硕士中期报告模板

硕士论文中期报告（田野）基于vxworks的卫星半物理仿真中的通信一、研究内容概要：借助vxworks嵌入式操作系统平台，实现卫星半物理仿真中的通信问题。

半物理仿真各个阶段涉及嵌入式星载计算机之间的通信、星载计算机和各个外部系统之间的通信、系统中执行和测量部件的控制和信息反馈等，是从系统级、分系统到部件级的层次机构，其中通信机制发挥了建立其间联系的基础性作用。

主要包括：通信机构的设计、通信协议的选择和统一、通信接口的编制以及底层通信设备驱动程序编写等内容，以期最后参与到卫星地面半物理仿真试验系统的整体试之中。

二、开题后主要完成的研究工作：1、飞轮和陀螺数据通信1.1相关硬件及软件环境：pc计算机、PCI1710数据采集及转换卡、实际飞轮和陀螺；vxworks操作系统及其编译环境Tornado、matlab的rtw实时工具箱；1.2实验目的和意义：飞轮是卫星的执行机构，根据“动量守恒”原理来控制卫星的姿态，它的精度、速度和控制效果好坏直接影响到卫星的姿态精度和稳定性，本项目中主要使用的是零动量反作用飞轮来实现姿态三轴稳定。

陀螺是卫星的测量部件，本项目中采用德国的微型激光陀螺，通过对三个方向角速度的测量向卫星提供姿态数据。

1.3实现原理和步骤：1、按照仿真框图（图1-1）在matlab的simulink中建立飞轮测速的模型，包括控制部分（发送控制指令）、s函数（对PCI1710采集卡进行读写操作以及利用采集卡进行脉冲计数）、显示对比部分（图1-2）;2、使用matlab的tornado编译工具将simulink模型转化为在vxworks运行的代码，通过tornado和目标机的交叉编译环境下载到目标机的vxworks操作系统下；3、在vxworks操作系统下运行代码，给飞轮提供一个控制信号，然后得到飞轮的转速、转向和力矩等信息，通过matlab外部模式实时观察数据。

飞轮的角速度信号是通过PCI1710卡的计数器换算得到的；4、模型运行300秒后，得到数据文件wheel.mat。

绘出控制力矩和输出力矩的曲线（图1-3）。

图中平滑的曲线是控制力矩，前100秒为-0.8，后500秒呈正弦规律变化。

带有噪声的曲线是飞轮的力矩曲线，由于该飞轮是一个性能不是很好的产品，只能用于地面的初期试验阶段，所以在控制力矩变向的时候产生了较大的噪声，这是十分正常的。

图1-是误差图，从图中看出输出力矩和控制力矩平均误差不是很大；5、陀螺的测试方法与上面飞轮测速类似。

图 1-1 反作用飞轮仿真系统框图 Figure 1-1 Reaction wheel simulation system图 1-2 飞轮测速Simulink 模型Figure 1-2 Measure velocity model of wheel图1-3 控制力矩与输出力矩Figure 1-3 Control torque and output torque图1-4 误差曲线Figure 1-4 Error curve diagram2、vxworks下的网路通信2.1相关硬件及软件环境：pc计算机、ne2000网卡、RS485串口PCI接口卡、vxworks操作系统及其编译环境Tornado、matlab的rtw实时工具箱；2.2实验目的和意义：利用TCP/IP提供的端到端的传输能力在位于不同主机上的任务间传输用户数据，其中一种方式就是使用socket（套接字），本项目中需要在仿真计算机中增加网络传输功能，以便以较快的速度通过网络把各种实时仿真数据传出，网络上其他计算机接收到实时数据后可以进行实时显示、计算以及实现三维卫星模型的实时数据驱动。

因为数据量很大，串口无法满足要求，网络协议可靠快速，是良好的选择。

2.3实验原理：1、宿主机是集成编译环境，把运行在各计算机上的任务代码编译后通过网络下载到各台计算机（图2-1）；2、控制计算机（即星载计算机）和动力学仿真计算机各安装一块PCI串口卡PCI1612，通过485串口组成闭环结构实现实时控制（图2-1）；3、动力学仿真计算机利用网络将动力学仿真数据通过socket发出，宿主机利用VC程序通过socket接收数据，并将其转换为符合STK接收要求的数据格式，发向STK 演示机（图2-1）；4、STK演示计算机接收仿真数据并实时驱动STK动画显示（图2-1）。

图2-1 半物理仿真系统结构图Figure 2-1 Semi-physical simulation system structure2.4实现步骤：1、在simulink动力学模型中编写有关网络通信的s函数模块socket_net，在其中调用vxworks代码编程实现socket的服务器端，等待客户端申请建立连接后把实时仿真数据由网络传给客户端（图2-2）；2、在宿主机中用VC实现socket数据接收，作为客户端。

服务器端首先运行，等待客户端连接。

在服务器端和客户端实现面向连接的socket接口的流程如下图（图2-3）：图 2-2 仿真系统模型 Figure 2-2 Simulaton system block服务器新连接图 2-3 面向连接的socket 应用框架 Figure 2-3 Sock_stream application frame3、STK软件下的卫星实时数据驱动演示3.1实验原理：STK提供实时数据驱动接口，可以动态实时的根据数据显示卫星模型的各种状态，使用STK/VO组件。

按照组件的接口程序实现数据接收和发送。

软件分为两部分：发送方和接收方，他们之间通过网络IP地址来锁定。

3.2实现步骤：1、在宿主计算机中VC编程实现数据接收网络客户端，在这个程序开始阶段包含对STK演示计算机的初始化：1）设定STK计算机的IP地址和端口号，以便建立连接；2）程序选定需要数据驱动的对象，如卫星姿态、轨道等；3）给STK中需要数据驱动的对象设置初始值；4）启动STK/A VO，等待实时数据到来；2、在VC接收程序中实现把仿真计算机中的数据转换为STK可以识别的格式，并向初始化时建立的接口发出；3、STK演示计算机实时接收数据，观察直观的动画演示（图3-1）。

图3-1 STK/A VO视图Figure 3-1 STK/AVO view4、利用matlab的TLC文件实现实时仿真的中断服务程序接口4.1硬件和软件环境：pc计算机、pc机8250芯片的RS232串口，硬件连接结构如图（图4-1），vxworks 操作系统及其交叉编译环境他Tornado、matlab的rtw组件中的tornado和matlab接口；图4-1 matlab中断系统结构图Figure 4-1 matlab interrupt system structure4.2实验原理分析：1、在仿真计算机上的动力学仿真模块需要实时接收来自控制计算机的控制指令来修正其参数，同时把仿真的状态数据传给控制计算机来根据偏差计算下一步的控制指令，这就需要动力学仿真计算机有实时接收数据的能力，即相应中断的能力；2、而在动力学仿真模型是matlab的simulink下生成的固定步长的程序代码，即每隔一定时间周期执行一次动力学计算，不能实时接收控制指令，会引起控制指令丢失，因此需要引入中断模式；3、在matlab的rtw组件中提供了一个专门面对vxworks的接口模块Async Interrupt（异步中断模块）（图4-2），使其能在定步长仿真同时产生接收数据中断，在ISR中进行控制数据的接收以及状态数据的发送，即中断模块和动力学仿真模块是相互独立运行的，不会因为仿真的定步长而影响接收数据的实时性；图4-2 matlab的rtw中的异步中断模块Figure 4-2 matlab rtw asynchron interrupt module4、还需要一种机制来联系ISR中的数据和动力学仿真中的数据，使之能进行交换；5、而Async Interrupt（异步中断模块）默认是为VME总线中断提供的模块，和其他中断在中断号、中断机制等方面有所不同，这就需要更改和Async Interrupt（异步中断模块）有关的程序；6、 Async Interrupt （异步中断模块）的程序包括两部分：一是与输入参数有关的s 函数：vxinterrupt1.c ，一是与自动代码生成有关的TLC 文件：vxinterrupt1.tlc ，它们都在:\MATLAB7\rtw\c\tornado\devices 文件夹下； ７、由于最后运行的代码是由RTW 自动程序创建过程来生成的，所以类似ISR.c 的源文件无法直接加入到最后要下载的目标代码中，而是通过RTW 的自动程序创建过程动态加入的，这就需要更改TLC 文件。

4.3 rtw 中TLC 文件介绍：RTW 提供了一个实时开发环境，这个实时环境将MATLAB 与Simulink 连接为一个整体，并在这个基础上提供了从系统设计到实现的方法和简单易用的接口。

RTW 还提供了TLC 来扩充自己的功能。

通过使用TLC ，可以修改、优化RTW 生成的C 程序，扩充RTW 的功能，比如，硬件驱动程序与硬件有关，随系统改变而改变，就需要利用TLC ，生成相应的驱动程序。

TLC 文件是在rtw 的自动程序创建过程中调用的。

ＴＬＣ文件是一种生成程序的文件。

在本项目中，就需要改写vxinterrupt1.tlcRTW 自动程序创建过程能在不同主机环境下生成用于实时应用的程序，该创建过程使用高级语言编译器中的联编实用程序，来控制所生成源代码的编译和链接过程。

RTW 使用一个高级的M 文件命令控制程序创建过程，默认命令是make_rtw 。

RTW 的自动程序创建过程如图（图 4-）所示。

用户开发的模型和模板联编文件自动的程序创建过程可执行的C语言程序make_rtw.m图 4-3 RTW 的程序自动创建过程Figure 4-3 RTW automatic program building process4.4实现步骤：1、探索性的运用matlab 中的全局变量和局部变量解决了动力学仿真数据（s 函数中）和中断服务程序ISR （TLC 文件中）之间的数据联系、存储和传递问题，忽略了细节的数据传递关系如下图（图 4-）：动力仿真学模型动力学仿真计算机上的接收发送s函数 r_s.cTLC文件控制计算机控制程序ffr_gnc.c图4-4 控制计算机与动力学仿真计算机及其动力学仿真计算机内部的数据传递关系2、将中断模块加入到原动力学仿真模块中，修改vxinterrupt1.c 和vxinterrupt1.tlc文件，在vxinterrupt1.tlc中加入ISR（中断服务程序），修改vxinterrupt1.c是为了使得原本为VME总线设计的Async Interrupt模块可以响应任何挂接上去的中断，在控制程序和ISR的接收发送程序中要注意波特率和数据传送结构的一致性；3、在Async Interrupt模块参数设置对话框中配置参数来挂接串口中断，使得仿真计算机中的模块可以产生接收数据中断（图4-）；图4-5在Async Interrupt模块参数设置对话框中挂接串口中断4、在simulink中build下载仿真模块到动力学仿真计算机，控制程序下载和控制计算机上；5、运行仿真程序，在simulink中通过外部模式观察各种参数的控制效果，（图4-）为带有中断模块的动力学仿真模型，（图4-）为通过记录数据得到的部分仿真控制结果：如星体控制角速度曲线。