基于某半实物仿真系统的VMIC实时网通信测试方法

摘　要：半实物仿真技术为导弹武器系统试验与鉴定提供了最优的手段，实时网是保证半实物仿真实时性的物理设备。本文介绍了VMIC实时网的工作原理和特点，在全面分析导弹半实物仿真系统需求的基础上，结合半实物仿真系统的特点和功能要求，对VMIC实时网的通信测试方法进行深入研究并详细设计测试软件。通过对测试结果的分析，能够为导弹半实物仿真系统的构建奠定数据基础。

关键词：半实物仿真；实时性；实时网；测试方法
引 言
　　实时仿真理论与支撑技术的典型应用场合之一是半实物仿真系统，所谓半实物仿真系统是指在仿真回路中接入部分实物的实时仿真。在对系统进行仿真时，必须要求仿真时间标尺与实际系统时间标尺相同。它不仅要求快速性，而且还提出了实时性的问题，因为计算机接收实时动态输入，输入与输出为具有固定采样区间的数列。例如，对导弹某分系统进行仿真试验时，仿真计算机与实际装置相连接，仿真计算机必须在与实际系统同步的条件下获取动态的输入信号并实时地产生动态的输出响应，因此就要求系统中各仿真机之间的数据传递具有强实时性。
　　目前传统的以太网络已得到了广泛深入的应用，但是由于以太网传输协议开销的不确定性，很难满足大型复杂系统的半实物仿真的需要。而反射内存光纤网络采用了先进特殊的技术，具备了很强的支持分布实时系统的数据传输能力，网络协议开销小，硬件延迟也很小，实时性强，因此成为半实物仿真分布实时计算机网络的首选方案。
1VMIC实时网工作原理及特点
　　VMIC实时网主要是由反射内存板通过光纤等高速网络传输介质连接而成的。在每个需要实时通讯的节点上插入共享内存网卡（节点卡），每块节点卡都有自己独立的局部内存，网上任何节点向本地局部内存写数据时，该数据和相应的局部内存地址将被广播到网上所有其他节点并存储在相同位置如图1所示。由于反射内存使用简单的读写方式，对CPU来说就相当于标准的RAM，而且反射内存的数据更新是通过硬件操作来实现的，网络延迟大大减小，保证了实时性。通过这种方式，所有的节点读写网络上的数据就如同读写本机内存上的数据一样快速方便，并且能透明并确定地传送中断、消息或者数据块到其它的节点。
　　由于实时网络是一个实时的、基于内存的网络系统，其所有的工作都是由硬件完成的，没有软件的开销，再加上采用光纤传输介质，因此可以达到数十兆字节的数据传输率和百纳秒级的数据传输延迟，更重要的是这种网络的传输延迟是确定和可以预期的，这是传统的以太网络技术所难以达到的。此外，通信协议简单、仿真主机负载轻、软硬件平台适应性强、支持中断信号的传输等特点也极大的方便了半实物仿真系统的构建。


     
  图1VMIC实时网工作原理图
2半实物仿真系统基本结构及原理
　　某导弹武器系统半实物仿真总体结构如图2所示。系统组成主要包括实时仿真计算机、仿真主控计算机、仿真模拟计算机、实时网络，导弹分系统等组成。其中，实时网络采用VMIC实时网，实时仿真计算机采用通用计算机+通用操作系统，仿真帧周期ms级。
　　其中，仿真模拟计算机用于在仿真试验中为导弹分系统提供实际的输入响应；仿真主控计算机完成系统管理和试验控制功能；实时仿真计算机在试验过程中接收导弹分系统的输出信息，对仿真模型进行实时解算，完成导弹系统的闭环仿真，并传送控制指令实时控制导弹分系统工作状态； VMIC实时网由反射内存卡、光纤和HUB组成，是各仿真节点间信息传输的高速通道，在仿真试验过程中实现数据的实时传递。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　图2系统总体结示意构图
　　实时仿真开始后半实物仿真系统依据实时仿真计算机仿真时钟和时统方式进行通信控制，实时仿真计算机严格按照帧周期实时控制回路其它仿真节点协调、有序地工作。满足仿真试验系统实时性要求的基本前提是各参试仿真设备的通信、解算、控制及相关操作都能满足系统实时性要求，在此基础上，实时仿真计算机精确控制仿真时间，并以数据驱动方式实时控制各仿真设备以仿真时间标尺同步递进。可以说，VMIC实时网是保证半实物仿真系统实时运行的关键设备，系统各节点通过实时网进行实时控制和数据传递，使仿真系统其它仿真设备严格按照仿真步长协调同步工作，以保证仿真系统工作的时间确定性和时序同步性。因此，研究、测试仿真系统实时网通信耗时，能够保证网络传输时间确定性，为系统一个周期内的时间片划分提供支持。
3VMIC实时网通信测试方法研究
　　实时网的数据传输是通过共享内存的方式是实现的，因此数据读写功能也是实时网的基本功能。根据系统的功能和实时仿真工作过程需求，需要对VMIC实时网的以下功能进行测试：中断响应功能测试、传输可靠性测试、传输速率测试。
3.1中断响应功能测试
　　中断响应是实时网的一项重要功能，制导回路就是通过中断响应的方式对帧周期进行控制的。中断响应是由发送方向其他一个或几个节点发送中断消息，其他节点响应中断后进行相关操作。
　　发送中断的函数为RFM2gSendEvent()，此函数可将指定的消息类型发送给指定的节点。响应中断的函数为RFM2gWaitForEvent()，实时网处于等待中断状态，等待中断触发。
　　在此项功能测试中还涉及到使能中断、禁止中断、查询中断和清除堆栈中断等功能，可以用实时网的函数加以实现。
3.2传输可靠性测试
　　实时网在数据传输过程中，具有极高的数据可靠性，对可靠性的测试主要是比较接收到的数据文件与原文件的数据进行一一比对，经过多次测试，以此来判断数据传输的可靠性。
　　客户端和服务端对数据文件进行读取，将文件当中的数据放到缓冲当中。测试开始后，客户端向服务端发送数据，服务端将接收的数据返回客户端，客户端将数据读出，并与缓冲内存当中的原数据进行比对，记录错误数据个数；服务端接收到客户端发送的数据后，将数据读出，与缓冲内存当中的数据进行比对，同时将接收到的数据发回给客户端。通过每个数据的对比，计算得出本次传输的误码率从而检测实时网数据传输的可靠性，进行多次循环传输进行测试。
3.3传输速率测试
　　传输速率测试主要是对实时网中断和数据的传输速率进行测试，通过客户端与服务端的中断和数据的传输时间进行计算，得出传输速率。传输速率的测试包括中断传输速率 的测试和数据的传输速率测试。测试过程中，程序时间采用高精度计时器，进程优先级选择实时优先级设置。
　　客户端开始计时，同时向服务端发送中断或数据，然后等待服务端发送确认消息，接到消息后结束一次计时，计算本次传输速率。服务端开始计时后，等待客户端的中断或数据，接收到中断或数据后结束计时并给客户端返回一个确认消息，计算本次传输的速率。测试可以进行不同数据包大小和多次测试，通过时间和数据量的记录，还能够计算出带宽等信息。
4测试结果与分析
4.1中断响应功能测试结果
　　中断响应测试设客户端和服务端进行测试，由客户端向服务端发送中断，并进行结果计算显示。
　　由客户端向节点编号为3的服务端发送不同类型的中断，右侧的信息显示为已经成功发送的中断，如图3所示。在服务端接收客户端发送的中断，右侧的信息显示为堆栈内已经接收的中断，和进行闭环测试的结果（RFM2g fibre Ring Loop is closed and intact!），图4所示。



    图3中断响应测试发送端显示图


　　

    图4中断响应测试接收端显示图　　
　　由测试得出结论如下：通过测试，客户端与服务端能够进行顺利的发送与响应中断，服务端可对自己节点内的中断堆栈进行查询和清除堆栈管理，尤其是清除堆栈管理，在半实物仿真系统中起到了关键作用。
4.2传输可靠性测试结果
　　传输可靠性测试是对传输的数据的准确率进行测试，由客户端向服务端发送数据并进行检验，并进行结果显示。
　　其中，客户端将文件数据读出放到缓冲区，数据包大小56Byte，然后向服务端节点发送数据包，并接收服务端返回的数据进行检验。在测试过程中进行多次测试，在设置的10000次发送当中，错误的数据传输为零，在其它更多次的测试条件下可靠性测试也保证了同样精确的可靠性。
4.3传输速率测试结果
　　（1）中断响应速率测试结果
　　中断响应速率测试进行节点间中断响应速率的测试，由客户端向服务端发送中断，并进行结果显示。测试结果如图5左侧所示。

                 
                 
　       
    图5传输速率测试结果图
　　经过测试，实时网节点间的中断响应速率非常快，对不同的中断类型软件测试速率为平均时间约36us，而且很稳定均方差约1us，传输速率稳定，满足试验实时性要求。
　　（2）单点数据传输速率测试结果与分析
　　单点数据传输速率测试用于测试实时网传递固定数据包的速度性能，由客户端向服务端发送固定大小的数据包进行测试。对某导弹武器系统半实物仿真过程中单节点的最大数据传输约为184Byte，本测试设置数据包大小200Byte，测试结果如图7右侧所示。
　　经过测试，实时网对固定数据包进行传输时传输大小200Byte的数据包用时约150us（其中包括用于中断响应的时间），均方差在10us以内，传输速率稳定，传输速率满足实时性要求。
5结束语
　　VMIC实时网作为半实物实时仿真的关键设备，为系统实时性的实现提供保障。本研究是基于Windows操作系统下，利用VC＋＋开发平台进行的通信测试。通过测试，系统中两节点之间传输200KByte大小的数据包耗时约110us，两节点之间进行中断响应耗时约37us，节点之间数据传输非常可靠，多次测试情况下误码率为零。在系统毫秒级帧周期内用于传输所占用的时间小于150us，能够满足半实物仿真系统实时性的要求。
　　
参考文献：
孔文华.利用放射内存网络构成分布式实时仿真环境.计算机仿真,1997.10