（机械电子工程专业论文）lamost光纤定位系统控制软件通讯模块的设计与研发.pdf

a b s 撇( 了r a b s t r a e t 1 kl a 增es 埘a 嘴a 泰耋埘l ：i - o 酾e c tf i b 雠s p e c 觚s c o p 泌t e l e s c 9 p e 删o s 印酬t i s eo f 如en 蕊铡醴删嘏s e i 酬瓤删麟硼幽蜘坶氇e 洲n e 鼯a c a 蛳 礴s e 渤蝴瓣玲巍孽醢黼i 嘲硝疼i 瓣鹫敷i 嘴s 幽畦塞磁娜l 斑曲燃潍 也e 鲫蝴d 州m i t so 埘觚i s 矗x e dm 舢m 舐d i a i lp l e n ea p e 加o f l 觚鳓8 t i s4 m ，e 觳舳l 融gi l 幻诎毡i l lt h es p e c t mo f o 巧e c t sa s 撕n ta sd 讲张t o2 0 m 。5 谢ma n 熬弹翱怒醴l 。5 溉融勤蕊洳弧1 7 5 激遮莲鞠搬趱琴鑫蔽髓暌谢基稔豁蚓 a s 毒0 0 0 删# 蘸l 秘c r s s o 龇l i 勘蠹4 0 嘲棼s 毫主艇蜥e c t s 诚重量b el 藤酗睡a n u m l 埘o fs p e c t r o 伊a 】嘶$ s i n l u l t a l l e o u s l 弘t h u st h e 协l e s c o p e 州l lb em eo 鹏嫩 辨s s s e s 憾糙出s 毫颦幽两骶裁譬函妇g 黻蜒遮懿删莲。 i no 坩e rt o 如【p 附v eo b s e r v 确o ne 蹋c i e n c y ，l a s td e s i g 凇ac o m p l e 卺eg r o 婶 西飙协如越谢饿曲8 蝌蕊。致g 蝴磷鳓雒dd 拽 溉酝聪l i n g ，妇蟛l u 曲礤s 雠粥y 鼹狳醪s y 娥峨s s 国， 删。毂e o 躏逮 s y s 褪糕p e 辩，强酶辩。弦 e 溅l s 脚f 托s x 囊援潮涨嶙e 鳓拄o ls y s 饴瓣( 1 c s ) a 撼p a 敖l 臻爨m 速g 嚣y s 鼬l 爨s ) ， s i 瑚l 霸t a n u 臀l y ，i c s 黼i s t so fs p e 龋神，c e d ，o p t i c a l 摄b c rp o s i t i o 蛐崦 姆媲l m ( 0 聊辩鼹d 鲥如。越l 谯e 螂髓e 毅耄se 蜘雌蛾磊耋e 谢也姻醯捌睦娃埝 粒嘲l i 娥搬嚣幽删键、鑫s s i 零瞧穰。蕊p s 蠡蠢瓣鼢b s y 黯量燕燃域酝嚣馥皴嚣 0 f 协ej c l b e rm i g n e dt o 棚e s t i 缄6 场e c t s o f p s 掀嫱m i q u ei s 锄e 艏m em o s tt 帅 撕黼i p 舔地幽嫩q 0 f 粥i s 堍s 甜。魏w 嫡tc 馘的l ，墨g i o n a ld 蛐s i o n 谢也4 0 0 0 蠡酶粼燃瞧耄醍馥凝熏。彳5 骆凝凇歉藏窭，埝羚s i 翩粼黼磁鼙默照 s a 激e 斑黼蜥搬重量玲o b 辩纠缴i 雠a 醐印l i s 魏嘲o 鞲ss o 羝潮潜a s l o 即v i 幽so 幽 触 x 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所傲的贡献均邑在论文中作了明确的说明 本入授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阙，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在鳃密后也遵守此规定。 作者签名： 年月西 第l 章绪论 第1 章绪论 本文的研究内容均来自予“大天区面积多目标光纤光谱望远镜”项瞄( l 邮 s 虹a 漱m 越垃- o b l e 蘸0 辩i c 蘸s 璎蛾羚s p i e 置e l e s c o 弦，l 嬲1 ) ，它是我国天文 学家提出的一种大口径兼备大视场的反射式施密特光学望远镜，是我国正在进行 的一项大型科学工程项目b l 。 在本章中，首先介绍了燃霉项目的总体架构和重大科学意义，然后着重描 述了l 燃o s t 光纤定位系统的研制，从而弓l 出系统研制中的控制软传研制问题，以 及通讯模块的研制问题。最后介绍了本文的相关研究内容和行文安排。 1 1 “心帕s t 项目简介 l a m o s t 是一台横卧予南北方向的中星仪式反射施密特望远镜，其主要技术指 标如下： 表1 1l 娥o s t 技术指标 有效通光口径 4 m 焦距2 触 视场角直径 5 0 光谱覆盖范围 3 7 0 l j9 0 0 n m 光谱分辨率 luo 。2 5 n m 观测天区2 4 0 0 0 d e 矿 l 勰。s t 的主要任务是为现代字宙学研究获褥大量的星系和类星体的光谱数 据。建成后l a m o s t 望远镜可同时观测多达4 0 0 0 个天体目标，预计可以获得至少 2 1 0 7 个星系的光谱，至少2 1 0 6 个类星体的光谱以及至少2 1 0 7 个恒星的光谱， 观测效率极其突出l 。l 麟。s t 项目有着重大的科学意义，它建成后必将为我国的 天文学以及其他相关领域的研究事业作逸杰出的贡献。 1 。1 。1l a m o s t 的总体架构 如图1 1 所示，l a m o s t 由反射施密特改正板m a ，球面主镜m 巍以及中间的焦 面板组成。球面主镜及焦面固定在地基上，反射施密特改正板作为定天镜跟踪天 体的运动，望远镜在天体经过中天前后时进行观测。天体的光经m a 反射到m r ， 再经m 裔反射后在焦面上成像。焦面上放置的光纤将天体的光分别传输到光谱仪 的狭缝上，然后通过光谱仪同时获得大量天体的光谱，科学家通过对光谱进行分 析来获取天体的相关信息。 第1 章绪论 施密特改f 板m a 由2 4 块1 1 米对角径，2 5 毫米厚的六角形平面镜拼接并实时 地通过主动光学技术形成非球面。球面主镜m b 由3 7 块1 1 米对角径，7 5 毫米厚 的六角形球面镜拼接而成。焦面是直径1 7 5 米的球冠，其上均匀分布、排列着4 0 0 0 根光纤及光纤定位系统，焦面获得的像通过4 0 0 0 个光纤引入到1 6 台光纤光谱仪。 图1 1l a m o s t 总体架构示意图 l a m o s t 应用主动光学技术控制反射施密特改正板m 。，成为大口径兼大视场 光学望远镜的世界之最。其有效通光口径4 米，焦距2 0 米，视场达2 0 平方度，可 观测的覆盖天区超过2 0 0 0 0 平方度。由于它的大口径，在曝光1 5 小时内可以观测 到暗达2 0 5 等的天体。而由于它的大视场，在焦面上可以放置4 0 0 0 根高定位精度 光纤单元，将遥远天体的光由4 0 0 0 根光纤分别传输到1 6 台光谱仪中，就可以同时 获得4 0 0 0 个光谱，大大超过了传统观测中一台光谱仪只能对准单颗星的局限。它 建成后将成为世界上光谱观测效率最高的望远镜，这是目前世界上的其它大视场 望远镜所不可及的【扪。 1 1 2l a m o s t 焦面光纤定位系统 根据l a m o s t 的总体目标设计，系统需要在直径为1 7 5 米的球冠形焦面板上精 确定位4 0 0 0 根光纤。鉴于目前国际上已有的打孔式和磁扣式的光纤定位方式很难 应用于l a m o s t 项目，光纤定位技术成为l a m o s t 项目中的两项关键技术之一。中国 科学技术大学精密机械与精密仪器系邢晓正教授开创性的提出了基于“单元控 制、分区定位”思想的并行可控式双回转光纤定位方案，从而有效的解决了光纤 定位技术的难题【3 】。根据这样的分区思想，该系统将焦面板划分为4 0 0 0 个圆形小 区域，每个小区域由一个光纤定位单元构成，光纤固定在单元上，可由单元将其 第l 章绪论 定位至该小区域内的任意位置。 图1 2l 碰o s t 焦面单元分布示意圈 匿堇2 是焦面基板上4 0 0 0 个定位单元分布的示意图，每个定位单元上安装一 根光纤，这样4 0 0 0 根光纤就安装在了直径1 7 5 米的焦面基板上，每两根光纤回转 中心之间相隔2 6 舢，每个定位单元是一个双回转机构，其活动范围为一个直径 3 5 蕊的圜，由两个步进奄视通过两级蜗轮蜗杆减速器进行驱动。这样每根光纤的 有效覆盖是一个直径为3 3 m m 的凰，丽两个爨的中心距为2 6 嫩，遂过篱单计算 不难发现，该设计保证了焦面的任意位置均可被光纤有效覆盖，即实现了观测无 盲区，同时由于有一定的重含区域，提高了观测效率l 粥。 偏心回转轴 圈王3 双圈转定位单元结构 双回转光纤定位单元的结构如图l 。3 所示，双圈转定位单元由臂长相等的中 心回转轴和偏心回转轴组成，两轴均由电机经涡轮蜗杆减速驱动，这种传动方式 的原理是自锁的，在定位完毕后，可以傈持光纤定位在正确的位置。光纤装夹于 偏心回转轴的端部，由中心回转轴和偏心回转轴的共同运动实现光纡在平面内的 3 第1 章绪论 定位。其中中心回转轴的行程是0 3 6 0 。，偏心川转轴的行程是0 1 8 0 。，通 过两个回转轴的组合运动则呵以将安装在单元卜- 的光纤定位到单元观测区域内 的任意位置。 i 。a m o s t 的焦而板和卜- 面安装的4 0 ( ) 0 个光纤定位单元，配以控制软件系统、 驱动控制电路系统、定位误差检测系统、数据处理分析系统，构成了一个l a m o s t 光纤定位系统。 总体来说，并行可控式光纤定位系统具有以下特点：定位快速，定位精度高， 可实时补偿温度及大气较差折射等引起的误差：光纤端部直接对准星象、星象光 谱的光能损失小；观测无盲区；4 0 0 0 个可控式单元机构是相同的组件，加工成 本较低，可靠性高，运行费用低【4 j 。 1 1 3l m a 0 s t 光纤定位控制软件 为了提高观测效率，l a m o s t 系统设计了一套完整的自动化观测与数据处理的 软件，包括巡天战略系统( s s s ) 、观测控制系统( 0 c s ) 、望远镜控制系统( t c s ) 、 仪器控制系统( i c s ) 和数据处理系统f d h s ) 。各部分协调工作，共同完成观测任 务。光纤定位系统( o p t i c a lf i b e rp o s i t i o n i n gs y s t e m ，0 f p s ) 属于i c s 系统的一部 分。 根据l a m o s t 的工作流程，0 f p s 接收到0 c s 的观测命令后，通过控制底层硬件 来控制光纤单元运动到相应的位置和角度，并向0 c s 发送反馈信息，从而成功完 成观测任务。0 f i ，s 在完成观测任务的同时，还可提供单元调试、系统仿真、数据 管理、文件系统日志等其他功能，以及友好的用户操作界面，如图1 4 示。 图1 4o f p s 用户界面设计 0 f p s 的通讯模块主要包括与o c s 系统的上层通讯、与硬件系统的下层通信， 以及与数据库系统、文件系统等的交互。它们负责将数据在整个系统之间传递。 第l 章绪论 1 2 研究内容与行文安排 作者一直在l 心0 s t 光纤定位实验室，从事光纤定位软件控制系统的开发与 研究，研究内容包括软件系统的设计、开发与测试，涉及到数据库系统、网络协 议与通信、c a n 总线通讯、光纤定位、干涉算法、软件测试等内容，本文将按照 以下的顺序来组织具体的章节： 第一章介绍卵p s 的项目背景、科学意义以及光纡定位简介。 第二章介绍o f p s 的控制及测试软件系统概述。 第三章介绍0 f p s 数据库的设计与接口实现。 第四章介绍o f p s 与s 系统的遥讯协议与具体实现。 第五章介绍o f p s 与硬件单元的控制协议与具体实现。 第六章对本文的内容、相关的工作给出了总结，以及未来发展的展望。 第2 章控制及测试软件系统概述 第2 章控制及测试软件系统概述 2 _ io f p s 系统的架构 餐2 。董失o f p s 小焦蘑系统的整体结构示意图，从图中可以褥知o f p s 系统的 硬件系统主要包括有；控制主机、c a n 总线、单元控制器、驱动电路、光纤定位 单元、小焦面板、线缆与光纤、c c d 摄像祝、图像采集卡及测量计算机，以及相 应开发的控制及测试软箨。 其中，控制主机与驱动系统通过c a n 总线相连，控制系统与测量系统通过通 讯网线相连，驱动板与定位单元通过驱动电缆相连( 详见第5 章) 。 图2 1 s 小焦面系统絮构图 控制工作站计算机对整个系统进符宏观控制：光纤单元如何跑合、e e d 相执 何时拍摄、根据o c s 系统命令进行工作等。测量工作站计算机通过控制c c d 相机 进行抬摄，获取焦面巍纤的邃合数据信息，然蜃利用我们自行设计的数据处理软 件对跑合数据进行分析和处理，从而获取到跑合的定性和定量结果。 小系统瀚工作方式为：首先控制主枕进行观测规划、数据安排，邋过e 然总 线通讯网络发送数据到单元控制器，单元控制器根据数据产生脉冲，经过功率放 大分别驱动安装在双圆转单元土髂步进电枫，从两带动中心轴、偏心轴蓟相应的 位置，实现光纤定位。定位完毕艨，控制计算机邋知测量计算机控制c c d 相机拍 照光斑图像，经翻图像采集卡采集送刘测量计算机，辩由测量计算机用光重心法 计算各个光斑的位置，两光斑位鼗的变化表征( 蠛等价于) 各个定位单元的定位 情况，从而通过分析处理得到整个小系统的相关定位精度。为以后的测试和研究 王作、以及芷式的观测工作提供实验依据。 荐 第2 章控制及测试软件系统概述 括光纤定位单元的实时控制、c c d 的控制等，数据计算模块主要负责定位算法的 计算、干涉处理3 和定位数据的计算控制等。 2 2 50 f p s 的其他功麓 除保证工作状态下o p f s 处于正确的主控流程中，0 p f s 还提供了其他几项功 能：单元调试功能、系统仿真功能、数据管理功能、友好的用户界面。 l 、可对单个单元或成组单元进行选择控制； 2 、可通过坐标、随机方式生成星象进行仿真运行； 3 、可控制单元的运转方向、角度、方式等，可控制单元运转、停止、暂停、 回零等操作； 4 、可通过图形显示单元所在位置及干涉区域、星象位置等运动参数； 5 、可显示或查询单元的相关参数、单元的运转过程和结果等； 6 、保存有单元的记录和於偿曲线、系统目志等文件； 2 。2 6l ln u x 版本与q t 库 考虑到与l a m o s t 其他子系统的一致性与安全性闽题，o f p s 大焦面系统将采 用l i n u x 系统。为此，我们也将同时开发o p f s 软件的l i n u x 版本。由于a d l i n l ( 厂家给我们提供的p c i 一7 8 4 l 卡的l i n u x 驱动内核版本为2 4 1 8 ，因而我们在 r e 蹦姆8 。o 上进行了相关的测试，性能良好。我们也希望将在以后的工作中舞级 系统内核，从而获取更加完善的系统性能。在u i 设计方面，我们初步考虑使用 t r o l l t e c h 公司的q t 库来开发用户界面。 就是一个多平台的c + + 图形用户界面应用程序框架。它提供给应用程序开发 者建立艺术级的图形用户界面所需的所有功能。q 七是完全面向对象的很容易扩 展，并且允许真正地组件编程。自从1 9 9 6 年q t 进入商业领域以来，它已经成为 全世界范围内数千种成功的应用程序的基础。q t 也是流行的l ( d e 桌面环境的基 础。承被按不同的版本来发布：企业版和专业版提供给商业软件开发，q t 自由 版提供给开源软件开发，q t 嵌入式自由版是q t 为了开发自由软件提供的嵌入式 版本f 1 2 j 。 3 ：于涉处理是避免檑邻单元耱互于扰、碰撞静技术，具体可冤5 。3 节。 9 第2 章控制及测试软件系统概述 2 3 跑合测试软件的设计 对于任一落在单元区域里的星象( 在o f p s 中以点来进行仿真) ，理论上我们 均可以通过计算得出光纤两轴应处的角度位置( 在精度分析计算中以多次跑合的 平均位置为理论位置) ，而实际跑合中我们通过e c d 来拍摄光纤两轴实际所处的位 置，透过比较理论位置和实际位置的误差，来计算跑合的精度。 为了定量的分析光纤定位的跑合精度，我们根据项目的实际需求，采用基予 v c 与m a t l a b 混合编程的技术设计了一套数据处理软件来对跑合数据进行分析和 处理。鼓而为进一步提出更好的定位算法来实现项圈的需求提供可能和实验依 据。下面主要就l 然o s t 小焦面系统的跑合数据软件的实现和跑合数据分析处理作 一点讨论。 2 3 1 跑合测试系统 跑合系统的设计目标是为了完成特定功能的测试任务，能够给出单元定位的 精度信患。在跪合系统上进行的测试工作主要包括参数计算、危度误差曲线的测 量、重复定位误差及分度误差的测试、二维运动误差的测试等。 1 、参数计算 参数计算包括中心轴和偏心轴的回转臂长，单元的回转中心计算。采用最小 二乘法进行拟和f 珏l 。以孛心轴为例，如图2 3 所示，将偏心轴展开到6 0 0 ( 安全 角) 后固定，并且使得各单元的中心轴停靠在各自的零位起点位置处，也就是各 中心轴的消隙4 零位位置f 棚。中心轴以2 0 为分度走完3 6 0 0 行程，也得到1 8 0 个位 置点，雳最小二乘拟得到单元回转中心和回转半径，再根据几何关系帮可得到中 心轴的臂长。 圈2 3 中心轴参数测量 4 ：我们为单元的两根回转轴引入了零位装霞，通过回零消隙过程来消除光纤定位误差 的累积。每次定位时，单元的中心回转轴和偏心回转轴都是从各自淤隙零位位置潞发的。 第2 章控制及测试软件系统概述 用光重心算法f ”得到位置点的坐标，对于偏心回转圆周上均匀分布的1 8 0 个分度位置点“，所) ，建立拟和方程： 瓴一魏) 2 织一弱) 2 = 震2 其中( ，蜘) 是回转圆周的圆心，r 是回转半径。 将方程整理改写为： g 1 ) 霹+ 砰鬻雠+ 魄+ c ( 2 2 ) ( 篓主篓 = ( 耋量i 窿 伫3 ， 心轴l ) 走分度，并利用竞重心算法计算密每一个分度的位置坐标瓴，髀) ，稍 蔫测得的回转中心魄，懿 和起始使萋锨，罗；) ，可以计算出各分度位置点的实际 第2 章控制及测试软件系统概述 谚。只乞o ：塑a r c c o s 掣圯o o f ( 2 4 ) 冗厶q o 其中， 口= ( t 一) 2 + ( 咒一) 2 ，6 邕( 葺一) 2 + ( m 一儿) 2 ，c = ( 墨一) 2 + ( 弗一见) 2 以上得到的都是在分度度数为整数时的误差，对于分度整度数之间的任意一 个位置的误差可以采用多项式拟和或者线性插值的方法得到。 采用多项式拟和的方法只能反映误差的总体趋势，丽不能反映出齿形误差的 细繁。如图2 。4 所示，图中d e l 钕是表示存储误差度数的数组，线性插值方法来 求某一个轴在角度为口时的误差的具体做法是： 鬻2 莲角度误差鼗线的线性插值 先由七篇口2 ，得到满足f 选项一 项隐一 v c 什目录属性页下，分掰器 加i 粒王t | 磊e 和王强搜索路径； s ：莼l ，釜y 嚣锄i el i n l l 强r 敞y 。该技术将蔹数编译成二遴制数据，可供不潮语言使用。 6 ：d d e ，d y n a m i cd a t ae x c h a n g g e 。该技术是进程通信机制的一种具体形式。 1 3 7 ：e 滋，e 锶p o 魏e n 专泊j e e 乞瀚纛e l 。该技术是不弱软箨之间襁互调用，混合编程的常耀技謇。 第2 章控制及测试软件系统概述 m a t l a b e x t e r n i n c l u d e m a t l a b e x t e r n lj b w i n 3 2 m i c r o s o f t j 】s v c 7 1 ( 视v c 版本而定，我们使用的版本为 v s 2 0 0 3 ，对应m s v c 7 1 ) 图2 3 数据处理软件界面 2 、在v c 中完成u i 界面的设计和w i n d o w s 消息的处理( 如图2 所示) ； 在程序初始化时，连接m a t l a b 引擎，如下( 在d l g h 包含”e n g i n e h ”) ： e n g i n e ：l = m h m a t ：d l g h i f ( ! ( m h m a t = e n 9 0 p e n ( ”o ”) ) ) a f x m e s s a g e b o x ( 一t ( ”c a n ts t a r tm a t l a be n g i n e ! ”) ) ： d l g c p po n i n i t d i a l o g ( ) r e t u r nf a l s e ： 3 、读取本次实验的相关参数( 跑合轮次、单元数、l 刮定光纤数等) ，如下： v o i dg e t c o n f i g ( ) 读出c o n f i g i n i 文件中的参数 c n r e p e a t t i 盯1 e s = ：g e t p r i v a t e p r o f i l e i n t ( ”s y s t e m ”，”r e p e a t t i m e s ”，n u l l ，”c o n f i g i n i ”) c n s o l i d n u m = ：g e t p r i v a t e p r o f i l e i n t ( ”s y s t e m ”，”s o l i d n u m ”，n u l l ，”c o n f i g i n i ”) ： c n u n i t n u m = ：g e t p r i v a t e p r o f i l e i n t ( ”s y s t e m ”，”u n i t n u 珊”，n u l l ，”c o n f i g i n i ”) ： c n a x e s = ：g e t p r i v a t e p r o f i l e 工n t ( ”p a o h e ”，”c e n o r e c c ( o 1 ) ”，n u l l ，”c o n f i g i n i “) ： c n p a o h e t i m e s = ：g e t p r i v a t e p i o f i l e i n t ( ”p a o h e ”，”p a o h e t i m e s ”，n u l l ，”c o n f i g i n i ”) ： c n f e n d u t i m e s = ：g e t p r i v a t e p r o f i l e i n t ( ”p a o h e ”，”f e n d u t i m e s ”，n u l l ，”c o n f i g i n i ”) ： c n f e n d u a n 9 1 e = ：g e t p r i v a t e p r o f i l e i n t ( ”p a o h e ”，”f e n d u a n g l e ”，n u l l ，”c o n f i g i n i ”) ： c n n e e d s o l i d = ：g e t p r i v a t e p r o f i l e i n t ( ”s y s t e m ”，”n e e d s o li d ”，n u l l ，”c o n f i g i n i ”) ： c n f i r s t p a o h e = ：g e t p r i v a t e p r o f i l e i n t ( ”p a o h e ”，”f i r s t p a o h e ”，n u l l ，”c o n f i g i n i ”) ： c n l a s t p a o h e = ：g e t p r i v a t e p r o f i l e i n t ( ”p a o h e ”，”l a s t _ ) a o h e ”，n u l l ，”c o n f i g i n i “) ： ) 4 、选定本次实验的跑合形式，进行数据处理： 5 、将处理结果画图，如下所示： v o i dd r a w c h o n g f u d i n g w e i ( ) ( 内存准备 1 4 第2 章控制及测试软什系统概述 一 i f ( m p a i r a y ! = n u l l ) m x d e s t r o y a r r a y ( m p a l l l a y ) ： h i p a r r a y = m x c i e a t e d o u b l e m a t r i x ( m d f h n r o w s ，m d f h n c o l s ， m x r e a l ) ： i f ( m p d a t a ! = n u l l ) v i r t u a l f r e e 佃一p d a t a ，o ，m e m r e l e a s e ) ： m p d a t a = ( d o u b l e 木) v i r t u a l a l l o c ( n u l l ，m d f h n d a t a s i z e ， i e m c o m m i t ，p a g e r e a d w r i t e ) z e r o m e m o r y ( i i 】p d a t a ，m d f h n d a t a siz e ) ： 数据准备 f s e e k ( i n h f i l e ，s i z e o f ( m d f h ) + 1 一n i n d e x 牛( m d f h n b l o c k s i z e ) ，s e e k s e t ) f r e a d ( m d h ，s i z e o f ( m d h ) ，1 ，m h f il e ) f i e a d ( m p d a t a ，m d f h n d a t a s i z e ，1 ，m h f il e ) ： m e m c p y ( ( v o i d 爿：) m x g e t p r ( m p a r r a y ) ， ( v o i d ) i c ) m p d a t a ，m d f h n d a t a s i z e ) ： 调用m a l t 卧引擎，进行画图横坐标误差 e n g p u t v a r i a b l e ( m h m a t ，”m d a t a ”， m p a r r a y ) ： e n g e v a l s t r i n g ( m h m a t ， ”s u b p l o t ( 2 ，1 ，1 ) ：”) ： e n g e v a l s t r i n g ( m h m a t ， ”p l o t ( m d a t a ，一丰) ：”) ： s d r i n t f ( ms c m d ，”t i t l e ( 第4 d 号单元s 的横坐标误差) ：”，m n i n d e x ，m d h s u n i t i d ) e n g e v a l s t r i n g ( m h m a t ， m s c m d ) ： e n g e v a l s t r i n g ( m h m a t ，”x l a b e l ( 分度点) ：”) ： e n g e v a l s t r i n g ( m h m a t ，”y l a b el ( 洪差( u m ) ) ：”) ： 纵坐标类似 6 、生成统计文件并进行分析。 l s y s t e n a r n d i r = f ：la r r i o s t d a t a b i a o d i n g d i r= f ：l a i 【l o s t d a t a 、 d a ta d i r= f ：l 蜘口s t d a ta c a l if a c t 。r s = f ：l a i n o s td a t a n e e d f i l e = o n e e d s 0 1id ；4 三黧：罢二：；3 三二；萎； c e n te r y o = 一2 8 3 1u ：三呈。 ：矗；= 言i 。：q 。一 ：2 8 8 r n a x 一上1g h t p 0 i n t n u 一凸o s 0 1 i d n u i n 2 4 l m itr l l u t f = 17 1 = 2 = 1 8 1 = 1 = o 2 3 ，5 测试结果与分析 图2 4c o n f i g 文件 如图2 5 所示，为实验0 7 1 2 0 3 j 8 3 6 3 2 一e c c 一3 0 0 0 中第1 4 号单元a 8 5 ，在1 0 轮重复定位跑合中的平均误差图谱。 其中，不同颜色的线条代表了不同的跑合轮次，线条上的点为c c d 采样位置 ( 共2 2 次) 。上图为该单元的横坐标误差分布图谱，下图为该单元的纵坐标误差 分布图谱。由图易知，该单元本次跑合实验的重复定位精度在( 一5 ，+ 5 ) u m 以内， 定位精度相当高，说明该单元的可重复性好、稳定性好。 1 5 txca g n_ 1tc1f a a t t a a a d d t l 1 d a y b d s 2e s s e 1 n e h e g r n o h n 廿1 a o a t t p a 芒乏。j o d h d s t a n o n r s p e a e i a d f p f f l 第2 章控制及测试软件系统概述 2 4 软件测试 评价一个软件系统优劣的标准是它是否能长期稳定地运行，并在一定的效率 前提下完成既定的功能和目标。软件测试的目的是为了尽早发现软件中存在的错 误和缺陷，并加以改正。对于o f p s 来说，其最终的目的是能够稳定可靠、在规 定时闻内完成观测任务以及糖应的调试、跑食任务。基予这一原则，我们对凹蹈 控制软件进行了具体的测试，并接受了l a m o s t 项圈工程组的验收和评价。 软件测试流程一般包括单元测试、集成测试、系统测试和验收测试，不同的 测试阶段对应着不同的设计阶段，图2 6 描述了软件测试的v 模型。本节主要分 绍o f p s 通讯模块的测试所涉及的测试鼹标、方法、输入和输出等。 图2 6 软件测试和v 模型 2 4 1 测试目标 0 f 鼹通讯模块的测试霉标瞬确如下： 1 功能测试 功能上满足l a 麟t 小焦面系统的观测需求，能够稳定地、完整地运行观 测流程，达到龉黔的设计要求； 2 。性能测试 通过小焦面系统的实际运行，发现并解决在测试中的程序漏洞，满足观 测定位的时间要求和精度要求； 3 可靠性测试 包括安全性测试，软件能长期稳定运行，能有效防止各种错误或意外的 产生，并具备一定的从错误和异常中恢复的能力，为大焦面系统提供技术经 验，做好数据上、程序上和文档上的各种准备。 第2 章控制及测试软件系统概述 2 。4 。2 测试计划 0 f p s 的内部测试计划主要基于三个级别： 1 单元测试 单元测试是在软件开发过程中进行的最低级别的测试活动，在单元测试 中，软件的独立单元将在与程序的其他部分在相隔离豹情况下进行测试。 在o f p s 的设计中，须进行测试的基本单元是类。单元测试不仅仅是作为 无错编码的一种辅助手段在一次性的开发过程中使用，单元测试必须是可重 复的，无论是在软彳誊修改，或是软件移植的过程中。经常与单元溯试联系起 来的开发活动包括代静态分析( s t a t i ca n a l y s i s ) 8 、动态分析( d y n 锄i e a n a l y s i s ) 和非功能测试9 。静态分析就是对软件的源代码进行研读，查找错 误或收集数据，并不对代码进行编译和执行。动态分析就是通过观察软件运 行时的状态，来提供执行跟踪，时闻分析，以及测试覆盖度方面的信息。 单元测试的工作由o f p s 开发人员在整个开发过程中来执行。 2 集成测试 集成测试，也瑟鼙缀装测试或联合测试。在单元测试的基础上，将所有模 块按照设计要求组装成为子系统或系统，进行集成测试。实践表踞，一些模 块虽然能够单独地工作，但并不能保证连接起来也能正常的工作。程序在某 些局部反映不出来的问题，在全局上很可能暴露出来，影响功能的实现。 集成测试应该考虑以下问题： 1 ) 在把各个模块连接起来的时候，穿越模块接口的数据是否会丢失； 2 ) 各个子功能组合起来，能否达到预期要求的父功能； 3 ) 一个模块的功能是否会对另一个模块的功能产生不利的影响； 4 ) 全局数据结构是否有问题； 5 ) 单个模块的误差积累起来，是否会放大，以致达到不可接受的程度。 集成测试在各模块完成后由0 f p s 开发人员执行。 3 系统测试 系统测试是对整体性能的测试，主要解决各子系统之间的数据通信和数 据共享问题，以及检测系统是否达到用户的实际要求。系统测试的依据是系 统分析报告。系统测试应在系统的整个范围内进行，这种测试不只对软件进 行，面是对构成系统的硬、软件一起进行。 系统测试与构建同时进行或略慢。系统测试需要确认从头到尾的功能正 常才算完成，应当尽量避免系统测试延到项目末尾进行。 8 ：通常包括代码评审和代码走查( c o d er e v i e w ) 。 9 ；如对单元的性能、压力和可靠性的测试。 1 8 第2 章控制及测试软件系统概述 2 4 3 测试方法 软件测试的基本方法是依次进行单元测试、集成测试和系统测试，并在 发现错误的同时，改正错误，图2 7 以单元测试为例说明了进行软件测试的 过程。在实际的测试中，单元测试、集成测试和系统测试三个过程通常是交 错进行的。然而由于单元测试在开发软件的同时也在进行，因而一般提前结 束。更常见的是，集成测试和系统测试交错进行，只有在测试时发现单元设 计上有严重问题，才可能改变单元的具体设计，并重新进行单元测试。 ；：o 单元测试的输入 j：j 且 2 执行单元测试h 翥蓑帮器 点1 | | 、 卜分析结果 毫 羔 一：赫 修改 脚本 i ：2 ：i ：i - ：一事：元测试粤输出一 | 图2 7 单兀测试的过程 2 4 4 测试结果 测试结果的评判以测试的输出与预先估计的结果是否相符合为标准。为了保 证系统的正确性与健壮性，对于每一个可能出现的情形，均要进行模拟测试，以 免出现未知的错误。如条件判断语句的所有分支均要进行输入测试，每个可能造 成错误的边界条件均要进行输入测试。 经过系统开发人员进行单元测试和集成测试后，o f p s 小焦面系统进行了长时 间的跑合测试( 参见前章) ，这同时也是对o f p s 软件系统和硬件控制的全面测试， 其中发现了诸多错误，并均已将之改正，在此基础上了，接受了l a m 0 s t 项目专 家小组的验收，受到了诸多好评1 0 【9 1 。 1 0 ：参见文献光纤定位小系统的研制报告。 1 9 第2 章控制及测试软件系统概述 2 5 本章小节 本章简单介绍了l a m o s t 项目光纤定位小焦面系统的物理结构，在此基础上 详细介绍了o f p s 系统的软件配置情况控制软件系统及测试软件系统，并简 单介绍了软件的测试工作和结论。通过上述的实验结果不难发现，目前l a m o s t o f p s 系统的情况已经能够基本满足工程项目的需要。 在第4 章和第5 章中，作者将分别介绍0 f p s 系统的上层通讯模块和下层通 讯模块的设计、具体实现以及相关的工作。 2 0 第3 章数据库设计 件环境。因此，一条数据库语句的执行将不仅仅是简单地说明是否完成该语句 的功能，而是要引起系统环境和状态的一系列变化，它们通常由d b m s 管理。 3 2 2m y s q l 的c 语言a pi ca p i 代码是随m y s q l 分发的，它被包含在m y s q l c l i e n t 库且允许程序存取 一个数据库。大多数客户a p i ( 除了j a v a ) 都使用m y s q l c l i e n t 库与m y s q l 服务 器通信。 客户有一个最大通讯缓冲区大小，初始分配的缓冲区大小( 1 6 k b ) 自动地增 加到最大尺寸( 缺省的最大值是2 4 m ) 。通讯缓冲区必须足够大以便存放一个单独 的s q l 语句( 对客户一服务器传输) 和一行返回的数据( 对服务器一客户传输) 。 每个线程的通讯缓冲区被动态扩大到最大限制来处理任何查询或行数据9 。 m y s q l 服务器在每个查询后缩小每个通讯缓冲区到n e t u f f e r - l e n g t h 个字节。 对客户，与一个连接相关的缓冲区的大小没被减少，直到连接被关闭，在此时客 户内存被回收。 表3 2 中列出了c 语言a p i 的数据类型定义： 表3 2m y s q lca p i 数据类型 数据类型含义 m y s q l一个数据库连接的句柄 m y s q l r e s 代表返回行的一个查询的的结果集合 m y s q l r o w 一个行数据的类型安全的表示 m y s q l f i e l d 包含字段信息，例如字段名、类7 5 0 0 6 8 1 8 2 a8 7 0 9 6 5 40 了4 2 8 试丽萌? j n 丽- ”j 9 6 0 0 0 嘲o2 撕蕊 68182 ：3 8 。6 3 6 40 0 0 0 026522262 2 2 3 1 8 34 4 3 1 8 2：0 0 0 0 0 了38641 0 5 6 4 757443255682 8 5 2 2 r小一3 咖 ；一： 一 15 4 个 一5 4 个 6 个一 大一5 u m 6个r 大于8 u m 5个 5一 ：大一1 0 u 5个一 一4 个 图2 6 实验结果 第3 章数据库设计 息以及定位单元标定曲线。定位单元中心、偏心轴的运动是通过给定位单元控制 器发送脉冲来控制的，理论上相应的角度对应相应的脉冲数。然而，由于机械运 动误差、加工误差、测量误差以及其他系统误差和随机误差的存在，理论的脉冲 数与实际脉冲数有一定的差值。 所谓标定曲线，就是我们事先对于每个定位单元预先跑合一定次数，记录其 对应角度的脉冲数( 对于标定点中间的部分，可采取差值的办法) ，在实际测量 第3 章数据库设计 我们编写了如下代码来更新数据库的记录： b 0 0 lu p d a t e e e l l 王n f o ( e 嚣l l 王n f 0 奉c e 王l i n f o ) f 蝌s q l e s 拳 r e s ：保存查询记录集的数据结构 c s t r i n gs q l ： 查询的s l 语句 s q l f o r m a t ( ”s e l e c t 奉行伽毗c e l l i n f ow h e r ec e l l 一i d = s ”， e e 王王i n f o 。e e l 王主琏) ： i f ( ! m y s q l - q u e r y ( m y s q l ，s q l ) )m y s q l 保存当前数据库连接的旬柄 r e s 硼y s q l s t o r e - r e s u l t ( m y s q l ) ； 保存当前查询记录集 i f ( r e s 一 r o w _ c o u n t = = 。) 空记录 m y s q l j r e l r e s u l t ( r e s ) ： 释放内存 使用e e 王l i n f o 结均来壤充s 鹰l 操作枣( 至n s e r t 操作) r e t u r n ! m y s q l q u e r y ( m y s q l ，s q l ) ； e l s e 存在当前记录 m y s q l f r e e r e s t l l t ( r e s ) ： 使用c e l l i n f o 结构来填充s q l 操作串( u p d a t e 操作) r e t u r 珏! m y s q 王q u e r y 酝y s q l ，s 堪王) ： ) r e t u r nf a l s e ： 表3 。2 列出了l 潮腿类的功能成员丞数。 表3 2l a l l l d b 类的数据库接口 函数名称参数列表意义描述 e o n n e e t ( )v o 主d连接数据库服务器 c l o s e ( ) 1 1 s q 胁 关闭指定的数据库连接 e r e 8 t e 麴，( )岱t r i n g怠建数据库 s e l e c t d b ( )i n t选定数据库 i n i t p a n e