AMS慢控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與研究.pdf

1、阿爾法磁譜儀（AMS-02）實(shí)驗(yàn)是國(guó)際空間站（ISS）上的一個(gè)大型空間物理實(shí)驗(yàn)，其主要物理目標(biāo)是探測(cè)來(lái)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(cè)器的事務(wù)管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及運(yùn)行控制，它是保證探測(cè)器在空間穩(wěn)定和可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。 本論文重點(diǎn)圍繞系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)的研制和CAN通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，在滿足AMS-02慢控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)多任務(wù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性設(shè)計(jì)展開(kāi)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(jìn)行，經(jīng)AIS測(cè)試和驗(yàn)證的軟件目前已進(jìn)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(cè)器集中監(jiān)控、子探測(cè)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(cè)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(jì)實(shí)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(duì)主控計(jì)算機(jī)多任務(wù)處理需求，基于COTS實(shí)時(shí)內(nèi)核，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了主控計(jì)算機(jī)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)中斷處理機(jī)制的設(shè)計(jì)，基于多級(jí)隊(duì)列調(diào)度給出了系統(tǒng)基本調(diào)度器設(shè)計(jì)。 （3）針對(duì)主控計(jì)算機(jī)的混合實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度問(wèn)題，提出了一種采用兩級(jí)調(diào)度擴(kuò)展實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核的方法。算法為每個(gè)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(dú)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(yùn)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(shí)給出了一個(gè)基于任務(wù)運(yùn)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(jì)方法。 （4）在分層調(diào)度框架下，針對(duì)主控計(jì)算機(jī)的軟實(shí)時(shí)應(yīng)用，提出了一種基于反饋調(diào)度的實(shí)時(shí)性能優(yōu)化算法。算法能夠根據(jù)負(fù)載的動(dòng)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(cuò)失率控制目標(biāo)，給出了一種基于預(yù)測(cè)控制的反饋調(diào)度控制器設(shè)計(jì)

5、，預(yù)測(cè)控制的性能指標(biāo)表示為控制目標(biāo)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(dá)到最好的處理器利用率增量估計(jì)值。進(jìn)而給出了一種貪婪的任務(wù)周期再分配算法。 （5）針對(duì)慢控制系統(tǒng)CAN通信的實(shí)時(shí)性要求，提出一種基于時(shí)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(jì)算調(diào)度表，運(yùn)行中按調(diào)度表在基本周期內(nèi)進(jìn)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)