雷達(dá)操控顯示終端作為雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，用于雷達(dá)空情目標(biāo)顯示、數(shù)字原始視頻顯示、雷達(dá)控制、系統(tǒng)監(jiān)測等，隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和多功能需求的日益增強(qiáng)，將雷達(dá)的實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)處理等實(shí)時(shí)應(yīng)用集成在雷達(dá)的操控顯示終端中已日益成為趨勢，用戶的界面審美需求也對(duì)終端的圖形加速、多媒體以及三維場景的顯示性能提出更高的要求。目前，國內(nèi)外的雷達(dá)操控顯示終端產(chǎn)品很難同時(shí)滿足上述要求。通常實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為保證其實(shí)時(shí)性，對(duì)圖形的支持能力都較弱，一般只支持簡單的圖形顯示，目前尚沒有一款獨(dú)立的操作系統(tǒng)能夠既滿足實(shí)時(shí)性要求，又為用戶提供強(qiáng)有力的圖形處理支持。

為了兼顧雷達(dá)操控顯示終端的實(shí)時(shí)性能和強(qiáng)勁的圖形顯示能力，本文提出了一種在嵌入式Window XP(XPE)中基于INtime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的雷達(dá)實(shí)時(shí)操控顯示終端設(shè)計(jì)方案。終端采用通用PC硬件平臺(tái)，利用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)INtime的實(shí)時(shí)性完成雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理任務(wù)，同時(shí)充分利用Windows操作系統(tǒng)強(qiáng)大的圖形界面功能，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)、狀態(tài)、原始視頻、電子地圖等顯示功能。

1 INtime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)介紹

INtime是TenAsys公司為滿足Windows平臺(tái)上硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)嚴(yán)格的響應(yīng)時(shí)間要求而開發(fā)的一個(gè)實(shí)時(shí)子系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

INtime實(shí)時(shí)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)啟動(dòng)加載Windows操作系統(tǒng)時(shí)同時(shí)被加載，共享相同的CPU和中斷硬件，但在其他方面相互獨(dú)立。當(dāng)實(shí)時(shí)活動(dòng)必須發(fā)生時(shí)，計(jì)算機(jī)上下文將切換到該實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這些活動(dòng)完成后，計(jì)算機(jī)上下文將切換回Windows操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)進(jìn)程運(yùn)行在INtime內(nèi)核上，非實(shí)時(shí)進(jìn)程運(yùn)行在Windows內(nèi)核上。INtime為Windows進(jìn)程提供了擴(kuò)展函數(shù)庫(NTX API)，使Windows進(jìn)程能夠共享在實(shí)時(shí)內(nèi)核上創(chuàng)建的對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)Windows進(jìn)程和INtime進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)共享和同步。

INtime內(nèi)核提供了一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的搶先式多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，可支持256個(gè)線程優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的線程優(yōu)先調(diào)度執(zhí)行，同一優(yōu)先級(jí)的線程采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法。通過對(duì)線程賦予不同的優(yōu)先級(jí)，嚴(yán)格保證各個(gè)任務(wù)的先后執(zhí)行次序。在進(jìn)程通信和同步方面。INtime通過共享內(nèi)存與Windows進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過信號(hào)量進(jìn)行進(jìn)程的同步控制。INtime內(nèi)核提供了高精度的系統(tǒng)計(jì)時(shí)器，最高精度達(dá)100μs，可滿足大多數(shù)要求苛刻的應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)性要求。INtime支持多處理器系統(tǒng)，可以劃分出一個(gè)處理器為INtime操作系統(tǒng)及其實(shí)時(shí)進(jìn)程專用，提高了系統(tǒng)的可靠性。INtime還提供了與Windows環(huán)境兼容的實(shí)時(shí)編程接口，支持Win32的API，實(shí)現(xiàn)了一套實(shí)時(shí)擴(kuò)展函數(shù)，通過VC++編譯環(huán)境開發(fā)，具備良好的實(shí)時(shí)調(diào)試器。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

雷達(dá)實(shí)時(shí)操控顯示終端是一個(gè)集實(shí)時(shí)通信、控制、數(shù)據(jù)處理及顯示的綜合多任務(wù)系統(tǒng)，既有實(shí)時(shí)性要求很高的雷達(dá)設(shè)備控制、跟蹤數(shù)據(jù)采集和跟蹤數(shù)據(jù)處理等任務(wù)，又有實(shí)時(shí)性要求較低的數(shù)據(jù)管理，狀態(tài)控制，雷達(dá)目標(biāo)、數(shù)字原始視頻、電子地圖顯示等任務(wù)，所以在系統(tǒng)結(jié)

構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，把實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù)分開運(yùn)行。實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn)行在INtime內(nèi)核中，主要完成對(duì)跟蹤雷達(dá)分系統(tǒng)、光電跟蹤分系統(tǒng)的跟蹤數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和處理。根據(jù)處理結(jié)果實(shí)時(shí)控制跟蹤伺服分系統(tǒng)，并將跟蹤天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，以達(dá)到跟蹤功能，同時(shí)完成與非實(shí)時(shí)進(jìn)程的數(shù)據(jù)同步。非實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn)行在Windows內(nèi)核中，主要完成雷達(dá)分系統(tǒng)非實(shí)時(shí)的狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)顯示，同時(shí)完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等管理，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

雷達(dá)操控顯示終端在硬件選型上，選用加固一體計(jì)算機(jī)，為更好地發(fā)揮計(jì)算機(jī)的圖形處理能力，計(jì)算機(jī)顯卡具備2D/3D硬件加速能力。 CPU選用Intel酷睿雙核，并將INtime配置成獨(dú)占模式，即INtime獨(dú)自占用一個(gè)CPU核運(yùn)行實(shí)時(shí)進(jìn)程，Windows占用另一核，這樣可提高系統(tǒng)的穩(wěn)控性和實(shí)時(shí)性。終端計(jì)算機(jī)內(nèi)置一塊定時(shí)接口板，用于產(chǎn)生雷達(dá)系統(tǒng)同步時(shí)鐘，板卡通過PCI總線向終端計(jì)算機(jī)提供時(shí)鐘中斷信號(hào)。終端與雷達(dá)其他分系統(tǒng)之間的通信通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。

為保證系統(tǒng)的健壯穩(wěn)定，Windows操作系統(tǒng)采用裁剪的嵌入式XPE操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成基于休眠方式啟動(dòng)、內(nèi)存保護(hù)方式運(yùn)行模式，既保證了系統(tǒng)的快速啟動(dòng)，又保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。關(guān)于XPE操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已有較多文獻(xiàn)資料參考，本文將不做詳細(xì)介紹。

3 終端軟件設(shè)計(jì)

終端軟件采用VC++開發(fā)，基于上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，軟件主要包括INtime的實(shí)時(shí)進(jìn)程和Windows的非實(shí)時(shí)進(jìn)程，各進(jìn)程根據(jù)任務(wù)需求劃分相應(yīng)的任務(wù)和功能模塊，軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.1 INtime進(jìn)程

INtime實(shí)時(shí)進(jìn)程在INtime內(nèi)核中運(yùn)行，根據(jù)其功能劃分主要包括系統(tǒng)定時(shí)功能模塊、實(shí)時(shí)跟蹤控制功能模塊、跟蹤數(shù)據(jù)處理功能模塊、網(wǎng)絡(luò)接口通信功能模塊和進(jìn)程通信管理模塊。軟件采用多線程方式設(shè)計(jì)，按實(shí)時(shí)性要求劃分不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，采用適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)調(diào)度策略，使每個(gè)任務(wù)按要求適時(shí)執(zhí)行。進(jìn)程的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

實(shí)時(shí)進(jìn)程采用計(jì)數(shù)器對(duì)外部定時(shí)接口板的10ms硬件定時(shí)中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)，分別產(chǎn)生40 ms和200 ms中斷信號(hào)量。根據(jù)系統(tǒng)處理實(shí)時(shí)性要求，將40 ms定時(shí)處理線程相對(duì)優(yōu)先級(jí)設(shè)置為1(高)，將200 ms定時(shí)處理線程相對(duì)優(yōu)先級(jí)設(shè)置為2(中)，將雷達(dá)各分系統(tǒng)與INtime進(jìn)程的通信線程優(yōu)先級(jí)均設(shè)置為0(最高)，以保證跟蹤傳感器跟蹤數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠。

通信線程主要用于接收網(wǎng)絡(luò)上跟蹤傳感器的跟蹤距離、角度偏差和狀態(tài)數(shù)據(jù)。線程通過網(wǎng)絡(luò)中斷方式實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入相關(guān)的接收數(shù)據(jù)數(shù)組，供40 ms定時(shí)處理線程使用。

40ms定時(shí)處理線程用于將多跟蹤傳感器的跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，并建立跟蹤航跡，采用卡爾曼濾波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行航跡的平滑、外推和精確跟蹤。根據(jù)目標(biāo)預(yù)測位置和天線位置求取角度偏差量，采用速度回路和位置回路控制跟蹤伺服分系統(tǒng)，以使跟蹤天線保持對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤。40 ms定時(shí)處理線程同時(shí)將光電及跟蹤雷達(dá)傳感器的狀態(tài)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)和目標(biāo)航跡的跟蹤處理結(jié)果等寫入數(shù)據(jù)隊(duì)列用于Windows進(jìn)程顯示。

200ms定時(shí)處理線程主要用于INtime實(shí)時(shí)進(jìn)程與Windows進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交互。采用共享內(nèi)存和信號(hào)量機(jī)制，創(chuàng)建共享內(nèi)存對(duì)象和信號(hào)量對(duì)象，定時(shí)將數(shù)據(jù)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)寫入共享內(nèi)存中，主要包括雷達(dá)的跟蹤狀態(tài)、跟蹤航跡信息、雷達(dá)分系統(tǒng)控制信息、時(shí)鐘信號(hào)量等。Windows進(jìn)程在與INtime進(jìn)程通信時(shí)，通過調(diào)用INtime的NTX API，獲得INtime實(shí)時(shí)內(nèi)核上創(chuàng)建的對(duì)象。

3.2 Windows進(jìn)程

Windows進(jìn)程與普通桌面Windows系統(tǒng)下的進(jìn)程設(shè)計(jì)方法完全兼容。本終端的顯示設(shè)計(jì)采用多線程方式，利用Windows平臺(tái)的DirectX圖形接口，通過DirectDraw進(jìn)行快速、多層次的頁面繪制和顯示。采用圖形控件進(jìn)行界面布局，通過各控件的功能定義和相應(yīng)的消息機(jī)制來驅(qū)動(dòng)人機(jī)界面操控事件，以完成界面中各功能按鈕、對(duì)話框、列表框等的操控功能。

雷達(dá)圖像的顯示主要為圓形雷達(dá)圖像和文字顯示，包括PPI坐標(biāo)背景、電子地圖背景、雷達(dá)原始視頻圖像、各種目標(biāo)點(diǎn)跡、航跡、字符以及天線碼盤等信息。采用DirectlDraw圖形加速顯示技術(shù)和頁面的分層設(shè)計(jì)，將DirectDraw頁面分為背景層頁面、電子地圖顯示頁面、雷達(dá)原始回波視頻頁面、目標(biāo)頁面和動(dòng)態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)頁面。通過多線程對(duì)各頁面顯示內(nèi)容獨(dú)立進(jìn)行快速繪制，在Windows進(jìn)程的主定時(shí)器中將各頁面疊加繪制到DxDraw主頁面，調(diào)用DirectDraw的換頁函數(shù)(Flip)進(jìn)行顯示。由于雷達(dá)數(shù)字原始視頻數(shù)據(jù)量龐大，顯示任務(wù)資源消耗較多，為保證INtime進(jìn)程對(duì)CPU資源的合理利用，將用于顯示任務(wù)的主定時(shí)器線程時(shí)間周期設(shè)計(jì)為100 ms，既滿足顯示畫面的流暢性，又不致過多的占用CPU。

Windows進(jìn)程與INtimc間的數(shù)據(jù)交互通過通信管理模塊來完成，調(diào)用INtime的NTX API，訪問INtime系統(tǒng)中創(chuàng)建的共享內(nèi)存數(shù)據(jù)和信號(hào)量數(shù)據(jù)。

雷達(dá)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以INtime系統(tǒng)設(shè)置的定時(shí)器為時(shí)間基準(zhǔn)，對(duì)接收到的所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行打時(shí)標(biāo)和報(bào)文重組，以二進(jìn)制方式記錄在存儲(chǔ)介質(zhì)中，以保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

3.3 軟件的運(yùn)行

使用XPE+INtime構(gòu)筑的系統(tǒng)作為雷達(dá)操控終端軟件運(yùn)行環(huán)境，主要由Real-time控制應(yīng)用(INtime進(jìn)程)和GUl應(yīng)用(Windows進(jìn)程)兩部分構(gòu)成。終端軟件的Windows進(jìn)程直接雙擊運(yùn)行，由XPE操作系統(tǒng)載入內(nèi)存并執(zhí)行，INtime實(shí)時(shí)進(jìn)程由其系統(tǒng)配套的實(shí)時(shí)控制應(yīng)用軟件載入器LDRTA.EXE加載到內(nèi)核并執(zhí)行。INtime內(nèi)核將自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)最低優(yōu)先級(jí)線程，用于將計(jì)算機(jī)上下文切換回Windows進(jìn)程，以保證兩進(jìn)程在同一硬件平臺(tái)同時(shí)運(yùn)行。兩進(jìn)程通過共享的內(nèi)存和信號(hào)量進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并各自獨(dú)立運(yùn)行完成雷達(dá)的實(shí)時(shí)操控顯示功能。

4 結(jié)語

通過對(duì)基于INtime的雷達(dá)實(shí)時(shí)操控顯示終端的實(shí)驗(yàn)室測試與仿真，以及與雷達(dá)實(shí)裝的現(xiàn)場運(yùn)行，實(shí)時(shí)操控顯示終端較好地完成了對(duì)雷達(dá)的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)能夠流暢顯示雷達(dá)的原始視頻回波、檢測點(diǎn)跡以及雷達(dá)工作狀態(tài)，表明了該方案能夠成功地將雷達(dá)實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)性要求不高的顯示集成在一起，既降低成本又增加了系統(tǒng)的可靠性。