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【RT-Thread开源作品秀】基于RT-Thread的星务平台研究

2023-05-16

本作品为了验证星务软件在RT-Thread系统运行的可行性，底层是否能够驱动星务软件，同时扩展RT-Thread应用范围。ART-Pi作为卫星下位机，星务前端用VS2010开发，两者之间通过异步串口通信。星务前端发送遥控指令，ART-Pi能够正常解析运行，并且能把星务的一些状态遥测发送至星务前端，方便地面人员查看。本作品设计的线程只有星务线程，采集线程，姿控线程，地测线程，Free线程，正常的卫星软件不止这五个线程，简化为这五个，涉及到的外设也简化为只有定时器与异步串口。

代码地址

RTT软件地址：

https://gitee.com/xudongxiao2020/rtt-competition-use.git

上位机软件地址：

https://gitee.com/xudongxiao2020/rtt-competition-use-upper.git

开发环境

硬件：ART-Pi开发板

RT-Thread版本：RT-Thread 4.0.2

开发工具及版本：RT-Thread Studio 1.1.5，Visual Studio 2010

RT-Thread使用情况概述

内核部分：线程操作（创建，挂起，删除），二值信号量

组件部分：软件定时器，异步串口，

软件包：无

其他：无


硬件框架

本作品验证RT-Thread系统，软件方面应用较多，底层硬件只需要一个ART-Pi开发板模拟卫星系统即可。ART-Pi作为卫星下位机，星务前端用一个PC代替即可，硬件框架如图1所示。

图1 硬件框架

软件框架说明

软件框架如图2所示，软件定时器以4Hz频率给星务线程信号量，星务线程启动后，检测其他各个线程的运行状况，核对线程运行时间，核对软件狗计数是否超过阈值，核对运行时间片，当都满足后，给所有线程信号量。设计的各个线程优先级如表1所示，由表可知，星务线程优先级最高，会一直运行至等待下一个信号量，依据RTT线程抢占运行原理，次一级优先级线程运行。所以在一个时间片内，线程运行顺序为，星务线程→采集线程→姿控线程→地测线程→Free线程。图中的遥测遥控部分在下一章节“软件模块原理”描述。

软件定时器于整秒处开始运行，定时器间隔为250ms，将0-249ms定义为时间片TASK_ROUNDA，将250-499ms定义为时间片TASK_ROUNDB，将500-749ms定义为时间片TASK_ROUNDC，将750-999ms定义为时间片TASK_ROUNDD。各线程运行时间片如表2所示。

图2 软件框架

软件模块说明

软件模块分为遥控上传，遥测下传，星务软件管理三个部分，遥控上传流程图如图3-a，3-b所示。

图3-a 遥控流程

                    图3-b 遥控流程

1．遥控流程

星务前端依照表3所示的遥控包结构组包，并通过异步串口发送至ART-Pi串口6，其中类型占用2个字节，定义如表4所示。

分系统类型：星务线程0x00，请求线程0x01，姿控线程0x02，无0x03.

指令码：自定义

地测线程将串口6FIFO读空，按照表3结构循环解析解析遥控指令，直到无可用遥控包，然后将合法遥控包存储到遥控指令缓存，等待线程来取指令；地测在存储指令前，查看遥控指令缓存是否有可用空间，有可用空间则将指令存储，并将标志位置有效状态，线程检测本线程对应的指令在缓冲区中有有效状态指令时，将指令取出，并将标志位置空闲。具体遥控指令说明参考附录。

2．遥测流程

遥测流程星上程序简单，地测线程依据包发送的时间片，符合本周期则发送，不符合则丢弃，发送的数据包结构符合表3，包下发的具体信息请参考附录。具体解包流程可参考上位机代码，非本设计详述部分，故不再赘述。

3.星务软件管理

星务初始化时，初始化各个线程，初始化硬件等；当星上软件运行起来时，检测各个线程状态，给合法线程信号量。当前线程共有三种状态，即允许运行、线程挂起、线程停止。各个线程的状态不仅受到遥控指令控制，还会与星务软件狗有关，各个线程之间的转换关系如图4所示。

图4 线程状态转换与遥控指令对应关系

图4中，红字表示发送的遥控指令，圆圈内表示当前线程状态。

星务软件设计了软件狗，软件狗的作用是为了防止线程死循环，将整个优先级之后的的线程同时卡死的问题，具体过程是每次当星务给线程信号量时，此线程对应的软件狗计数会累加，当线程运行至线程循环底部时，会将软件狗清零；如果在一个周期内，程序由于卡死在死循环或者是任务循环次数过大，导致本周期未运行至函数体底部，则星务会继续累计软件狗，当次数大于设置值时，依据设置的方式对线程处理，线程重启或者是整个操作系统重启。

演示效果

图5 星务前端上位机界面1

图6 星务前端上位机界面2

图7 实物照片

比赛感悟

本作品较好的实现了原定的目标，在真实情况下，RTT也会有较好表现，扩展了RTT的应用范围，对其他的类似系统也有很好的借鉴作用；但是作为功能强大的ART-Pi开发板，真正用到的功能较少，后期可以再开发一些其他的有意义的应用。

本作品所用的代码与实际卫星使用代码原理一致而具体不同，有部分借鉴的成分，主要的困难是需要将星务系统底层适配RTT，并且不能照抄原版代码，一是为了避免涉密，二是为了提高移植的意义，使我对整个卫星的软件框架有了很好的认识，对我本人从事的工作也有很好的促进作用。而且开源卫星代码的原理也让卫星代码圈子增加一点生态，也对其将来的发展有好的促进作用。

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