AMS慢控制系統(tǒng)實時任務調度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O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、暗物質以及宇宙射線。AMS-02慢控制系統(tǒng)完成探測器的事務管理、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)議的設計，在滿足AMS-02慢控制系統(tǒng)設計指標的基礎上，對系統(tǒng)多任務處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性設計展開深入研究。論文研究

2、工作基于AMS-02反物質研究系統(tǒng)（AIS）進行，經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，采用分層分布式結構，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)采集與控制四層結構。給出了集中監(jiān)控層和子探測器分散監(jiān)控層基于CAN總線的互連結構。采用商用數(shù)字式溫度傳感器，設計實現(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處理需求，基于COTS實時內核，設計實現(xiàn)了主控計算機嵌入式實時操作系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)中斷處理機制的設計，基于多級隊列調度給出了系統(tǒng)基本調度器設計。 （3）針對主控計算機的混合實時任務調度問題，提出了一種采用兩級調度擴展實時操作系統(tǒng)內核的方法。算法為每個應用程序預留一定的處理器資源，在應用程序內部，獨立的采用速率單調算法調度各任務。采用有界延遲資源模型描述處理器資源劃分。將網

4、絡運算分析方法引入資源預留系統(tǒng)的可調度性分析，給出了速率單調調度的可調度利用率上界，同時給出了一個基于任務運行參數(shù)的可調度性充分條件，基于該充分條件給出了系統(tǒng)資源分配參數(shù)的設計方法。 （4）在分層調度框架下，針對主控計算機的軟實時應用，提出了一種基于反饋調度的實時性能優(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截止期錯失率控制目標，給出了一種基于預測控制的反饋調度控制器設計

5、，預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)化結果為使系統(tǒng)可調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通信調度算法。算法采用集中調度策略，總線調度器周期性計算調度表，運行中按調度表在基本周期內進行消息調度。提出一種在基本周期內采用可延期服務器預留帶寬為非周期消息服務