Разработка SF-модели алгоритма приема и обработки командно-программной информации

Пакет Stateflow среды разработки Matlab представляет собой оболочку для графического описания работы конечных автоматов, автоматов Мили либо автоматов Мура [15]. Stateflow - инструмент для численного моделирования систем, характеризующихся сложным поведением. К числу таких систем относятся гибридные системы. Примерами гибридных систем могут служить системы управления, используемые в промышленности (автоматизированные технологические процессы), в быту (сложные бытовые приборы), в военной области (высокотехнологичные виды вооружений), в сфере космонавтики, транспорта и связи. Все эти системы состоят из аналоговых и дискретных компонентов. Поэтому гибридные системы - это системы со сложным взаимодействием дискретной и непрерывной динамики. Они характеризуются не только непрерывным изменением состояния системы, но и скачкообразными вариациями в соответствии с логикой работы управляющей подсистемы, роль которой как правило выполняет то или иное вычислительное устройство (конечный автомат).

В том случае, когда логика работы управляющей подсистемы является жесткой, а внешние условия относительно стабильны, говорят о трансформационных системах. Для таких систем фазы получения информации, её обработки и выдачи выходных сигналов четко разграничены. На момент обращения к системе все входные сигналы определены. Сигналы на выходах образуются после некоторого периода вычислений. Вычисления производятся по некоторому алгоритму, трансформирующему (преобразующему) входной набор данных в выходной.

В противоположном случае систему относят к классу управляемых событиями или реактивных. Реактивная - это такая динамическая система, которая воспринимает внешние дискретные воздействия и отвечает своими реакциями на эти воздействия. Причем реакции системы различны и сами зависят как от воздействий, так и от состояния, в котором система находится. Основное отличие реактивных систем от трансформационных - в принципиальной непредсказуемости моментов поступления тех или иных воздействий. Эта непредсказуемость - следствие изменчивости условий, в которых такие системы работают. Пример простой реактивной системы - контроллер светофора, управляемого пешеходами. Его входы никогда не приобретут законченного вида - сигналы на них поступают постоянно и в неизвестной заранее последовательности. В настоящее время для моделирования дискретной динамики реактивных систем широко визуальный формализм - Statechart (диаграммы состояний и переходов). Основные неграфические компоненты таких диаграмм - это событие и действие, основные графические компоненты - состояние и переход.

Событие - нечто, происходящее вне рассматриваемой системы, возможно требуя некоторых ответных действий. События могут быть вызваны поступлением некоторых данных или некоторых задающих сигналов со стороны человека или некоторой другой части системы. События считаются мгновенными (для выбранного уровня абстрагирования).

Действия - это реакции моделируемой системы на события. Подобно событиям, действия принято считать мгновенными.

Состояние - условия, в которых моделируемая система пребывает некоторое время, в течение которого она ведет себя одинаковым образом. В диаграмме переходов состояния представлены прямоугольными полями со скругленными углами.

Переход - изменение состояния, обычно вызываемое некоторым значительным событием. Как правило, состояние соответствует промежутку времени между двумя такими событиями. Переходы показываются в диаграммах переходов линиями со стрелками, указывающими направление перехода. Каждому переходу могут быть сопоставлены условия, при выполнении которых переход осуществляется. С каждым переходом и каждым состоянием могут быть соотнесены некоторые действия. Действия могут дополнительно обозначаться как действия, выполняемые однократно при входе в состояние; действия, выполняемые многократно внутри некоторого состояния; действия, выполняемые однократно при выходе из состояния [16].

При проектировании моделей реактивных систем Stateflow используется вместе с Simulink и по желанию - с RTW (Real-Time Workshop) под управлением MATLAB. Совокупность всех Stateflow блоков в модели Simulink - это машина. При использовании Simulink вместе с Stateflow для моделирования, Stateflow генерирует S -функцию для каждой Stateflow машины, чтобы поддерживать моделирование. Этот сгенерированный код для моделирования называется sfun кодом Stateflow. Если необходима работа модели в реальном масштабе времени, Stateflow Coder позволит сгенерировать целочисленный или с плавающей точкой код, основанный на Stateflow машине. RTW сгенерирует код для Simulink части модели и обеспечит структуру для выполнения сгенерированного кода Stateflow в реальном масштабе времени. Код, сгенерированный Stateflow Coder включен в код, сгенерированный RTW. Вы можете получить код, сгенерированный обоими продуктами для специфической платформы. Этот сгенерированный код - специфический RTW -код, который в пределах Stateflow называется rtw кодом.

Данная часть работы тесно связана с реализующийся подсистемой бортового радиотехнического комплекса [17]. Модель данной подсистемы представлена на рисунке 2.1.

Выбран протокол стандарта CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems) - Международный Консультативный Комитет по космическим системам передачи данных [18]. Комитет занимается разработкой стандартов и рекомендаций для космических информационных систем. Целями комитета являются: развитие возможностей взаимодействия между различными космическими агентствами и уменьшение стоимости разработок космических проектов. С момента своего основания комитетом активно разрабатывались рекомендации для: уменьшения для различных агентств стоимости общеизвестных процессов обработки данных; продвижения совместимости и общей поддержки среди взаимодействующих агентств с целью уменьшения расходов на эксплуатацию систем с использованием общих возможностей.

Этот Рекомендуемый стандарт устанавливает общие методы синхронизации и помехоустойчивого кодирования, которые используются с целью передачи данных.

Выбор этого протокола был обусловлен следующими соображениями: CCSDS является открытым и, следовательно, может использоваться в любительской спутниковой службе (первые прецеденты уже известны); CCSDS обеспечивает существенно более высокую помехозащищенность передаваемой информации из-за использования наиболее передовых методов канального кодирования (так, по сравнению с модемами MOBITEX модем CCSDS обеспечивает энергетический выигрыш практически на 9 дБ, что позволяет вести передачу на скоростях от 76,8 кбит/с и выше); CCSDS является международным стандартом, поддерживаемым всеми космическими агентствами мира - реализация БРТК "Синергии" в соответствии с этим стандартом будет способствовать повышению доверия потенциальных заказчиков к возможностям платформы.

Состав кадров протокола CCSDS приведен в таблицах 2.1 и 2.2.

Таблица 2.1 - Состав TM кадра протокола CCSDS

Таблица 2.2 - Состав TC кадра протокола CCSDS

Кадр телеметрии состоит из 5 основных полей: основной заголовок фрейма (48 битов), вторичный заголовок фрейма (необязательный 16, 24, 512 битов), поле данных (переменной длины), поле операционного управления (необязательное), поле контроля ошибок (обязательное, если не применяется код Рида-Соломона). Все фреймы с одним номером версии и идентификатором объекта, передающиеся по одному физическому каналу, составляют главный канал. Главный канал объединяет восемь виртуальных каналов. Имеется пять основных функций основного заголовка фрейма передачи: идентификация блока данных поля фрейма передачи, идентификация объекта, мультиплексирование виртуальных каналов в главный канал, подсчет фреймов виртуальных каналов и главного канала, передача указательной и другой управляющей информации. Номер версии фрейма содержится в битах 0-1 основного заголовка, имеет значение 00, что идентифицирует данный блок данных как фрейм. Затем следует поле идентификация фрейма, которое идентифицирует источник фреймов, принадлежащий ему виртуальный канал, и сдержит информацию о формате пакетов. Идентификатор спутника - 10 битное поле, обозначающее аппарат, передающий фреймы. Идентификатор виртуального канала (3) обеспечивает идентификацию виртуального канала. Всего 8 виртуальных каналов в пределах главного. Идентификатор управления (1) указывает на присутствие или отсутствие поля управления. Это "1”, если данное поле присутствует, и "0”, если отсутствует. Счетчик кадров основного канала это 8-разрядное поле должно содержать двоичное значение каждого кадра, переданного в основном канале (0.255). Счетчик кадров виртуального канала (8) это 8-разрядное поле должно содержать двоичное значение каждого кадра, переданного в виртуальном канале (0.255). Состояние поля данных кадра передачи (16) указывает, присутствует ли вторичный заголовок, несет информацию о типе данных, информацию, необходимую для извлечения пакетов из поля данных фрейма. Это 16-разрядное поле должно быть подразделено на пять подполей следующим образом: Отметка вторичного заголовка (1) определяет присутствие или отсутствие вторичного заголовка кадра передачи. Это "1”, если вторичный заголовок присутствует, и "0”, если отсутствует. Метка синхронизации (1) - область, определяющая тип данных, содержащихся в поле данных. Оно устанавливается в "0”, если в поле данных находятся пакеты источника, сегменты или неинформативные данные. Флаг порядка пакета (1) устанавливается в 0, если флаг синхронизации 0, а при значении 1 флага синхронизации устанавливается произвольное значение. Идентификатор длины сегмента (2) принимает следующие значения: 00 - 256 октетов, 01 - 512, 10 - 1024 окт., 11 - только сегментированные пакеты. Указатель основного заголовка (11) содержит двоичное значение номера первого октета, 1 в поле данных пакета или сегмента при 0 флага синхронизации. Если фрейм не содержит заголовка пакетов, то устанавливаются все единицы. Если содержатся неинформативные пакеты, то устанавливается 11…10 [19].

Так как одно из основных требований - безошибочная доставка данных (достоверность передачи) для их защиты от ошибок, используется кодирование канала, как способ передачи данных по зашумленному каналу, позволяющий безошибочно восстанавливать их на приемной стороне. Основной задачей помехоустойчивого кодирования является решение проблемы обеспечения высокой достоверности передаваемых данных за счет применения устройств кодирования/декодирования в составе системы передачи цифровой информации. Для обеспечения помехозащищенности используется каскадный код, который состоит из кода Рида-Соломона (255, 223, 33), сверточного кода с K =7 и R =1/2 и прямоугольного перемежителя, представляющего собой массив (кодовые слова кода Рида-Соломона построчно записываются в массив перемежителя, а затем считываются по столбцам и кодируются с помощью кодера сверточного кода). В случае отсутствия кода Рида-Соломона в кадре содержится поле контроля ошибок, которое используется для обнаружения и исправления ошибок, которые появляются в процессе обработки и передачи данных. В стандарте определяется метод синхронизации кадров передачи с помощью использования синхронизирующего маркера, с которого начинаются фреймы. В случае приема ошибочного сообщения посылается квитанция обратной связи, после чего сообщение повторно отправляется.

Разработанная модель, предназначенная для приема и обработки командно-программной информации представлена на рисунке 2.2.

При входе в алгоритм обработки командно-программной информации происходит сброс константы kvi, отвечающей за квитирование приходящих данных. Решающая обратная связь используется в данном алгоритме для корректности и своевременного обнаружения ошибок при работе БКУ. Согласно данному алгоритму в процессе обработки команды переменная kvi может принимать три различных значения: "0" - по умолчанию, "1" - отсутствии переданной команды в базе данных реализуемых в КА и "2" - положительный ответ о наличии таковой.

Работа блока начинается с передачи с бортового радиотехнического комплекса (БРТК) разрешающего значения на порт входа trig. В случае подачи "1" активируется вложенное состояние On1 (рисунок 2.3).

Алгоритм начинается с записи в локальную переменную comm непосредственной информации о принятой и декодированной в БРТК разовой команде. Затем происходит её опознавание согласно внутренней базе данных команд (таблица 2.3).

Таблица 2.3 - Реализуемые команды

Согласно данным командам выдаются соответствующие команды: включение/отключение полезной нагрузки - передача 1/0 на порт выхода PL, который впоследствии будет соединен с микроконтроллером, расположенным в подсистеме полезной нагрузки; переход в режим экономии электроэнергии - присваивание порту вывода energy значения "1", соединенного с микроконтроллером системы энергоснабжения (СЭС); сброс телеметрической информации - включение алгоритма работы с памятью.

Поскольку кадр должен состоять из 1764 символов, то из памяти будут последовательно считываться 1764 бита и записываться в локальную переменную sBUF. В случае нехватки символов, оставшееся место будет заменено логическими нулями. По окончанию набора 1764 символов информация локальной переменной sBUF выдается на порт выхода BRTK, связанной со входом БРТК.