舰船噪声数据连续回放技术研究＊

胡生国 朱 艳

（中船重工第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

在水雷目标探测系统研制的特定阶段，需要进行长时间或特定工况下的考核测试，基于特定的原因，有些考核可以在海上以实船方式进行，有些却不能，只能在实验室或以特定的仪器设备进行考核验证。为确保目标探测系统能经受严酷的考核试验，在实验室条件下必须预先对目标探测系统进行长时间、恶劣工况条件下的仿真试验考核。为提高仿真置信度，在研制的后期一般均是采用实航试验数据进行考核验证。受限于数据采集系统存储容量的限制，长时间特定工况下的连续噪声信号都是以一个个数据文件存在，在半实物仿真过程中，在将数据文件中的信号还原成实航条件下的信号时，将会出现输出信号是一段一段的，与实航条件下的状态不一致，导致仿真置信度大幅下降，失去考核作用。如何将多个数据文件以连续回放方式将信号还原出来，成为特定工况如台风条件下对系统进行考核的必然要求。本文采用上下位机方式，采用VxWorks实时操作系统，辅之以特定的软件控制流程，实现了多个数据文件连续回放的功能，回放的数据文件取决硬盘所能存储的最大容量，真正实现了长航程的考核，在半实物仿真试验中获得了成功的应用。

2 技术原理

在实航试验过程中，物理场数据采集系统将采集到的舰船噪声数据以定长的具有特定格式的数据文件存放，数据文件包含文件头，包头，帧头等，不同的文件名以时间段进行区分，相邻的文件名在时间上是相互衔接的，如某一个文件名为11.12.52.30.dat，数据时长为10min，则下一个文件名为.11.13.02.30.dat。在半实物仿真过程中，为了复现实航试验状态，要求数据文件以时间为序连续回放。为实现这一功能，采用上下位机的方式，上位机运行Windows系统，实现人机交互功能，下位机运行VxWorks实时操作系统，实现数据的读取及连续回放功能。首先将所有的待回放的数据文件全部拷入下位机的硬盘（在数据文件存放的过程中，文件不一定是按时间顺序进行存放的），在上位机上运行人机交互软件，将下位机所有的数据文件名提取并按时间顺序排序。仿真时首先通过人机交互软件选择待回放的第一个数据文件，通过网络方式传给下位的测控软件，下位机的测控软件在硬盘上找到对应的文件名，打开按帧方式读取数据并进行相应的操作，当数据文件读到数据末尾时，测控软件向上位机发送数据请求，上位机的人机交互软件取下一个文件名并传送给下位机，完成下一个文件的读取准备。为确保两个数据文件之间的无缝衔接，应充分利用硬件设备板卡如DA板卡上的动态缓存，通过软件流程控制，使动态缓存中的数据用完之前及时将新文件中的数据导入，保证两个数据文件之间的无缝衔接，实现数据连续输出。

3 系统结构

采用上下位机结合高性能DA板卡实现数据文件连续回放过程，系统组成结构图如图1所示［6］。

图1 仿真系统组成框图

系统由三部分组成：1）上位监控计算机，运行Windows操作系统，安装人机交互软件开发工具Visual Studio及VxWorks前端编译工具Tornado，完成仿真人机交互及仿真过程监控功能，与仿真计算机之间以网络连接，采用UDP／IP方式实现数据通讯；2）下位仿真计算机，CPCI总线架构，运行VxWorks实时操作系统及实时测控软件，硬盘中存放实航试验数据，完成数据解析，网络通讯，数据传输等功能，与DA板卡之间通过CPCI总线以DMA方式实现数据传输；3）多通道同步信号输出DA板卡，接收仿真计算机传输过来的数字信号，按照设定的通道及数据采样率将数字信号转变为模拟信号输出。

4 软件架构及工作流程

下位机实时测控软件采用多任务方式，其主要的任务如表1所示。

正常工作时，只运行任务3、任务4及任务5。软件流程的核心是围绕多通道同步信号输出DA板卡来进行流程划分，关键点在于DA板卡上的动态缓存的运用。

5 信号连续输出实现

连续输出技术主要涉及二个方面，一个是所采用板卡的数据存储格式，另一个是对板卡自身所带动态缓存的应用。数据存储格式决定多通道信号是否能正确输出，动态缓存则决定信号是否能连续不中断输出。

表1 实时测控软件任务

5.1 数据存储格式

多通道数据的正确输出取决于数据存储格式，对不同的硬件板卡，其数据存储格式不尽相同，首先数据存储格式要符合板卡本身数据采样的要求，对本研究已选定的 PMC－16AO－12－20221板卡而言，其数据的存放格式如表2所示。

其数据是按激活的通道数顺序存放的，每一个通道的同一序号的数组成一帧，每一个采样周期的触发脉冲将一帧数据取出，按相应的顺序发送到不同通道对应的DAC，当最后一个通道的数据到达时，所有通道的DAC同时触发，将数据发送出去。

表2 动态缓存数据存放示意表（激活3、6、8通道）

5.2 动态缓存的工作方式

同步输出板卡动态缓存的工作方式分为两种，一种为闭环方式，一种为开环方式［2］，其工作示意图如图5、图6。

图2 闭环缓存工作示意图

图3 开环缓存工作示意图

如图2所示，闭环缓存工作时，预先放入缓存的数据在采样时钟的作用下，其数据流有二个方向，其一为采样时钟将数据帧直接转向DAC，此为模拟信号输出通道，其二为转向DAC的数据同时被导向先前放入缓存的数据的末尾，变成了一个环形通道，动态缓存中的数据既没增多，也没减少。

如图3所示，开环动态缓存工作时，当从总线来的数据放入动态缓存后，一旦数据的采样时钟启动，其数据只有一个流向，即数据被采样时钟导向了DAC，缓存中的数据同步向前流动，缓存中的数据同步减少。

从图2、图3可以看出，为了防止数据输出中途出现断点，每一帧的数据首尾必须相接，在技术上，当一帧数据放入动态缓存时，其尾部自动出现一个EOF标识，每一帧数据放入时，其头部首先寻找EOF标识，然后在数据末尾按顺序排放，既防止数据出现断点，又可防止数据格式混乱。其工作示意图见图4。

图4 数据帧衔接示意图

5.3 中断控制

多通道同步信号输出DA板提供了七种中断源，如表3所示。

表3 DA板中断源

如表3所示，与动态缓存有关的中断有三种，分别为动态缓空中断，动态缓存1／4满中断及动态缓存3／4满中断，显然在仿真中选择动态输出缓存空是不可取的，因为必然会出现数据输出的断点。在另两种中断方式中选择何种中断方式与仿真系统的规划有关，与之有关的主要有仿真帧数据量，采样时钟频率，动态缓存的大小及CPU的计算速度，几种因素相互制约，需综合考虑。首先一旦DA选定，其动态缓存的总量就定下了，可以按1／2n来进行动态缓存划分，本研究中采用全动态缓存即128k，当采用1／4满中断方式时，即动态缓存中的数据少于32k时，DA板会发出中断请求，若采用3／4满中断方式时，动态缓存中的数据少于96k时会发出中断请求。采用这两种方式时分别有限制条件，当采用1／4方式时，要确保CPU在32k的数据被采样完之前计算完新的一帧数据并将其导入动态缓存。而采用3／4方式，要确保CPU计算出的一帧数据通过DMA导入动态缓存时，数据不溢出［1］。

5.4 数据文件间衔接控制

当一个噪声数据放完时，为了防止动态缓存中的数据出现空状态，必须在缓存中的数据放完之前放入下一个文件中的数据。为了实现这一功能必须充分利用动态缓存的1／4中断标识及1／4缓存容量，动态缓存示意图如下：

图5 动态缓存数据流向示意图

若动态缓存容量为128k，则1／4容量为32k，设采样时钟为50kHz，通道数为6，则从1／4缓存中断到数据放完所需时间为

在109ms内需要完成：1）关闭当前文件，向上位机请求下一个文件名；2）上位机响应请求，发送下一个文件名到下位机；3）下位机接收了文件名，并在硬盘中查找对应文件；4）打开文件，读出一帧数据并解析；5）将数据放入动态缓存。由于下位机采用VxWorks实时操作系统，主要的耗时在第2）步，经实测，采用千兆网主流配置的PC机其耗时约为20ms～50ms，完全能够满足要求。

6 试验结果

图6 模拟信号输出示意图

采用某实航试验数据进行测试，每个数据文件10个通道，约360M，80个文件，经过下位机实时回放软件的处理，多个数据文件能够顺畅连续回放，两个数据文件之间的信号无缝链接，经示波器观察无断点存在，回放的数据文件量取决于下位机硬盘所能存储的数据量。回放过程中反馈回上位机的数据图像如图6所示。

7 结语

采用VxWorks实时操作系统结合高性能多通道同步输出DA板卡，辅之以上下位机通讯机制及信号同步输出软件控制技术，依据CPCI控制总线计算机的强大计算性能，通过仔细划分仿真帧时间及仿真帧数据量大小，较好地解决了仿真试验所要求的多噪声数据文件回放无缝衔接及巨量数据文件连续自动回放问题，使该技术在产品研制过程中得到了充分的应用。

［1］PCI 9080Data sheet［M］.version 0.93February 28，1997：40－58.

［2］PMC－16AO－12USER'S MANUAL［M］.Rev：103000 30October 2000standard corporation.

［3］叶平贤，龚沈光.舰船物理场［M］.北京：兵器工业出版社，1992.

［4］蔡鹍，陈焕杰，周升阳，等.水雷引信技术［M］.北京：国防工业出版社，2012.

［5］张新宇，陈彬，等.HLA数据回放及其可通用性问题研究［J］.国防科技大学学报，2007，29（5）：104－110.

［6］胡生国，陈刚.基于VxWorks的数据采集及远程实时数据回放系统［C］／／宜昌：仿真学组2007年度论文交流，2007：165－171.

［7］刘灵，吴曼青，洪一，等.基于PCI总线的多板数据回放系统［J］.雷达科学与技术，2006，4（5）：317－322.

［8］李国梁，张歆，袁建平.基于PCI总线的数据采集与回放处理系统［J］.研发与开发，2006（4）：49－51.

［9］李小青，刘克刚，王皓.高精度数据采集与回放系的设计与实现［J］.电子技术，2004（7）：11－13.

［10］郭东文，金勇，樊秀云.基于CPCI总线的数据回放系统设计［J］.测控技术，2008，28：128－130.