KT8000在航天测控领域的应用
2009-06-30
作者：王迎春
为了保证航天设备在实际使用过程中的高可靠性，在航天产品生产成型后，都要经过严密的测试。在测试过程中，通过使用测试设备搭建测试环境，来衡量航天产品的功能和性能是否达到预期设计。如果没有高性能的测试设备以及齐全的测试软件的支持，就无法完成这一测试工作。
近年来，随着我国航天事业的突飞猛进，新型号的航天产品层出不穷。对航天产品的性能要求越来越高的同时，对测试设备的精度、性能和可靠性等要求也越来越高。随着计算机产品性能的增强，只要能够合理地搭建软件系统，选择合适的软件结构以及网络结构，以工控机为核心的测试设备的性能完全可以满足航天设备的高精度测试要求。
北京康拓工业电脑公司生产的KT8000系列自动测试平台，是随着计算机技术、网络技术、嵌入式技术以及各种软件技术的发展而出现的。平台采用大量成熟通用的工业控制软、硬件技术，包括信号匹配、被测对象模拟器、仿真算法、实验调度与管理、图形显示与分析、数据存储与处理等六大部分，具有实时性、通用性、模块化的特点，支持长时间、高速度、高精度的连续测试。
KT8000概述
KT8000系列自动测试平台的主要模块分为测试计算机、调度计算机、客户端显示计算机、数据服务器等。测试计算机完成数据采集、仿真运算、数据输出等功能；调度计算机完成对测试计算机上运行任务的控制功能；客户端显示计算机完成数据的图形化显示功能；数据服务器完成数据存储功能。KT8000系列自动测试平台的整体结构如图1所示。
KT8000系统的网络划分
在航天产品的测试过程中，网络的数据流量非常大，如果所有的数据都经由以一个交换机为核心的星形网络，则有可能造成数据的阻塞。将测试网络划分为测试网和管理网，可以有效地进行数据的分流，提高数据传输的可靠性和效率。
通过以太网，将整个测试系统网络划分为三部分。前台测试网连接了测试机、调度机和数据服务器，主要传送实时测试数据；后台管理网连接了客户端、数据服务器，主要进行实时测试数据和历史数据的传送；总控网提供了与外部控制网络连接的手段，主要传送外系统指令，在必要时可以与外系统搭建在一起进行联试。
KT8000系统的测试主机
测试主机的硬件结构
测试机是信号采集、数据采集、仿真运算的核心单元，对可靠性和稳定性要求很高。测试机采用自主研发的工业控制机，工控机采用后插针结构，保证了在搬运、振动后，测试机各板卡信号仍能与母板可靠连接。测试机采用具有X86架构的CPU板，并具有低功耗，无风扇的特点，使测试机满足了热设计要求，保证了整个系统可以长期、满负荷、可靠运行。
测试机I/O信号板卡采用了自主研发的通用工业高精度I/O板，保证了技术的成熟性，提高了板卡的可靠性，满足了整个测试机通用化、模块化、低成本的要求。测试机配备有专用调理箱，内部有各种专用调理板卡，负责连接各种星上信号，完成了星上非标准信号与标准信号的转换。调理箱和调理板具有极好的隔离特性，使测试设备与星上设备完全隔离开，从而保证了星上设备的绝对安全。
测试主机的软件结构
在航天产品的测试过程中，测试主机首先要保证实时性和可靠性。使用德国科维公司的KW软件可以很好地满足系统实时性和快速开发的要求。KW软件的核心软件包括编程系统（MultiProg）和控制引擎（ProConOS）。ProConOS在保证实时性的前提下，提供了最小为1 ms的时间颗粒度。作为核心测试单元的测试机软件结构如图2。
在测试机上运行ProConOS调度内核，在任务开发计算机上，通过MultiProg编程环境可以快速开发出测试任务，并通过以太网下载到核心测试机上，依托ProConOS进行调试和运行。
测试任务的开发
MultiProg是符合IEC-61131的编程环境，支持所有5种IEC-61131-3的编程语言。通过功能块图的方式可以方便地将仿真算法进行封装。MultiProg的开发环境如图3。
图3 MultiProg的开发环境
测试任务的调试
MultiProg支持全面的调试功能，例如：变量状态、用能量流表示的地址状态、联机修改、强制/覆盖变量、断点、单步、跟踪，以及用逻辑分析器记录变量值。这种方式保证了任何时候都可以得到控制过程的一个清楚的总览。变量可以通过其上下文菜单方便地插入到逻辑分析器和监视窗口，因此可直接用于进一步的处理，如：导入或导出配方以及逻辑分析器中的数据。由系统自动启动一个PLC仿真程序，即可测试所产生的程序。
测试任务的运行环境
通过MultiProg编写的测试任务在编译后，下装到测试机的ProConOS上运行。ProConOS IEC-61131 PLC控制引擎基于一个标准的多任务操作系统，支持抢占式多任务调度。它通过内置的专用于不同CPU平台的代码生成模块，保证了最短的执行时间。经过优化编译的本地代码，使得IEC应用程序可以具有纳秒级的运行效率。而且，16个优先级结构能够保证抢占式多任务调度的框架里总有足够的时间来处理控制系统与编程系统、OPC服务器以及调试等方面的通信。
KT8000其他的测试单元
在测试过程中，测试的数据要能够及时地进行存储，测试人员所关心的数据要能够实时进行显示，在必要情况下，测试人员还需要及时控制测试的流程。为了满足这两个重要的功能，需要划分出调度模块、数据服务模块和客户端显示模块。
调度计算机
在测试过程中，为了准确地控制测试流程，需要提供一个对在线运行任务进行控制的接口。测试机上运行的ProConOS对任务变量提供了OPC Server接口，可以通过这个接口来进行任务变量的读写，从而实现测试流程的控制。
调度计算机解决了在运行过程中使用MultiProg进行任务控制所存在的不直观的问题。通过将任务变量转译成实际的控制名称，测试人员可以直观地进行测试任务的控制。
数据服务器
数据服务器介于测试网和管理网之间，使用双网卡。主要满足大量数据快速存储和查询的要求。测试设备的数据量的特点是每包数据大小不会很大，但是由于测试周期很小，最小会达到几毫秒，所以测试数据的存储会非常频繁。一般的商业数据库在频繁入库上的性能都差强人意。
为了解决这个问题，就需要在数据服务器上进行数据的缓存，以一定周期或一定数据量分批次地进行入库保存。这样就能够极大地提高数据存储的性能，避免因为数据存储造成测试系统的瓶颈。
客户端显示计算机
客户端显示计算机要能够及时地以表格或图像形式显示测试过程中产生的重要数据。一般是以数据表格或动态曲线的方式进行显示。在满足实时数据显示的同时，也要能够对已经存储的历史数据进行回放显示。
KT8000系列测试平台是为了满足高可靠性、高实时性和高扩展性而设计的，在航天测控领域得到很好的应用。测试主机以工控机为核心，配套使用符合IEC-61131的编程开发环境，在保证实时性和可靠性的同时兼顾了编程环境的标准化。整个系统通过以太网进行数据的高速传输，保证了数据的吞吐量和可扩展性。通过测试流程的人机控制界面，可以方便地进行测试流程的控制。在满足数据高速存储的同时，可以实时地以表格、图表等方式查看在线和离线数据。
KT8000系列测试平台在航天测控领域的应用，只是其广阔应用的一部分。随着KT8000系统测试平台的进一步完善和推广，该平台在其他工业生产的测控领域拥有广阔的应用前景，并将发挥越来越大的作用。