光电伺服控制软件调试工具顶层框架设计与应用
廖洪波+朱文亮+王永宏+范大鹏
摘 要：光电伺服控制软件作为光电稳定平台的重要组成之一，如何进行有效调试是工程技 术人员越来越关注的问题。针对光电伺服控制软件的特点，分析了其在调试过程中存在的用传统 调试方法难以解决的问题。基于这些问题，提出了一种专门针对此种软件调试的顶层方案，论述 了调试工具的功能需求和设计的关键问题，采用模块化编程思想，构建了调试工具的顶层框架。
关键词：光电伺服控制软件；调试工具；框架设计
中图分类号：TP311.56 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）01-0057-04
TheTopFrameworkDesignandApplicationofDebugging ToolforOptoElectronicServoControlSoftware
LIAOHongbo，ZHUWenliang，WANGYonghong，FANDapeng
（NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China）
Abstract：Optoelectronicservocontrolsoftware（OESCS）isanimportantcomponentoftheopto electronicstabilizedplatform，engineerspaymoreandmoreattentiontothedebuggingproblem.Thispa perstartsfromtheanalysisofthecharacteristicsofOESCS，theproblemsofOESCSdebuggingprocess whichisdifficulttosolvebyusingtraditionalmethodarestated.Accordingtotheseproblems，thespecial isticdebuggingtoolforOESCSisdesigned.Thefunctiondemandanddesignessentialsarediscussed，and thetopframeworkofdebuggingtoolisconstructedusingthemodularprogrammingidea.
Keywords：optoelectronicservocontrolsoftware；debuggingtool；frameworkdesign
0 引 言
光电稳定平台的目的在于隔离载体扰动，实 现光电探测器视轴稳定和精确瞄准等功能。光电 伺服控制系统作为平台的核心组成之一，它的实 现直接关系到光电稳定平台是否能够正常工 作[1-2]。随着计算机技术的发展，数字伺服控制系 统越来越多地应用于光电伺服控制中。相对于模 拟控制而言，数字控制的硬件结构简单，容易标准化，具有很高的噪声容限，可通过软件实现更为复 杂的控制律[3-5]。数字伺服控制系统是通过软件编 程的方法实现各种控制算法和各项控制功能，从 而形成一套针对目标对象的伺服控制软件，但此 软件从研制开发到形成产品，需要经过反复的调 试、测试和验证过程，需要花费工程技术人员大量 的时间和精力，还不一定取得比较好的效果。因此 为了把工程技术人员从繁重的程序调试工作中解 放出来，同时实现对软件各项功能的测试，需要开 发一种针对此种软件的专用调试工具。
本文从分析光电伺服控制软件调试过程中存 在的问题角度出发，提出解决问题的方案，即设计 一种服务于此种软件调试工作的调试工具。通过对调试工具的功能需求和设计关键问题分析，构 建其顶层结构框架，为调试工具的具体实现提供 软件框架设计方面的依据。
1 光电伺服控制软件调试中的问题分析
1.1 软件特点分析
光电伺服控制系统中的电流环回路，由模拟 控制器实现；位置预定回路、速度控制回路、陀螺 稳定控制回路和跟踪控制回路都由数字控制器实 现。目前，在数字控制器的设计过程中，dSPACE 半实物仿真系统由于实时性、控制器设计和验证 快速性等优异性能，在光电伺服控制系统开发中 得到越来越广泛的应用，已成为光电伺服控制系 统中各控制回路控制器设计和验证必不可少的工 具。然而，光电伺服系统各控制回路的实现是以 DSP（TMS320F2812）主控芯片为硬件基础，在集成 开发环境（CCS）中基于C语言的编程实现的，并 通过调试-修改-调试的过程，形成一套完整的 为光电稳定平台伺服控制服务的软件系统，如图1 所示。
图1中，各控制回路控制器设计和验证是在 dSPACE半实物仿真系统中完成，以各回路控制器 为基础的光电伺服控制各项功能的实现是在DSP 中编程实现的。虽然光电伺服系统所需功能根据 任务需求有所不同，但它们通常都包括以下几个 主要功能：稳像功能，隔离载体扰动对图像的影 响；位置锁定功能，根据控制指令，使平台视轴指 向预定的角度位置；搜索功能，根据控制指令，在 惯性空间内按照设定方式和范围运动并搜索目标； 跟踪功能，让平台自动跟踪目标运动，实现对目标的定位和瞄准；上电自检和故障诊断功能，检测各 传感器工作是否正常，实现对平台信息的初始化， 初步实现对平台常见故障的自诊断；通信功能，实 现平台与上位机或者其他信息节点之间的数据交 换。为了降低编程的复杂性，增加程序的通用性， 采用模块化的编程思想[1-2]，依据各功能需求，对 软件结构进行模块化划分，如图2所示。
1.2 软件调试过程中存在的问题
通过对光电伺服控制软件特点的分析发现， 在光电伺服控制软件的调试过程中存在以下几个 方面亟待解决的问题：
（1）在软件调试过程中，为了检测各传感器 的信号是否正常，需要在不中断程序运行的情况 下对传感器信号进行实时监测。同样，光电伺服控 制系统由于多任务需求，存在多功能工作模式，面 临在不同工作模式之间进行切换的问题，需要在 线修改DSP软件程序中的指定变量，用传统的调 试手段难以得到圆满解决；
（2）光电伺服控制系统的调试是在工厂或者 实验室环境下完成的，而实际使用环境较调试环 境复杂很多，也更为恶劣，需要在调试环境下建立 一套模拟外部工作环境的硬软件系统对光电伺服 控制系统进行测试，故存在与外部硬软件环境之 间进行实时数据交换的问题。
由于光电伺服控制软件调试过程中存在的问 题有很强的专业性，用传统的软件调试方法很难 得到圆满解决，故本文提出了设计一种针对此软 件的调试工具的设想，以弥补其调试过程中存在 的不足。
2 调试工具顶层框架设计
2.1 功能需求分析
调试工具的功能需求是通过被调试软件的任务 需求确定的，作为一种专用于光电伺服控制软件调试工作的工具，它应满足以下三个方面的功能：
（1）各回路控制器性能验证功能。包括位置 预定回路、陀螺稳定回路和跟踪回路的控制性能 测试和验证；
（2）各种传感器信号和控制指令信号实时显 示功能。传感器信号包括位置传感器、测速传感 器、陀螺和图像跟踪器等，控制指令包括光电伺服 控制系统测试中常用的不同频率和幅值的正弦和 方波信号；
（3）辅助功能。包括系统自检、被调试软件的 故障监测与诊断、数据信息保存、陀螺漂移修正等。
同样按照模块化编程的思想，对上述每个功 能进行细化，构建调试工具软件顶层框架，如图3 所示。由于光电稳定平台多采用两轴结构，故调试 工具的每种调试功能需要实现对两轴的独立调试 和协同调试，在定义各轴变量时应该把不同的轴 单独定义。调试工具作为一个开放的软件系统，当 被调试软件有新的功能需要调试时，只需在已有 的软件框架下加入新的调试功能模块即可。
2.2 关键问题分析
目前，大多数光电伺服控制软件是在以DSP 为基础的硬件上实现的，DSP的软件开发与调试 是在CCS集成开发环境中完成，而调试工具往往 是基于另一种软件开发与调试环境，这两种硬软 件环境之间的实时数据交换是实现各项调试功能 的基础，如图4所示。
在调试工具的设计过程中，一方面，由于光电 伺服控制系统的伺服周期一般选择在1ms左右， 每完成一个伺服周期，系统的各种状态信息更新 一次。为了能够实时观测伺服控制系统各种状态 信息的变化，调试工具与光电伺服控制软件之间 的数据交换频率不能太低，小于或者等于伺服周 期为最优。另一方面，调试工具与光电伺服控制软 件之间进行数据交换时有可能包含几种数据信息， 这要求两者之间进行一次数据交换的信息容量足 够大。
3 实例应用
基于Matlab软件环境下编写的某光电伺服控 制软件调试工具采用了上面提出的框架设计思想， 调试工具的界面如图5所示。
调试工具界面主要由数据显示、控制命令发 送、曲线绘制以及操作控制按钮组成。按照调试工 具顶层框架设计的思想，数据显示主要实现了各 个传感器数据信息实时显示功能。控制命令发送 主要实现了电机使能、运动轴选择、各个控制回路 模式切换和激励信号参数设置的功能。曲线绘制 主要实现了当前所需要观测的传感器信息和激励 信号的实时绘图功能。操作控制按钮实现了界面 的运行、暂停和停止功能。
调试工具与光电伺服控制软件之间的实时数 据交换是通过4个RTDX通道完成的，一个RTDX 通道一次可以交换的数据为1012个字符类型的数 据，而完成数据交换的时间不受限制，因此保证了 数据交换的实时性和信息量大的要求。
4 结 论
本文针对光电伺服控制软件调试过程中难以 用现有调试手段解决的问题，提出了设计一种光电伺服控制软件专用调试工具的设想。通过对光 电伺服控制软件特点分析、调试工具的功能需求 和设计中关键问题的分析，采用模块化编程思想， 构建了调试工具软件顶层框架。实例应用表明：顶 层框架的设计为调试工具的具体实现提供了技术 指导。
参考文献：
[1]高新烨.光电搜跟系统控制软件的模块化设计[D].长 沙：国防科学技术大学，2011.
[2]李杰.光电侦察平台软硬件模块化设计[D].长沙：国防科学技术大学，2010.
[3]朱华征，范大鹏，马东玺，等.基于双DSP的导引头数 字控制系统设计[J].光电工程，2009，36（6）.
[4]马东玺，范大鹏，张连超.数字伺服控制系统软件模块 化设计[J].兵工自动化，2005，24（2）.
[5]文顺安.一种飞行控制数字信号处理系统设计[J].航 空兵器，2006（6）.
[6]张文山，刘增明.基于DSP/BIOS的空空导弹飞控软件 仿真[J].航空兵器，2007（3）.
[7]钱东海，余小鹏.嵌入式运动控制系统中软件的设计 [J].制造业自动化，2007，29（9）.
（2）光电伺服控制系统的调试是在工厂或者 实验室环境下完成的，而实际使用环境较调试环 境复杂很多，也更为恶劣，需要在调试环境下建立 一套模拟外部工作环境的硬软件系统对光电伺服 控制系统进行测试，故存在与外部硬软件环境之 间进行实时数据交换的问题。
由于光电伺服控制软件调试过程中存在的问 题有很强的专业性，用传统的软件调试方法很难 得到圆满解决，故本文提出了设计一种针对此软 件的调试工具的设想，以弥补其调试过程中存在 的不足。
2 调试工具顶层框架设计
2.1 功能需求分析
调试工具的功能需求是通过被调试软件的任务 需求确定的，作为一种专用于光电伺服控制软件调试工作的工具，它应满足以下三个方面的功能：
（1）各回路控制器性能验证功能。包括位置 预定回路、陀螺稳定回路和跟踪回路的控制性能 测试和验证；
（2）各种传感器信号和控制指令信号实时显 示功能。传感器信号包括位置传感器、测速传感 器、陀螺和图像跟踪器等，控制指令包括光电伺服 控制系统测试中常用的不同频率和幅值的正弦和 方波信号；
（3）辅助功能。包括系统自检、被调试软件的 故障监测与诊断、数据信息保存、陀螺漂移修正等。
同样按照模块化编程的思想，对上述每个功 能进行细化，构建调试工具软件顶层框架，如图3 所示。由于光电稳定平台多采用两轴结构，故调试 工具的每种调试功能需要实现对两轴的独立调试 和协同调试，在定义各轴变量时应该把不同的轴 单独定义。调试工具作为一个开放的软件系统，当 被调试软件有新的功能需要调试时，只需在已有 的软件框架下加入新的调试功能模块即可。
2.2 关键问题分析
目前，大多数光电伺服控制软件是在以DSP 为基础的硬件上实现的，DSP的软件开发与调试 是在CCS集成开发环境中完成，而调试工具往往 是基于另一种软件开发与调试环境，这两种硬软 件环境之间的实时数据交换是实现各项调试功能 的基础，如图4所示。
在调试工具的设计过程中，一方面，由于光电 伺服控制系统的伺服周期一般选择在1ms左右， 每完成一个伺服周期，系统的各种状态信息更新 一次。为了能够实时观测伺服控制系统各种状态 信息的变化，调试工具与光电伺服控制软件之间 的数据交换频率不能太低，小于或者等于伺服周 期为最优。另一方面，调试工具与光电伺服控制软 件之间进行数据交换时有可能包含几种数据信息， 这要求两者之间进行一次数据交换的信息容量足 够大。
3 实例应用
基于Matlab软件环境下编写的某光电伺服控 制软件调试工具采用了上面提出的框架设计思想， 调试工具的界面如图5所示。
调试工具界面主要由数据显示、控制命令发 送、曲线绘制以及操作控制按钮组成。按照调试工 具顶层框架设计的思想，数据显示主要实现了各 个传感器数据信息实时显示功能。控制命令发送 主要实现了电机使能、运动轴选择、各个控制回路 模式切换和激励信号参数设置的功能。曲线绘制 主要实现了当前所需要观测的传感器信息和激励 信号的实时绘图功能。操作控制按钮实现了界面 的运行、暂停和停止功能。
调试工具与光电伺服控制软件之间的实时数 据交换是通过4个RTDX通道完成的，一个RTDX 通道一次可以交换的数据为1012个字符类型的数 据，而完成数据交换的时间不受限制，因此保证了 数据交换的实时性和信息量大的要求。
4 结 论
本文针对光电伺服控制软件调试过程中难以 用现有调试手段解决的问题，提出了设计一种光电伺服控制软件专用调试工具的设想。通过对光 电伺服控制软件特点分析、调试工具的功能需求 和设计中关键问题的分析，采用模块化编程思想， 构建了调试工具软件顶层框架。实例应用表明：顶 层框架的设计为调试工具的具体实现提供了技术 指导。
参考文献：
[1]高新烨.光电搜跟系统控制软件的模块化设计[D].长 沙：国防科学技术大学，2011.
[2]李杰.光电侦察平台软硬件模块化设计[D].长沙：国防科学技术大学，2010.
[3]朱华征，范大鹏，马东玺，等.基于双DSP的导引头数 字控制系统设计[J].光电工程，2009，36（6）.
[4]马东玺，范大鹏，张连超.数字伺服控制系统软件模块 化设计[J].兵工自动化，2005，24（2）.
[5]文顺安.一种飞行控制数字信号处理系统设计[J].航 空兵器，2006（6）.
[6]张文山，刘增明.基于DSP/BIOS的空空导弹飞控软件 仿真[J].航空兵器，2007（3）.
[7]钱东海，余小鹏.嵌入式运动控制系统中软件的设计 [J].制造业自动化，2007，29（9）.
（2）光电伺服控制系统的调试是在工厂或者 实验室环境下完成的，而实际使用环境较调试环 境复杂很多，也更为恶劣，需要在调试环境下建立 一套模拟外部工作环境的硬软件系统对光电伺服 控制系统进行测试，故存在与外部硬软件环境之 间进行实时数据交换的问题。
由于光电伺服控制软件调试过程中存在的问 题有很强的专业性，用传统的软件调试方法很难 得到圆满解决，故本文提出了设计一种针对此软 件的调试工具的设想，以弥补其调试过程中存在 的不足。
2 调试工具顶层框架设计
2.1 功能需求分析
调试工具的功能需求是通过被调试软件的任务 需求确定的，作为一种专用于光电伺服控制软件调试工作的工具，它应满足以下三个方面的功能：
（1）各回路控制器性能验证功能。包括位置 预定回路、陀螺稳定回路和跟踪回路的控制性能 测试和验证；
（2）各种传感器信号和控制指令信号实时显 示功能。传感器信号包括位置传感器、测速传感 器、陀螺和图像跟踪器等，控制指令包括光电伺服 控制系统测试中常用的不同频率和幅值的正弦和 方波信号；
（3）辅助功能。包括系统自检、被调试软件的 故障监测与诊断、数据信息保存、陀螺漂移修正等。
同样按照模块化编程的思想，对上述每个功 能进行细化，构建调试工具软件顶层框架，如图3 所示。由于光电稳定平台多采用两轴结构，故调试 工具的每种调试功能需要实现对两轴的独立调试 和协同调试，在定义各轴变量时应该把不同的轴 单独定义。调试工具作为一个开放的软件系统，当 被调试软件有新的功能需要调试时，只需在已有 的软件框架下加入新的调试功能模块即可。
2.2 关键问题分析
目前，大多数光电伺服控制软件是在以DSP 为基础的硬件上实现的，DSP的软件开发与调试 是在CCS集成开发环境中完成，而调试工具往往 是基于另一种软件开发与调试环境，这两种硬软 件环境之间的实时数据交换是实现各项调试功能 的基础，如图4所示。
在调试工具的设计过程中，一方面，由于光电 伺服控制系统的伺服周期一般选择在1ms左右， 每完成一个伺服周期，系统的各种状态信息更新 一次。为了能够实时观测伺服控制系统各种状态 信息的变化，调试工具与光电伺服控制软件之间 的数据交换频率不能太低，小于或者等于伺服周 期为最优。另一方面，调试工具与光电伺服控制软 件之间进行数据交换时有可能包含几种数据信息， 这要求两者之间进行一次数据交换的信息容量足 够大。
3 实例应用
基于Matlab软件环境下编写的某光电伺服控 制软件调试工具采用了上面提出的框架设计思想， 调试工具的界面如图5所示。
调试工具界面主要由数据显示、控制命令发 送、曲线绘制以及操作控制按钮组成。按照调试工 具顶层框架设计的思想，数据显示主要实现了各 个传感器数据信息实时显示功能。控制命令发送 主要实现了电机使能、运动轴选择、各个控制回路 模式切换和激励信号参数设置的功能。曲线绘制 主要实现了当前所需要观测的传感器信息和激励 信号的实时绘图功能。操作控制按钮实现了界面 的运行、暂停和停止功能。
调试工具与光电伺服控制软件之间的实时数 据交换是通过4个RTDX通道完成的，一个RTDX 通道一次可以交换的数据为1012个字符类型的数 据，而完成数据交换的时间不受限制，因此保证了 数据交换的实时性和信息量大的要求。
4 结 论
本文针对光电伺服控制软件调试过程中难以 用现有调试手段解决的问题，提出了设计一种光电伺服控制软件专用调试工具的设想。通过对光 电伺服控制软件特点分析、调试工具的功能需求 和设计中关键问题的分析，采用模块化编程思想， 构建了调试工具软件顶层框架。实例应用表明：顶 层框架的设计为调试工具的具体实现提供了技术 指导。
参考文献：
[1]高新烨.光电搜跟系统控制软件的模块化设计[D].长 沙：国防科学技术大学，2011.
[2]李杰.光电侦察平台软硬件模块化设计[D].长沙：国防科学技术大学，2010.
[3]朱华征，范大鹏，马东玺，等.基于双DSP的导引头数 字控制系统设计[J].光电工程，2009，36（6）.
[4]马东玺，范大鹏，张连超.数字伺服控制系统软件模块 化设计[J].兵工自动化，2005，24（2）.
[5]文顺安.一种飞行控制数字信号处理系统设计[J].航 空兵器，2006（6）.
[6]张文山，刘增明.基于DSP/BIOS的空空导弹飞控软件 仿真[J].航空兵器，2007（3）.
[7]钱东海，余小鹏.嵌入式运动控制系统中软件的设计 [J].制造业自动化，2007，29（9）.
