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毕业设计论文
面向地面测试的终端显示软件设计与开发
姓名缪彬
学号2008011404
专业机械工程及自动化
指导教师张丹
南京航空航天大学金城学院
机电工程系
二О一二年六月
摘要
在卫星姿态与轨道分系统地面综合测试试验中，终端显示软件是保证地面测试顺利进行的必要环节。
终端显示软件的主要任务是通过网络接收中心机系统传送来的数据，并将其转化为图像、图形、曲线、字符等方式的信息提供给使用者。
该软件具有显示内容丰富，画面数量大，具备三维仿真显示能力，并且具有实时、可靠、交互性强、界面友好、操作简单等特点。
论文的主要工作如下：
（1）软件功能模块与总体结构的设计。
研究卫星姿轨控分系统地面试验的流程及测试需求，设计测试软件系统的功能模块与总体结构。
（2）软件通用性、灵活性与可扩展性研究。
将终端显示软件划分为多个功能相对独立的模块，并分析各个模块的实际任务与扩展性需求。
（3）标准数据包的接收与解码研究。
针对标准数据包格式设计其接收与解码流程，以及解码配置文件的具体定义。
（4）历史数据回放研究。
设计数据回放的控制机制以及具体的控制指令、配置文件集和数据回放流程。
（5）数据显示研究。
根据数据显示的具体需求，研究不同显示形式的具体实现方法。
关键词：
地面测试，终端显示，数据可视化，数据回放，模块化
第一章绪论
1.1研究背景与课题的来源
1.2研究意义及内容
1.2.1研究意义
1.2.2研究内容
1.3国内外关于数据可视化的研究现状
第二章终端显示软件总体设计
2.1终端显示软件需求分析
2.1.1软件设计需求
2.1.2软件设计目标
2.2软件总体设计
2.2.1设计原则
2.2.2软件功能模块划分
2.3涉及的关键技术
第三章关键技术研究
3.1终端显示软件功能模块与总体结构的设计
毕业设计总结与致谢
图表清单
图2.1软件模块实现层次
图3.1TCP接收方式
图3.2UDP接收方式
图3.3数据保存界面
图3.4变量选取
图3.5数据的实时曲线显示
图3.6曲线显示中的鼠标键功能
图3.7曲线参数设置
图3.8修改曲线的各种属性
图3.9载入已保存的曲线属性配置文件
图3.10保存曲线为图片
图3.11数据实时数值显示
图3.12选择曲线显示的离线数据
图3.13选择数值显示的离线数据
图3.14数据实时二元曲线显示
图3.15实时窗口保存
图3.16载入实时窗口
图3.17系统层次划分
图3.18INI文件格式
图3.19数据处理配置文件结构
图3.20Excel文件集与内存数据处理协议的对应转化关系
图3.21标准数据包的接收与解码流程
图3.22数据回放流程
图3.23数据显示实现流程
图3.24数据显示类的继承关系
图4.1终端显示软件配置信息读取界面
图4.2终端显示软件主界面
图4.3TCP网络连接设置界面
图4.4UDP网络连接设置界面
图4.5时间曲线显示界面
图4.6曲线显示参数设置界面
图4.7列表显示界面
图4.8数据回放控制面板界面
表2.1软件实现关键技术
表3.1数值类型
表3.2查询指令定义
表3.3查询指令类型
表3.4时间类型
表3.5操作指令定义
表3.6操作指令类型
表3.7控制指令配置文件“Command.xls”的格式定义
表4.1系统开发环境与开发工具
第一章绪论
1.1研究背景与课题来源
自1957年10月4日，世界上第一颗人造卫星进入太空以来，随着空间技术的不断发展，航天技术已经广泛应用于国民经济、军事、科学研究和社会生活的众多部门，产生了重大而深远的影响。
截至2003年底，世界各国和组织共成功发射了5635个航天器，其中90%是各类人造卫星，人造卫星是人类目前探索。
开发和利用太空的最重要工具，研制和发射人造卫星是世界各国航天活动的主要内容。
卫星是由多个分系统组成的整体，由于对发生故障的卫星进行在轨修复十分困难，卫星在太空中发生任何故障都可能造成灾难性的影响，因此为了及时发现并消除卫星上存在的各种故障和隐患，在卫星发射前通过地面测试试验对卫星的各项性能指标进行检验十分重要。
随着计算机和标准接口在卫星测试中的广泛使用，测试软件就成了测试系统必不可少的重要组成部分。
卫星测试通常分为单元级测试、分系统测试和整星测试，在实际的卫星测试工作中往往需要根据具体不同的测试阶段、测试任务和目的开发相应的测试软件，这样做就会形成多种多样的功能类似又不能通用的测试软件，因此如能设计一种通用的或者容易扩展的测试软件将极大的降低开发成本，减少对测试操作人员培训的工作量，并且在测试工作的不同阶段都能得到一致性良好的测试数据。
其中由于卫星姿态与轨道分系统地面综合测试时，涉及数十个单机以及数百个测试信号，测试操作人员通常根据这些测试参数的试验数值对控制系统进行实时监控与状态判断，数据的采集、解析的正确与否以及数据的可视化程度的好坏都直接影响到测试人员的判断。
因此有必要开发一套数据可视化程度好，满足需求的终端显示软件。
本文将以某型号卫星姿态与轨道控制分系统的地面试验为背景，在与某航天研究所的合作项目的支持下，进行面向地面测试的终端显示软件设计与开发的研究工作。
1.2研究意义及内容
1.2.1研究意义
本课题针对某型号卫星姿轨控分系统研制过程中的实际需求，设计并实现一套卫星姿轨控分系统地面综合测试的软件，并应用于实际的卫星研制过程中，为卫星的实时仿真、半物理仿真以及整星试验提供技术支持，保障卫星设计项目的顺利进行。
因此，开展卫星姿轨控分系统地面终端显示测试软件的研究与设计对于提高卫星测试效率，缩短研制周期，保证卫星可靠性与使用寿命具有非常重要的意义，在卫星的研制过程中具有重要的实用价值。
终端显示测试软件最重要的作用就是实时监测卫星各系统运行正确与否.
1.2.2研究内容
本文以某型号卫星姿态与轨道分系统地面试验为背景，在调研其实际的具体试验需求的基础上，设计终端显示测试软件的各个功能模块与总体结构，研究软件系统实现需要解决的多项关键技术，开发实现了卫星姿态与轨道分系统地面试验测试软件并将其应用于具体的卫星测试任务中。
本文研究的主要内容有：
（1）软件功能模块与总体结构的设计。
研究卫星姿轨控分系统地面试验的流程及测试需求，设计测试软件系统的功能模块与总体结构。
（2）软件通用性、灵活性与可扩展性研究。
将终端显示软件划分为多个功能相对独立的模块，并分析各个模块的实际任务与扩展性需求，将每个模块统一划分为配置文件集和通用模块两个层次，分别设计各个模块配置文件集中配置文件的格式以及对配置信息进行存储与读取的具体方式。
（3）标准数据包的接收与解码研究。
针对标准数据包格式设计其接收与解码流程，以及解码配置文件的具体定义。
（4）历史数据回放研究。
设计数据回放的控制机制以及具体的控制指令、配置文件集和数据回放流程。
（5）数据显示研究。
根据数据显示的具体需求，研究不同显示形式的具体实现方法。
1.3国内外关于数据可视化的研究现状
卫星姿态与轨道分系统地面试验时，涉及数十个单机以及数百个测试信号，测试操作人员通常根据这些测试参数的试验数值对控制系统进行实时监控与状态判断，目前测试数据的显示方式主要有：
（1）数值数据
将测试参数以列表的形式进行表现，直接显示测试参数的数值，这是测试数据最简单最直接的表现形式，特别适用于需要关注参数数值大小的场合，系统测试人员通常用参数列表对有相关性的几个参数进行数值对比。
其缺点是不够直观，当列表中的参数众多时系统测试人员很难及时发现异常。
（2）二进制源码
以二进制代码的形式显示数据包中的测试参数，该方法通常被测试人员用于对测试中异常问题进行进一步的定位与详细分析。
（3）曲线
将测试参数的数值以曲线的形式进行表现，适合表现数值随时间以固定规律变化的信号参数或者具有相关性的几个参数，这种情况下测试人员能够直观的看到参数数值的实时波动与基本变化趋势。
但由于曲线很难定量给出参数间的相互关系，通常将曲线作为数值数据显示方式的有益补充。
（4）文字
将测试参数的数值解释为具体的文字含义，该方式更适合表现具有某几个确定含义的测试参数，例如数值为1时表示太阳帆板展开，数值为2时表示捕获地球，数值为3时表示异常模式等。
直接显示文字能够让测试操作人员快速直观的理解测试参数目前的状态，从而减轻工作负担，提高测试效率。
（5）统计图形
将测试数据以柱状图、饼图、散点图等统计图形进行表现，该方式适合测试操作人员对历史测试数据进行离线的统计分析。
（6）图像与三维动画模拟
借助各种高质量的图像显示和直观、方便的可视化设计为测试人员提供更加完善、简洁、人性化的数据表现形式。
第二章终端显示软件总体设计
2.1终端显示软件需求分析
2.1.1软件设计需求
在本课题的研究中，卫星姿态与轨道分系统地面试验终端显示软件应用于分系统研制的终端显示，与分系统的研制同步进行设计开发，具有相互依赖的特性。
在系统研制的过程中采用终端显示测试软件对其进行实时监视，直观发现系统缺陷，然后改善系统设计，因此终端显示软件必需对各种测试参数进行实时的监测与分析，同时可以对数据库中的数据进行回放显示。
这就对终端显示软件提出了更高的新的要求。
由于在对卫星姿态与轨道分系统进行测试时，测试内容较为复杂，对终端显示软件的要求是比较高的，其特点为：
（1）被测参数多，测试速度要求高；
（2）要求终端显示软件操作简便，操作界面和结果显示直观醒目；
（3）终端显示软件具有基于TCP/IP和UDP协议的数据通信功能；
（4）终端显示软件具有测试数据的查询和解析功能
（5）终端显示软件能够以多种方式直观的显示测试数据；
（6）终端显示软件具有各种参数的配置功能。
（7）终端显示软件具有一定的通用性，能够同时应用于仿真实验室的测试和整星状态下的测试。
2.1.2软件设计目标
针对卫星姿态与轨道分系统地面试验的实际需求，本文建立分系统地面试验的终端显示软件，并将其应用于实际的卫星姿态与轨道分系统的地面测试试验中。
该终端显示软件的设计思想如下：
（1）较高的实用性。
依据卫星姿态与轨道分系统地面试验的实际应用需求进行设计，进行深入详细的需求调研，在保证功能实现的基础上，增强用户体验，提高软件的可用性；
（2）结构的合理性与通用性。
针对卫星姿态与轨道分系统边研制边测试验证的特点，采用模块化的设计思想，将终端显示软件划分为多个功能相对独立的模块，各模块间定义规范的接口，简化了软件维护难度的同时非常利于软件的升级与功能的改变与扩展；
（3）灵活适应性与可扩展性。
采用配置文件的方式管理测试数据的解码协议，实现只需要适当的修改配置文件就能使终端显示软件适用于经过不断修改与完善后的系统测试中；
（4）高可靠性。
终端显示软件必能能够在测试系统实时产生大量测试数据的情况下正常工作。
（5）测试数据可视化多样性。
根据不同类型数据的可视化需求，终端显示软件提供多种数据显示方式，例如十进制数值、文字描述、二进制源码、十六进制源码、时间曲线和相平面曲线等。
为了满足分系统研制与测试过程中实际需求，地面测试终端显示软件的设计与实现主要解决以下几个具体问题：
（1）将终端显示软件划分为合理的功能模块；
（2）研究测试数据包的解码问题，以配置文件的形式对解码协议进行灵活的管理，使得分系统研制过程中在不影响终端显示软件的情况下能够对解码协议进行灵活的修改；
（3）研究测试过程中数据的流向以及数据的接收、解码、存储与显示，可以实时监测测试参数，也可以从数据库获取历史数据进行回放。
2.2软件总体设计
2.2.1设计原则
（1）模块化设计模式
为了提高终端显示软件的通用性与可扩展性，本文将终端显示软件按照功能划分为几个模块，各个模块之间相互连接。
当现有的软件功能不能满足改变后的测试需求时，可以开发具有新功能的模块替换原有的软件模块或者将新开发的模块串接在软件模块中。
2）基于配置文件的灵活性设计
为了使终端显示软件具有一定的可扩展性，本文将卫星姿态与轨道分系统地面试验终端显示软件中的模块的实现层次划分为如图2.1所示的配置文件集与通用模块两个层次，每个模块中需要灵活设置的部分保存在配置文件中，专用的程序代码采用动态链接库的形式实现并将其相关信息存储在配置文件中，其他部分用通用模块实现，通用模块启动时读取相关的配置信息，程序运行时通用模块根据读取的配置信息动态调用相应的动态链接库函数，当配置信息改变时通用模块将其保存至配置文件中。
测试人员可以根据需要修改配置文件中的配置信息，从而使得测试软件更加的灵活。
图2.2软件模块实现层次
2.2.2软件功能模块划分
卫星姿态与轨道分系统地面试验终端显示软件的主要目的是对各种测试参数进行实时的监测与分析，同时可以对数据库中的数据进行回放显示。
终端显示软件接收数据库服务器软件发送的数据，然后根据内存解码协议配置文件的内容对数据帧中的各个物理量进行解码得到工程数据，并将工程数据以数值列表、时间曲线和相平面曲线等不同的形式进行显示。
终端显示软件还可以向数据库管理软件发送多种回放指令，对历史数据的回放进行控制。
因此本文将终端显示软件按照实现功能的不同划分为九个子模块，包括数据接收模块、数据解码模块、数据储存模块、数据实时二元曲线显示模块、数据实时数值显示模块、数据离线曲线显示模块、数据的离线数值显示模块、实时窗口保存与载入模块和数据回放控制模块。
这样划分既符合模块化的软件开发方法，便于编程，又有利于软件后期的维护与功能扩展，满足分系统边设计边测试边完善的特定需求。
2.3涉及的关键技术
根据2.1和2.2节中的软件需求和功能描述，实现本软件需要解决一系列的关键技术问题。
表2.1中列出了软件实现需要解决的关键技术。
表2.1软件实现关键技术
关键技术
技术描述
基于配置文件集的软件灵活性设计
涉及配置文件的文件类型定义、格式定义以及配置文件集的组成和配置信息调用等技术问题
标准数据包的接收与解码
涉及对标准数据包进行接收并解码的流程以及相关配置文件集的定义等技术问题
数据可视化
将接收到的测试数据以多种形式显示，包括十进制数值显示、二进制源码显示、十六进制源码显示和文字显示、时间曲线显示和相平面曲线显示。
历史数据回放
根据测试人员的要求回放数据库中指定的数据，涉及数据回放的流程设计、配置文件集以及回放指令的定义等技术问题
第三章关键技术研究
3.1终端显示软件功能模块与总体结构的设计
为了清楚展现软件的功能，现详细介绍软件的个功能模块。
3.1.1数据接收模块
可以分别设置以TCP或UDP的连接方式接收动力学数据、遥测数据和采集数据，各自的数据源可以单独设置。
模块软件界面说明如下：
图3.17TCP接收方式
图3.18UDP接收方式
3.1.2数据存储模块
可以选择将接收到的数据保存或者不保存到Access数据库。
模块软件界面说明如下：
图3.19数据保存界面
3.1.3变量选取模块
从配置文件中选择功能号，选择该功能号下的变量名，以不同的方式显示。
模块软件界面说明如下：
图3.20变量选取
3.1.4数据的实时曲线显示模块
实时接收到的数据以曲线的方式显示，横坐标为一个时间，纵坐标为一个变量值。
曲线的颜色、线型、线宽、曲线图的标题等属性可配置并保存至配置文件。
模块软件界面说明如下：
图3.21数据的实时曲线显示
图3.22曲线显示中的鼠标键功能
图3.23曲线参数设置
图3.24修改曲线的各种属性
图3.25载入已保存的曲线属性配置文件
图3.26保存曲线为图片
3.1.5数据的实时数值显示模块
将实时接收到的数据以数值（十进制、二进制、十六进制）或文字说明的形式显示。
模块软件界面说明如下：
图3.27数据实时数值显示
3.1.6数据的离线曲线显示模块
保存在数据库中的数据以曲线的形式进行回放。
曲线的颜色、线型、线宽、曲线图的标题等属性可配置并保存至配置文件。
曲线图可以以.bmp的图片格式保存下来。
模块软件界面说明如下：
图3.28选择曲线显示的离线数据
其他按钮的功能界面同图3.5~3.10。
3.1.7数据的离线数值显示模块
保存在数据库中的数据以数值（十进制、二进制、十六进制）或文字的形式显示。
模块软件界面说明如下：
图3.29选择数值显示的离线数据
3.1.8数据的实时二元曲线显示模块
实时接收到的数据以曲线的方式显示，横坐标为一个变量的值，纵坐标为另一个变量的值。
曲线的颜色、线型、线宽、曲线图的标题等属性可配置并保存至配置文件。
模块软件界面说明如下：
图3.30数据实时二元曲线显示
3.1.9实时窗口保存与载入模块
将当前软件运行时打开的所有实时曲线显示窗口、实时数值显示窗口以及实时二元曲线显示窗口保存到配置文件，可以指定保存的路径和名称。
通过载入配置文件可以打开已保存的所有实时曲线显示窗口、实时数值显示窗口以及实时二元曲线显示窗口。
模块软件界面说明如下：
图3.31实时窗口保存
图3.32载入实时窗口
3.2配置文件集
为了提高软件的通用性、灵活性和快速扩展性，同时减少测试软件的前期开发时间与后期维护的工作量。
本文将卫星姿态与轨道分系统地面试验测试软件的实现层次划分为如图3.17所示的配置文件集与软件通用模块两个层次，每个模块中需要灵活设置的部分保存在配置文件中，专用的程序代码采用动态链接库的形式实现并将其相关信息存储在配置文件中，其他部分用通用模块实现，通用模块启动时读取相关的配置信息，程序运行时通用模块根据读取的配置信息动态调用相应的动态链接库函数，当配置信息改变时通用模块将其保存至配置文件中或者由系统测试操作人员手工修改动态链接库函数。
因此，当测试任务变更或者当测试软件应用于不同型号的卫星测试任务时，仅仅需要改变配置文件集中的配置信息或者提供相应的动态链接库函数，这样就实现了对软件进行维护到对配置文件集进行维护的转变，使得终端显示软件更具有通用性和可扩展性。
图3.17系统层次划分
常用的信息配置方式主要是通过将信息保存在数据库、系统注册表、INI初始化文件以及自定义格式的文件等载体中来实现。
由于系统注册表涉及系统信息，操作函数复杂，一旦注册表被破坏容易导致系统崩溃。
数据库适用于大量数据的存储与管理，如果将配置信息存储于数据库中，必须开发相应的数据库管理软件，无形中增加了开发成本。
综上所述，本文采用INI文件和自定义格式的Excel文件作为配置信息的载体构建配置文件集并将其划分为界面信息配置文件集、数据解析配置文件集两个部分。
3.2.1界面信息配置文件集
卫星姿态与轨道分系统地面试验终端显示软件涉及多个人工交互的功能模块，其中许多涉及操作界面的信息需要系统测试人员设定。
不同的测试人员在操作相同的测试软件模块时会有不同的界面操作需求，而同一测试人员又具有相对固定的操作习惯和需求，因此本文将这些界面设置的信息全部保存在INI文件中供软件的通用模块自动调用，大部分测试人员通常只需要设置一次界面操作信息，测试软件会自动保存并调用这些配置信息，这样就大大的减少了测试人员的重复操作负荷。
INI文件是Windows系统中以“.ini”为后缀名的信息初始化文件，是一种重要的系统配置文件。
利用INI文件可以实现系统配置、应用程序的参数保存与设置等多种功能，是一种常用的信息配置的实现方式。
INI文件是具有标准格式的文本文件，其格式如图3.18所示，由节点名称（Section）、关键字名称（Key）和关键字内容（Value）三部分组成，每个关键字代表一个配置量，将具有相近功能的配置量放在同一个节点下。
一个INI文件中可以有多个节点名称，一个节点中也可以有多个关键字。
INI文件由基本的ASCⅡ字符组成，可以用文本编辑器直接进行编辑，不需要复杂的配置管理，适合保存格式简单、数据量小的配置信息。
本文中利用INI文件保存测试软件的初始化参数、数据源参数、图表属性参数、操作界面设置参数等信息，并在需要时由软件通用模块导入这些配置信息，以减少用户的操作负荷。
测试软件启动时，首先读取INI文件中的初始化数据并对相关的模块进行初始化,测试软件关闭或者当配置信息更新时，自动将最新的配置信息写入配置文件中。
图3.18INI文件格式
Windows系统提供了一系列API函数对INI文件进行操作，同时C++Builder6.0提供了一个类TIniFile实现对INI文件的各项具体操作，该类对WindowsAPI函数进行了封装，使用更加简单方便。
利用TIniFile类的构造函数和其他对象操作函数可以将一个TIniFile对象与INI文件相关联并进行以下类型的操作：
（1）对关键字的操作，包括读取关键字的内容、写关键字以及添加和删除关键字。
（2）对节点的操作，包括读取所有的节点名称，读取某节点中所有的关键字名称，添加和删除节点。
本文中将软件设置参数以及用户操作习惯等信息保存在INI文件中。
为了提高测试软件的稳定性与可靠性，本测试软件同时设计了TCP/IP和UDP两种网络连接方式，测试人员可以根据具体的测试要求选择具体的连接方式。
本文将连接方式以及连接参数保存在配置文件LinkType.ini、TCPIP.ini、UDP.ini三个INI配置文件中。
测试软件启动时将自动读取配置信息并根据其对测试软件中的通讯组件进行初始化。
LinkType.ini文件中记录了测试软件当前使用的网络连接方式并指明具体连接参数所在的INI配置文件，内容格式如下：
[LinkType]
SelectedType=TCPIP//该关键字表示当前使用的的网络连接方式，有TCPIP和UDP两个取值
[IniFileName]
TCPIP=TCPIP.ini//该关键字的取值为存储TCP/IP连接参数的INI配置文件名称
UDP=UDP.ini//该关键字的取值为存储UDP连接参数的INI配置文件名称
本文中采用C++Builder6.0中提供的TClientSocket组件和TNMUDP组件来分别实现数据接收端与发送端的TCP/IP和UDP方式的通信连接，并将其连接参数分别记录在TCPIP.ini和UDP.ini文件中，程序启动时根据读取的配置信息设置TClientSocket组件的属性。
TCPIP.ini内容格式如下：
[TCP]
IP=192.168.0.212//数据发送端计算机的IP地址，对应于TClientSocket组件对象的Host属性
Port=32001//数据发送端计算机的端口号，对应于TClientSocket组件对象的Port属性
UDP.ini文件中的内容格式如下：
[TCP]
LocalPort=32710//数据接收端计算机的端口号，对应于TNMUDP组件对象的Port属性
RemoteHost=192.168.0.13//数据发送端计算机的IP地址，对应于TNMUDP组件对象的Port属性
RemotePort=110043//数据发送端计算机的端口号，对应于TNMUDP组件对象的Port属性
3.2.2数据处理配置文件集
数据处理是卫星测试中的主要内容，主要关系到数据的解码以及数据的重新组织。
卫星测试是一项庞大的工程，涉及众多的测试物理量，而且不同阶段的卫星测试有不同的测试任务和测试要求，当具体测试过程中采用不同的测试设备和计算机时，会设计有不同的数据解析
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