AMS慢控制系統(tǒng)實時任務(wù)調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計與研究.pdf

1、阿爾法磁譜儀（AMS-02）實驗是國際空間站（ISS）上的一個大型空間物理實驗，其主要物理目標是探測來自于宇宙深處的反物質(zhì)、暗物質(zhì)以及宇宙射線。AMS-02慢控制系統(tǒng)完成探測器的事務(wù)管理、狀態(tài)監(jiān)測以及運行控制，它是保證探測器在空間穩(wěn)定和可靠運行的關(guān)鍵。 本論文重點圍繞系統(tǒng)主控計算機嵌入式操作系統(tǒng)的研制和CAN通信協(xié)議的設(shè)計，在滿足AMS-02慢控制系統(tǒng)設(shè)計指標的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)多任務(wù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性設(shè)計展開深入研究。論文研究

2、工作基于AMS-02反物質(zhì)研究系統(tǒng)（AIS）進行，經(jīng)AIS測試和驗證的軟件目前已進入AMS-02發(fā)射前的系統(tǒng)集成。 論文主要研究成果如下： （1）建立了慢控制系統(tǒng)的層次化功能模型，采用分層分布式結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)分為地面控制中心、探測器集中監(jiān)控、子探測器分散監(jiān)控和前端數(shù)據(jù)采集與控制四層結(jié)構(gòu)。給出了集中監(jiān)控層和子探測器分散監(jiān)控層基于CAN總線的互連結(jié)構(gòu)。采用商用數(shù)字式溫度傳感器，設(shè)計實現(xiàn)了AMS-02溫度采集系統(tǒng)，給出了提高溫度

3、采集系統(tǒng)可靠性的方法。 （2）針對主控計算機多任務(wù)處理需求，基于COTS實時內(nèi)核，設(shè)計實現(xiàn)了主控計算機嵌入式實時操作系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)中斷處理機制的設(shè)計，基于多級隊列調(diào)度給出了系統(tǒng)基本調(diào)度器設(shè)計。 （3）針對主控計算機的混合實時任務(wù)調(diào)度問題，提出了一種采用兩級調(diào)度擴展實時操作系統(tǒng)內(nèi)核的方法。算法為每個應(yīng)用程序預(yù)留一定的處理器資源，在應(yīng)用程序內(nèi)部，獨立的采用速率單調(diào)算法調(diào)度各任務(wù)。采用有界延遲資源模型描述處理器資源劃分。將網(wǎng)

4、絡(luò)運算分析方法引入資源預(yù)留系統(tǒng)的可調(diào)度性分析，給出了速率單調(diào)調(diào)度的可調(diào)度利用率上界，同時給出了一個基于任務(wù)運行參數(shù)的可調(diào)度性充分條件，基于該充分條件給出了系統(tǒng)資源分配參數(shù)的設(shè)計方法。 （4）在分層調(diào)度框架下，針對主控計算機的軟實時應(yīng)用，提出了一種基于反饋調(diào)度的實時性能優(yōu)化算法。算法能夠根據(jù)負載的動態(tài)變化自適應(yīng)的優(yōu)化處理器資源分配。采用模糊隸屬度描述處理器利用率與任務(wù)截止期錯失率控制目標，給出了一種基于預(yù)測控制的反饋調(diào)度控制器設(shè)計

5、，預(yù)測控制的性能指標表示為控制目標的綜合滿意度，給出了基于分枝定界算法的優(yōu)化求解算法，優(yōu)化結(jié)果為使系統(tǒng)可調(diào)度能力滿意程度達到最好的處理器利用率增量估計值。進而給出了一種貪婪的任務(wù)周期再分配算法。 （5）針對慢控制系統(tǒng)CAN通信的實時性要求，提出一種基于時間觸發(fā)的CAN通信調(diào)度算法。算法采用集中調(diào)度策略，總線調(diào)度器周期性計算調(diào)度表，運行中按調(diào)度表在基本周期內(nèi)進行消息調(diào)度。提出一種在基本周期內(nèi)采用可延期服務(wù)器預(yù)留帶寬為非周期消息服務(wù)