衛星地面測試通用數據分析顯示系統設計與實(shí)現

作者 薛征 陳杭 蔣曉肖 上海航天控制技術(shù)研究所(上海 201109)

薛征(1984-)，男，碩士，工程師，研究方向：基于C#的衛星地面測試軟件研發(fā)與測試;陳杭，男，碩士，工程師，研究方向：基于C#的衛星地面測試軟件研發(fā)與測試;蔣曉肖，女，碩士，高級工程師，研究方向：C#的衛星地面測試軟件研發(fā)與測試。

摘要：衛星地面測試中，數據分析與顯示系統是與用戶(hù)交互的唯一界面。為了滿(mǎn)足多種型號衛星地面測試中的分析與顯示，本文提出了衛星地面測試通用數據分析顯示系統。該系統可以及時(shí)、有效地對所有的衛星姿控系統地面測試數據進(jìn)行分析和顯示，提高了用戶(hù)交互性和軟件的可擴展性。目前該通用分析顯示系統已應用于十余顆衛星地面測試中，并得到用戶(hù)的廣泛好評。

1 系統功能和主要特點(diǎn)

　　目前，國防和空間研究對航天衛星的功能及數量需求不斷增加，提供的測試任務(wù)也逐漸增多，過(guò)去以型號為主，不同型號、不同測試軟件的管理模式已不能滿(mǎn)足需求，衛星地面測試軟件的通用化已成為亟待解決的課題^[1]。

　　地面測試系統由控制軟件、分析顯示軟件、數據庫軟件等部分構成^[2]，不同型號新研或試驗過(guò)程中復雜度和變更最多的為顯示分析軟件。為縮短衛星地面測試研試周期，提出基于C#的衛星地面測試通用數據分析顯示系統，不需要修改源代碼前提下，實(shí)施于不同衛星型號。同時(shí)，使用者通過(guò)修改配置文件即可滿(mǎn)足一般性需求變更。系統功能和主要特點(diǎn)如下：

　　(1) 實(shí)現數據多種格式存儲及快速回放

　　支持Access、SQL Server類(lèi)型數據庫存儲，數據以16進(jìn)制源碼和有效解析數據兩種格式進(jìn)行存儲，存儲為SQL Server table和*. dat兩種文件形式。系統提供數據回放通道，可按時(shí)間選取特定變量進(jìn)行顯示，回放速率可調節，最高可達到原始傳輸速率的10倍速。

　　(2) 快速實(shí)現數據的采集、分析、顯示

　　采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò )異步接收的方式實(shí)現數據采集，保證數據的快速傳輸及正確性，支持多種數據源同步傳輸，并實(shí)時(shí)解析顯示，數據分析效率高，響應快，數據顯示延時(shí)率≤0.5ms。

　　(3) 支持多種協(xié)議格式、復雜數據類(lèi)型

　　該系統兼容多種協(xié)議格式，內部包含協(xié)議轉換器，可實(shí)現協(xié)議統一化。目前，在軌和在研多顆衛星的多樣化協(xié)議均可兼容。支持多種數據類(lèi)型的解析，如bit、byte、int、string、char、float、double和1750f^[4];內部包含多種函數公式，可完成簡(jiǎn)單線(xiàn)性、專(zhuān)用類(lèi)型轉換計算，也可完成多項式、查表法等復雜計算，有效地實(shí)現數據轉換。

　　(4) 高效性的界面設計

　　系統界面設計友好，人員獲得數據簡(jiǎn)便、準確，數據顯示方式多樣，同一數據可采用圖像、圖形、曲線(xiàn)、數值、容器等多種方式展示。變量定義配置支持在線(xiàn)編輯和線(xiàn)下編輯、在線(xiàn)導入兩種方式，頁(yè)面支持用戶(hù)自定義，可自由進(jìn)行頁(yè)面布局，曲線(xiàn)自定義縮放，并自動(dòng)保存。軟件提供源碼接收查看界面，可實(shí)時(shí)查看數據接收狀態(tài)。

　　(5) 通用化結構設計，可擴展性強

　　該系統整體框架設計清晰，采用模塊設計方式，對外開(kāi)放接口。配置靈活，采用excel、xml、config、ini等格式配置文件^[3]，不同項目?jì)H需更改項目相關(guān)的變量表，更新數據協(xié)議設置，即可完成項目切換，實(shí)現不同項目的實(shí)時(shí)應用，軟件通用化強。軟件模塊自定義深度可擴展，支持C#、Web Service、Test Stand等接口，可無(wú)縫擴展。

　　(6) 異常處理，提供問(wèn)題準確定位

　　軟件內部包含異常處理，容錯性好，對于常見(jiàn)配置異常及網(wǎng)絡(luò )通訊設計了界面反饋，能夠提供出明確的異常位置和異常類(lèi)型，方便用戶(hù)快速準確地定位問(wèn)題;有專(zhuān)用異常數據反查通道，出現顯示異常時(shí)，可快速定位硬件接口數據異常傳輸位置，加快試驗故障排查工作，提升效率。

2 系統結構

　　為適應不同型號和不同階段測試需求，設計了通用分析顯示系統。本系統采用模塊化設計，主要分為五大模塊：通用配置模塊、數據通信模塊、通用解析模塊、實(shí)時(shí)顯示模塊和數據存儲回放模塊;系統整體結構如圖1所示。

　　通用配置模塊實(shí)現不同型號的兼容性，通過(guò)統一的配置規則及配置接口文件，將不同型號的數據格式及具體波道數據表、函數處理方式等信息分解到xml、ini、excel格式配置文件中，并輸出為DataTable表格式。

　　數據通訊模塊實(shí)現數據快速接收，保證高速穩定性。

　　通用解析模塊實(shí)現協(xié)議轉換后數據的通用解析，通過(guò)調用通用配置模塊內輸出的DataTable表，通過(guò)模塊化函數處理，將16進(jìn)制數據計算轉化為符合用戶(hù)需求的數值類(lèi)型。

　　實(shí)時(shí)顯示模塊保證實(shí)時(shí)性，實(shí)現數據的多樣化顯示，如圖形、曲線(xiàn)、數值、容器方式等。

　　數據存儲回放模塊實(shí)現數據的實(shí)時(shí)存儲以及后期回放，存儲為SQL Server table^[6]和*. dat兩種文件形式，后期回放時(shí)，支持讀取SQL Server table中16進(jìn)制原始數據和dat文件數據，將數據在軟件界面內加速回放。

3 系統各模塊設計

3.1 通用配置模塊

　　配置模塊中主要操作的對象為二進(jìn)制文件，其后綴指定為.dat，因此，配置模塊的輸入和輸出均為dat二進(jìn)制文件。衛星地面測試時(shí)，數據復雜、排列多變，且伴隨有加密和解密過(guò)程。因此，通用顯示軟件配置模塊中的dat二進(jìn)制文件的格式以表的形式來(lái)定義，主要有波道表、類(lèi)型表、單機表、公式表、字節表、幀表等，每個(gè)表都有各自的屬性列，各個(gè)表之間的關(guān)系如圖2所示。

3.2 數據通信模塊

　　通信模塊的主要功能有實(shí)時(shí)接收數據庫的數據，事后從數據庫中提取大批量數據供數據回放。因此，該模塊提供兩種通訊方式，即通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接收數據即使用TCP、UDP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和通過(guò)ADO.NET^[7]大批量接收數據庫數據。

　　分析顯示軟件與數據庫之間為一對多的關(guān)系，當TCP通訊時(shí)，采用異步模式，主要考慮以下三種情況：一個(gè)數據庫軟件同時(shí)要與多個(gè)終端軟件進(jìn)行數據交互;做大型實(shí)驗時(shí)，存在數據量大和頻率高的情況;終端軟件需要分析的數據種類(lèi)比較多，如果采用同步模式，一旦一個(gè)終端軟件發(fā)生異常時(shí)，其它終端軟件將同時(shí)受到影響。當數據回放時(shí)，終端軟件與數據庫之間采用ADO.NET模式通訊，ADO.NET中最重要的特性是：它們是以斷開(kāi)連接的方式工作。目前，許多服務(wù)構建為連接一個(gè)服務(wù)器，檢索一些數據，再在客戶(hù)機上處理這些數據，之后重新連接服務(wù)器，把數據傳送回去進(jìn)行處理，ADO.NET的斷開(kāi)連接的本質(zhì)就可以實(shí)現這類(lèi)操作。

3.3 通用解析模塊

　　在通用解析模塊中，輸入為網(wǎng)絡(luò )接收的十六進(jìn)制字節數組、處理方式、參數、字節類(lèi)型，輸出為經(jīng)過(guò)公式處理的目標數據類(lèi)型(如int、float、double等)?？紤]到后期數據分析模塊的更改或數據分析方式需要添加的情況，在此模塊中采用設計模式——簡(jiǎn)單工廠(chǎng)模式，使用設計模式使得程序更加靈活、容易修改，且易于復用。

　　通用解析模塊采用簡(jiǎn)單工廠(chǎng)設計模式^[8]后的類(lèi)結構如圖3所示。其中，簡(jiǎn)單工廠(chǎng)類(lèi)中根據字節標志來(lái)決定實(shí)例化數據類(lèi)型的類(lèi);實(shí)例化類(lèi)為一個(gè)抽象類(lèi)，其中包含一個(gè)虛擬函數Result()，函數實(shí)體在具體類(lèi)中完成;4字節轉float類(lèi)繼承實(shí)例化類(lèi)，完成Result()函數的具體行為，將字節數組中其中4個(gè)字節轉化為浮點(diǎn)型數據輸出;同理，4字節轉二進(jìn)制類(lèi)將字節數據中4個(gè)字節轉為二進(jìn)制輸出，8字節轉double類(lèi)將字節數組中8個(gè)字節轉為雙精度浮點(diǎn)數輸出，8字節轉二進(jìn)制類(lèi)將字節數組中的8個(gè)字節轉為二進(jìn)制數據輸出。如果要往數據分析模塊中添加其他數據類(lèi)型轉化方式，只要在底層添加相應的類(lèi)庫，并繼承實(shí)例化類(lèi)，同時(shí)，在簡(jiǎn)單工廠(chǎng)設計類(lèi)中添加字節標志即可。

3.4 實(shí)時(shí)顯示模塊

　　利用面向對象的程序設計^[5]概念，將顯示模塊封裝為各個(gè)控件容器，其中包含文本控件、曲線(xiàn)控件、儀表控件。文本控件以表格形式顯示當前時(shí)刻的數據狀態(tài);曲線(xiàn)控件以曲線(xiàn)形式描述數據趨勢圖，含放大縮小功能;儀表控件以更形象化的圖形顯示各個(gè)波道數據，例如表盤(pán)、溫度計、柱狀圖、指示燈等。

3.5 數據存儲回放模塊

　　數據導出模塊的輸入為經(jīng)過(guò)數據分析模塊處理完成的數據表，輸出為用戶(hù)所選格式的文件。后期數據處理過(guò)程中，不同衛星試驗人員采用不同工具，因此，該模塊設計導出三種不同格式數據文件，即txt、excel和origin。

4 系統應用

　　整合上述5個(gè)模塊，形成通用分析顯示系統，通過(guò)讀取不同配置文件區分各衛星型號變量。操作主要為打開(kāi)主界面、新建子窗體、子窗體中添加各種控件、控件中添加不同變量等，結合模塊執行過(guò)程如圖4所示。

　　目前，本系統已應用于多個(gè)衛星型號中，以某衛星為例，首先根據衛星試驗人員提供的變量說(shuō)明表配置變量數據類(lèi)型、排序、公式、參數、解析方式等，配置完成形成統一配置文件;軟件讀入配置文件;試驗人員選擇顯示方式如曲線(xiàn)、文本、柱狀圖等;對應顯示方式上選擇需要顯示的一個(gè)或者多個(gè)變量;通過(guò)配置文件解析源數據，并將結果數據顯示。

5 結論

　　通用數據分析顯示系統理論上能夠支持絕大部分衛星地面測試分析顯示需求，并支持多顆衛星同時(shí)測試。目前，通用數據分析顯示軟件已經(jīng)在多個(gè)衛星型號中實(shí)際使用，因其操作簡(jiǎn)便、用戶(hù)界面友好、運行穩定可靠而受到試驗人員的廣泛好評。不同衛星型號地面測試采用同一顯示分析軟件，避免軟件設計人員重復開(kāi)發(fā)，節省試驗人員熟悉全新軟件時(shí)間，對縮短衛星地面測試研試周期有著(zhù)重大意義。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第6期第66頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。