嵌入式任务系统仿真器的设计与实现

论文摘要

系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。仿真(Simulation)就是通过建立实际系统模型并利用所见模型对实际系统进行实验研究的过程。最初,仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域,后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门,并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。可以说,现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统,特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。其应用范围在不断扩大,应用效益也日益显著。所谓系统仿真,就是根据系统分析的目的,在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上,建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型,据此进行试验或定量分析,以获得正确决策所需的各种信息。采用部分物理模型和部分数学模型的仿真。其中物理模型采用控制系统中的实物,系统本身的动态过程则采用数学模型。半物理仿真系统通常由满足实时性要求的仿真计算机、运动模拟器(一般采用三轴机械转台)、目标模拟器、控制台和部分实物组成。控制系统电子装置和敏感器安放在转台上。半物理仿真的逼真度较高,所以常用来验证控制系统方案的正确性和可行性,进行故障模式的仿真以及对各研制阶段的控制系统进行闭路动态验收试验。此外,用航天仿真器来训练航天员和用飞行仿真器来训练飞行员也属于半物理仿真性质,后者更着重于视景模拟和人机关系。以仿真计算机实现系统模型和以航天器计算机或控制系统电子线路为实物的闭路试验,也可认为是半物理仿真,这种仿真重点在于检验控制计算机软件的正确性或研究控制方式中某些功能和参数。半物理仿真的逼真度取决于接入的实物部件的多寡、仿真计算机的速度、精度和功能,转台和各目标模拟器的性能。通常对三轴机械转台的要求是精度高、转动范围大、动态响应快和框架布置不妨碍光学敏感器的视场。半物理仿真技术是现代控制系统仿真技术的发展重点。目前随着计算机技术,控制理论及信息技术的发展,仿真的新技术新方法也有了很大的发展,分布仿真是使用分布式仿真环境的一类仿真。分布仿真环境是由多台处理机连接而成的系统,它的软硬件资源采用分布控制和管理方式,以支持多个子仿真任务协调统一执行。但同时也增大了系统的规模和开发难度。针对上述问题,我们提出一种仿真系统结构,以方便的,高效的思想,以求降低开发难度、加速开发进度。在一些特定领域,对仿真系统的稳定性、可靠性有着极其严格的要求,在仿真过程因设备故障产生仿真过程的中断会带来重大经济损失。因此,我们设计研制一种具备实现系统模块的备份、切换及模块重构,具备较强容错功能,有效提高系统可靠性的嵌入式任务系统仿真器。嵌入式任务系统仿真器(以下简称DVME)具有主、备双通道,可实现系统模块的备份、切换及模块重构,具备较强容错功能,有效提高系统可靠性。系统具备较强的数据处理能力,可用于复杂多任务处理,具备自检测功能和余度管理功能。实现简单并联二余度系统,当主通道故障时可切换到备份通道工作。主、备通道同步功能。实现系统板卡级重构,当安装在VME母板上的某个功能板卡故障时,可利用备份资源替换故障板卡,实现系统重构。系统既支持外部输入信号单余度,由系统内部并联分为2路分别输入到2个余度通道,也支持每个余度通道独立的信号输入方式(即外部输入信号也是二余度的),两种输入方式可控。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 论文的研究背景及意义
• 1.3 本文研究的内容
• 第二章 系统组成及功能
• 2.1 系统组成
• 2.2 设计要求
• 第三章 组成模块选型及选型
• 3.1 母板及主处理模块
• 3.2 共享存储器光纤模块
• 3.3 智能I/O模块
• 3.4 电源模块
• 3.5 通道切换控制模块
• 第四章 主要模块硬件及逻辑设计
• 4.1 智能IO卡硬件及FPGA逻辑设计
• 4.1.1 智能IO卡硬件设计
• 4.1.2 PMC智能IO卡FPGA逻辑设计
• 4.2 VME-PCI载板硬件及FPGA逻辑设计
• 4.2.1 CARRIER板硬件设计
• 4.2.2 CARRIER板FFGA逻辑设计
• 4.3 1394B总线接口模块
• 4.4 通道切换控制卡设计
• 第五章 软件设计
• 5.1 程序描述
• 5.2 主、备通道功能
• 5.3 主备通道系统框图
• 5.4 主、备通道流程图
• 5.5 模块表管理组件
• 5.6 调度处理组件
• 5.7 系统监测组件接口
• 5.8 配置管理组件接口
• 5.9 自检组件接口
• 5.10 数据同步组件接口
• 5.11 周期同步组件接口
• 5.12 监控通道功能
• 5.13 监控通道流程图
• 第六章 子模块的设计与认证
• 6.1 子模块详细设计
• 6.1.1 主、备通道模块流程图
• 6.1.2 监控通道流程图
• 6.2 子模块的论证
• 6.2.1 主通道模块设计与论证
• 6.2.2 备通道模块设计与论证
• 6.2.3 监控通道模块设计与论证
• 第七章 系统测试及验收方法
• 7.1 验收要求及方案
• 7.1.1 测试机
• 7.1.2 RS422接口卡
• 7.1.3 ARINC429接口卡
• 7.1.4 DIO接口卡
• 7.2 验收方法
• 7.3 测试流程
• 7.3.1 I/C性能测试
• 7.3.2 切换和重构功能测试
• 第八章 系统设计总结
• 8.1 主、备通道模块设计总结
• 8.2 监控通道模块设计总结
• 8.3 系统优缺点比较
• 参考文献
• 致谢