(diào)試工具部署相對(duì)復(fù)雜，且依賴嵌入式操作系統(tǒng)的支持。同時(shí)受到開發(fā)初期硬件或系統(tǒng)不穩(wěn)定性的影響，調(diào)試難度相對(duì)較大。

根據(jù)對(duì)嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)特點(diǎn)的分析，得出的結(jié)論是：所選擇的軟件模塊化解決方案對(duì)額外工作量容忍的上限較低；獨(dú)立性要求高，降低了開發(fā)門檻；復(fù)用性要求高，降低了開發(fā)調(diào)試周期。下面對(duì)三種軟件模塊方法的嵌入式適應(yīng)性進(jìn)行分析。

（1）類封裝。該解決方案為嵌入式應(yīng)用軟件的常規(guī)方案。當(dāng)項(xiàng)目單一時(shí)，該方案無額外工作量，模塊間的通信采用調(diào)用對(duì)象的方法，無須額外增加雙向的接口交互代碼。但當(dāng)項(xiàng)目較多時(shí)，缺點(diǎn)則十分明顯：

①工作量線性增長(zhǎng)。當(dāng)項(xiàng)目較多時(shí)，如果采用每個(gè)項(xiàng)目采用獨(dú)立軟件工程的方法，一旦封裝的類通用需求發(fā)生變化或出現(xiàn)BUG時(shí)，需要對(duì)每個(gè)軟件工程進(jìn)行重新修改調(diào)試。

②影響域線性擴(kuò)大。當(dāng)項(xiàng)目較多時(shí)，如果采用所有項(xiàng)目共用同一個(gè)軟件工程，通過宏定義或“if else”的方法加以區(qū)分，一旦某個(gè)項(xiàng)目的需求發(fā)生變化，在修改的過程中影響域可能會(huì)擴(kuò)大到其他項(xiàng)目。

（2）庫封裝。該解決方案的優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)模塊之間相對(duì)獨(dú)立，通過對(duì)外接口提供庫和頭文件。對(duì)同類型模塊開發(fā)，制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，需求變更時(shí)只需對(duì)庫進(jìn)行替換。缺點(diǎn)是增加了少部分對(duì)外調(diào)用接口的工作量。

（3）分布式開發(fā)方案。該解決方案的優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)模塊之間都非常獨(dú)立，當(dāng)需求變更時(shí)，只需對(duì)獨(dú)立的可執(zhí)行程序進(jìn)行替換，無須重新編譯和調(diào)試。但是缺點(diǎn)也非常明顯，模塊之間都需要開發(fā)一對(duì)或多對(duì)通信接口，增加了大量的工作量，甚至在某些功能較小的模塊中，通信接口的工作量超過了本身功能的工作量。

綜上所述，庫封裝的解決方案在嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)中明顯優(yōu)于另外兩種。但在實(shí)際的軟件開發(fā)中，受開發(fā)成本，項(xiàng)目復(fù)雜度等因素的制約，并不能簡(jiǎn)單選擇單一的某種方案，這里提出一種CLD嵌入式應(yīng)用軟件解決方案，將類封裝（C型）、庫封裝（L型）和分布式（D型）開發(fā)方式相結(jié)合。

3 CLD嵌入式應(yīng)用軟件解決方案的應(yīng)用

3.1 軟件簡(jiǎn)介

以S頻段某衛(wèi)星通信系統(tǒng)下航空衛(wèi)通項(xiàng)目中的主控軟件（簡(jiǎn)稱AP軟件）為例。在該系統(tǒng)平臺(tái)下，共有6個(gè)項(xiàng)目，AP軟件運(yùn)行在嵌入式Linux系統(tǒng)中，使用C++語言開發(fā)，承擔(dān)的主要工作是協(xié)調(diào)衛(wèi)通設(shè)備之間協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，最終完成航空衛(wèi)通的全部功能。設(shè)備連接全集如圖1所示。

圖1 設(shè)備連接全集

圖2 工程架構(gòu)

3.2 功能模塊分析

根據(jù)AP軟件的連接情況，將AP軟件劃分為10個(gè)功能模塊，但這10個(gè)功能模塊并不是所有的項(xiàng)目都使用，且單個(gè)功能模塊也配置好幾種ICD協(xié)議。與傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方案相比，采用CLD嵌入式應(yīng)用軟件解決方案，將大幅降低工作量，縮短開發(fā)周期。下面對(duì)依次對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行分析。

（1）本控設(shè)備模塊。該模塊對(duì)應(yīng)的設(shè)備為調(diào)試測(cè)試時(shí)的上位機(jī)，主要功能是提供對(duì)外調(diào)試接口，控制航空衛(wèi)通設(shè)備。6個(gè)項(xiàng)目使用，配置ICD協(xié)議1種，復(fù)用的概率較低，采用C型開發(fā)方式。

（2）顯控設(shè)備模塊。該模塊對(duì)應(yīng)的設(shè)備為正式使用時(shí)的上位機(jī)，主要功能是提供對(duì)外控制接口，控制航空衛(wèi)通設(shè)備。6個(gè)項(xiàng)目使用，配置ICD協(xié)議6種，需求改動(dòng)頻繁，復(fù)用的概率較低。采用D型開發(fā)方式，同時(shí)該模塊功能為本控模塊功能的子集，可采用本控設(shè)備的ICD協(xié)議與本控設(shè)備模塊通信，節(jié)約了部分接口開發(fā)的工作量。

（3）S頻段CP設(shè)備模塊。該模塊對(duì)應(yīng)的設(shè)備為下位機(jī)，主要功能是控制S頻段的衛(wèi)星通信。6個(gè)項(xiàng)目使用，配置ICD協(xié)議1種，復(fù)用的概率中等，受限于開發(fā)成本，采用C型開發(fā)方式。

（4）U頻段CP設(shè)備模塊。該模塊對(duì)應(yīng)的設(shè)備為下位機(jī)，主要功能是控制U頻段的衛(wèi)星通信。2個(gè)項(xiàng)目使用，配置ICD協(xié)議1種，復(fù)用的概率中等，受限于開發(fā)成本，采用C型開發(fā)方式。

（5）超短波設(shè)備模塊。該模塊對(duì)應(yīng)的設(shè)備為下位機(jī)，主要功能是控制超短波通信工作。1個(gè)項(xiàng)目使用，配置ICD協(xié)議1種，復(fù)用的概率低，采用C型開發(fā)方式。

（6）北斗設(shè)備模塊。該模塊對(duì)應(yīng)的設(shè)備為下位機(jī)，主要功能是控制北斗設(shè)備工作。2個(gè)項(xiàng)目使用，ICD協(xié)議為國際標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)用的概率高，采用L型開發(fā)方式。

（7）天線設(shè)備模塊。該模塊對(duì)應(yīng)的設(shè)備為下位機(jī)，主要功能是控制天線設(shè)備。6個(gè)項(xiàng)目使用，配置ICD協(xié)議2種，復(fù)用的概率一般，采用L型開發(fā)方式。

（8）變頻器設(shè)備模塊。該模塊對(duì)應(yīng)的設(shè)備為下位機(jī)，主要功能是控制變頻器設(shè)備。6個(gè)項(xiàng)目使用，配置ICD協(xié)議2種，復(fù)用的概率一般，采用L型開發(fā)方式。

（9）慣導(dǎo)設(shè)備模塊。該模塊對(duì)應(yīng)的設(shè)備為下位機(jī)，主要功能是接收慣導(dǎo)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給天線。6個(gè)項(xiàng)目使用，ICD協(xié)議6種，復(fù)用的概率一般，對(duì)外接口較少，采用D型開發(fā)方式。

（10）聲碼器設(shè)備模塊。該模塊對(duì)應(yīng)的設(shè)備為下位機(jī)，主要功能是控制聲碼器實(shí)現(xiàn)語音功能。6個(gè)項(xiàng)目使用，配置ICD協(xié)議2種，復(fù)用的概率高，采用L型開發(fā)方式。

3.3 工程實(shí)現(xiàn)

根據(jù)對(duì)A P軟件功能模塊的分析，完成A P 和LibModule兩大工程，其中LibModule工程實(shí)現(xiàn)L類模塊的靜態(tài)庫具體功能，考慮到復(fù)用性，從架構(gòu)上與AP工程平級(jí)。

在AP工程中，根據(jù)每個(gè)D型模塊都是獨(dú)立的可執(zhí)行程序的特點(diǎn)，分別完成3個(gè)子工程：Ias工程實(shí)現(xiàn)顯控模塊功能；Ins工程實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)模塊功能；Main工程集成了其余模塊功能。

在LibModule工程中，按照L型模塊的種類進(jìn)行分類，分別建立4個(gè)文件夾；根據(jù)每種不同的ICD協(xié)議分別完成各自的子工程，每個(gè)同類的子工程對(duì)外調(diào)用接口統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

在Main工程中，將每個(gè)項(xiàng)目中功能模塊的通用型分成5個(gè)部分：Ucp文件夾實(shí)現(xiàn)U頻段CP模塊的功能；Usw文件夾實(shí)現(xiàn)超短波模塊的功能；Beidou文件夾實(shí)現(xiàn)了北斗庫調(diào)用用的功能；Src文件夾實(shí)現(xiàn)本控模塊、S頻段CP模塊、變頻器庫調(diào)用、聲碼器庫調(diào)用的功能、天線庫調(diào)用的功能和慣導(dǎo)模塊內(nèi)部交互的功能；Lib文件夾存放所有的庫文件。

A P軟件的Makef ile分為內(nèi)部和外部?jī)煞N。內(nèi)部Makefile為6個(gè)項(xiàng)目所共用，通過ifeq和ifneq判斷項(xiàng)目，選擇項(xiàng)目所需要的功能模塊參并編譯；外部Makefile每個(gè)項(xiàng)目獨(dú)立編制，先將4個(gè)L型功能模塊拷貝到Mai n 工程下，再將項(xiàng)目名稱傳遞到內(nèi)部Makefile，最后調(diào)用內(nèi)部Makefile進(jìn)行編譯。

4 結(jié)束語

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展，航空衛(wèi)星通信逐漸成為航空通信的一種重要手段。本文對(duì)一種多型號(hào)航空衛(wèi)通嵌入式應(yīng)用軟件的模塊化解決方案進(jìn)行了研究，包括軟件模塊化介紹、嵌入式應(yīng)用軟件特點(diǎn)分析以及該方案在實(shí)際中的應(yīng)用。通過研究可以發(fā)現(xiàn)，該解決方案在多型號(hào)的航空平臺(tái)上的應(yīng)用確實(shí)可行，同時(shí)可有效地節(jié)約研發(fā)成本，提升軟件的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。■