基于可重構(gòu)設(shè)計(jì)的測(cè)控站監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,人類對(duì)空間探索的步伐越來越大??臻g任務(wù)的需求,推動(dòng)地面測(cè)控系統(tǒng)的更新和發(fā)展。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/79670.htm主要體現(xiàn)在:測(cè)控站的建設(shè)周期越來越短;測(cè)控設(shè)備更新、改造和添加變得更頻繁,測(cè)控站的控制容量和鏈路隨著需求不斷的擴(kuò)大。完善高效的地面測(cè)控系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng),可以提高測(cè)控站的工作效率,提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)備的利用率,縮短測(cè)控業(yè)務(wù)的準(zhǔn)備時(shí)間,準(zhǔn)確、高效地完成衛(wèi)星業(yè)務(wù)測(cè)控的各項(xiàng)工作任務(wù),對(duì)于提高對(duì)衛(wèi)星的控制精度,延長(zhǎng)衛(wèi)星的使用壽命具有重要意義。
測(cè)控站監(jiān)控系統(tǒng)在測(cè)控系統(tǒng)中的主要任務(wù)是:
地面測(cè)控設(shè)備的監(jiān)視
地面測(cè)控設(shè)備的控制和設(shè)置
地面測(cè)控設(shè)備間的聯(lián)合控制
測(cè)控設(shè)備間的聯(lián)合監(jiān)控對(duì)于設(shè)備調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、校準(zhǔn)等情況特別有用。測(cè)控設(shè)備之間只有測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的交換,但對(duì)于操作參數(shù)和操作進(jìn)程缺少相互協(xié)調(diào)和配合的途徑。而監(jiān)控系統(tǒng)在業(yè)務(wù)操作之外,對(duì)所有的設(shè)備都可以進(jìn)行控制和監(jiān)視。在這些關(guān)鍵階段,監(jiān)控系統(tǒng)處于“領(lǐng)導(dǎo)地位”,是各種操作任務(wù)的發(fā)起和組織者,也是任務(wù)進(jìn)程的監(jiān)視和控制者。
現(xiàn)有的集中式監(jiān)控系統(tǒng),在硬件結(jié)構(gòu)上多采用數(shù)據(jù)采集卡的模式,系統(tǒng)擴(kuò)展比較困難,單一插卡難以適應(yīng)多種多樣的設(shè)備接口,而且存在數(shù)據(jù)采集的瓶頸。在軟件結(jié)構(gòu)上,通常著眼于當(dāng)時(shí)地面系統(tǒng)的組成,監(jiān)控畫面和操作比較固定,一旦更換了其他型號(hào)的設(shè)備,或者設(shè)備接口發(fā)生了變化,需要修改源代碼才能適應(yīng),維護(hù)起來很不方便,也影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此我們研究并開發(fā)了基于可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新型監(jiān)控系統(tǒng)。
集中式監(jiān)控系統(tǒng)
現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)通常是和地面設(shè)備一起構(gòu)建,一般采用集中式體系結(jié)構(gòu),即由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)加上多路數(shù)據(jù)采集接口卡構(gòu)成,協(xié)同專用監(jiān)控程序一起組成監(jiān)控系統(tǒng)(見圖1)。
圖1 集中式監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)
在集中式體系的監(jiān)控系統(tǒng)中,所有測(cè)控設(shè)備的監(jiān)控信息都通過一塊或者多塊多路數(shù)據(jù)采集卡,收集數(shù)據(jù)到處理計(jì)算機(jī),然后由數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)備的類型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并將結(jié)果送監(jiān)控程序顯示或者提交用戶處理。
采用集中式的監(jiān)控系統(tǒng)存在以下問題:
所有數(shù)據(jù)采集和處理全部由數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)處理,對(duì)計(jì)算機(jī)的處理能力特別是數(shù)據(jù)采集能力要求很高。如果數(shù)據(jù)處理量很大或者數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求很高時(shí),會(huì)造成計(jì)算機(jī)負(fù)荷超載而出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象,這正是現(xiàn)有集中式監(jiān)控系統(tǒng)存在的最大問題。
由于集中式監(jiān)控系統(tǒng)大都是專用系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集和軟件處理在一起,系統(tǒng)一旦建成,控制設(shè)備容量和模式都基本確定,體系結(jié)構(gòu)封閉,不易擴(kuò)展。
數(shù)據(jù)采集接口復(fù)雜,集中在一起,容易造成互相干擾。
布線復(fù)雜,故障率高。集中式監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集接口集中于一臺(tái)計(jì)算機(jī)中,分布于測(cè)控站不同地方的所有的測(cè)控設(shè)備數(shù)據(jù)接口都與數(shù)據(jù)采集接口卡連接,數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)等各種信號(hào)一起布,布線復(fù)雜。
可重構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想
監(jiān)控系統(tǒng)為了能夠適應(yīng)新的變化,即能夠用最短的時(shí)間完成設(shè)計(jì)和調(diào)試工作,通過調(diào)整系統(tǒng)的硬件配置和軟件參數(shù)設(shè)置在一定的范圍內(nèi)支持改造和添加設(shè)備,并且克服現(xiàn)有系統(tǒng)存在的弊端。新的系統(tǒng)采用了可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),即采用分布式的智能數(shù)據(jù)接口單元,將所有測(cè)控設(shè)備的不同物理數(shù)據(jù)接口,轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)接口,通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī),同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的控制軟件也采用工業(yè)控制組態(tài)的設(shè)計(jì)思想,將測(cè)控設(shè)備抽象為不同類別的控制控件,將控件排列組合后形成不同的信道控制鏈路,從而使實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的可重構(gòu)設(shè)計(jì)。可重構(gòu)設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)參見圖2。
圖2 可重構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)
具體來說,系統(tǒng)采用了分布化的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和可配置控件。
硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布化是采用若干個(gè)智能的數(shù)據(jù)接口單元(DIU,data interface unit),能夠完成與多個(gè)不同數(shù)據(jù)接口設(shè)備的信息交換功能。智能的數(shù)據(jù)接口單元可以實(shí)現(xiàn)與具有串口(包括RS-232A、RS-422、RS-485)、數(shù)字量接口、繼電器接口的測(cè)控設(shè)備連接,并將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送至數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī),同時(shí)將監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令發(fā)送至測(cè)控設(shè)備。
軟件設(shè)計(jì)上引入可配置的控件概念,可將不同的測(cè)控設(shè)備抽象為不同類別的設(shè)備控件,通過接口配置軟件建立配置數(shù)據(jù)庫,并對(duì)測(cè)控站硬件設(shè)備通信鏈路和通信協(xié)議進(jìn)行配置,利用圖形制作軟件繪制系統(tǒng)顯示圖形和參數(shù)表格,通過修改系統(tǒng)配置和顯示配置完成對(duì)新增加測(cè)控設(shè)備的支持。
在可重構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)中,各個(gè)測(cè)控設(shè)備如高功放(HPA)、上變頻器(CU)、場(chǎng)放(LNA)等都就近與智能的數(shù)據(jù)接口單元連接,或通過網(wǎng)絡(luò)直接與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)連接。每個(gè)智能的數(shù)據(jù)接口單元可以管理具有串口接口的8路測(cè)控設(shè)備、8路數(shù)字量接口測(cè)控設(shè)備、4路繼電器接口的開關(guān)設(shè)備等。
可重構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
在可重構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)硬件可重構(gòu)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)具有智能管理和控制功能的數(shù)據(jù)接口單元DIU,它可以適應(yīng)具有不同物理接口的測(cè)控設(shè)備,可以就近管理和控制測(cè)控設(shè)備,并將所有測(cè)控設(shè)備的信息轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)接口,轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。
1 數(shù)據(jù)接口單元DIU
為了保證系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定、可靠和配置靈活,以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求,采用主流工業(yè)控制產(chǎn)品 PC104模塊進(jìn)行二次開發(fā)。
?、?數(shù)據(jù)接口單元實(shí)現(xiàn)的功能
提供8路全雙工通信的串行口,物理接口可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需要設(shè)置為RS-232C/RS-485/RS-422A,靈活適應(yīng)受控設(shè)備的信息接口。
提供8路光電隔離的數(shù)字量輸入和8路繼電器輸出接口。
提供1路10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口,接口為RJ-45。
通過網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)將受控設(shè)備的信息發(fā)至MCS操作計(jì)算機(jī)。
接收來自監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制信息,自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)至指定的受控設(shè)備。
通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以對(duì)DIU進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)配置,包括通信速率、DIU工作方式等。
MCS操作計(jì)算機(jī)可以查詢DIU的運(yùn)行狀態(tài)信息。
?、?數(shù)據(jù)接口單元的實(shí)現(xiàn)
硬件設(shè)計(jì)采用適應(yīng)工業(yè)控制環(huán)境的PC104 586工業(yè)控制機(jī)和接口模塊。
CPU:300MHz主頻;32MB DRAM內(nèi)存;16個(gè)中斷;2個(gè)RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行口;10M/100M BASE-T標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口;支持鼠標(biāo)/鍵盤/軟驅(qū)/IDE硬盤接口,支持IDE Flash電子盤。
通信卡:支持8通道RS-232C/RS-422A/RS-485標(biāo)準(zhǔn)串行通信,每一通道均可單獨(dú)設(shè)置。每個(gè)通道最高支持115.2KB/s的通信速率。
數(shù)據(jù)采集卡:支持8通道光電隔離DI,8通道繼電器輸出。每一路輸入均可支持DC或AC輸入,輸入均支持SPDT模式,具有三種狀態(tài):公共端、常開、常閉,轉(zhuǎn)換速率為5ms。
?、?嵌入式軟件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)接口單元的軟件設(shè)計(jì)采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì),我們選用Linux作為開發(fā)平臺(tái),需要完成的工作有:
通過宿主機(jī)對(duì)Linux進(jìn)行合理的裁剪。由于嵌入式系統(tǒng)的容量有限,必須將龐大的Linux進(jìn)行剪裁,適應(yīng)嵌入式的應(yīng)用。
實(shí)現(xiàn)Linux對(duì)電子盤DOC2000的驅(qū)動(dòng)。
設(shè)計(jì)對(duì)擴(kuò)展的8路串口通信卡的驅(qū)動(dòng)程序。
設(shè)計(jì)數(shù)字I/O卡的Linux系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序。
根據(jù)數(shù)據(jù)接口單元實(shí)現(xiàn)的功能,設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用程序。
將穩(wěn)定的Linux映像燒寫到電子盤DOC2000里面。
數(shù)據(jù)接口單元設(shè)計(jì)完成后,則作為沒有輸入、輸出外設(shè)的智能管理設(shè)備,管理和控制所屬的測(cè)控設(shè)備。
2 可配置軟件設(shè)計(jì)
在監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)上采用工業(yè)控制系統(tǒng)的組態(tài)思想,將不同的測(cè)控設(shè)備抽象為不同類別的控制設(shè)備控件,構(gòu)造系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫和設(shè)備控件數(shù)據(jù)庫。通過修改數(shù)據(jù)庫參數(shù),可靈活地配置軟件系統(tǒng)。圖3是監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3 地面站監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
① 設(shè)備控件庫
將所有的測(cè)控設(shè)備進(jìn)行分析并分類整理,將它們抽象為具有不同顯示屬性和控制屬性的設(shè)備控件,來分別對(duì)應(yīng)實(shí)際的測(cè)控設(shè)備,通過操作該設(shè)備控件就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理測(cè)控設(shè)備的控制。例如,變頻器控件、開關(guān)矩陣控件、數(shù)據(jù)采集接口單元等(見圖4)。由于控件和監(jiān)控系統(tǒng)主程序可以分開進(jìn)行開發(fā),具有一定的獨(dú)立性。
通過構(gòu)建設(shè)備控件庫,可以增加整個(gè)地面監(jiān)控軟件的復(fù)用性和通用性。經(jīng)過多年的開發(fā)和應(yīng)用,我們已經(jīng)構(gòu)建了相當(dāng)規(guī)模的設(shè)備控件庫,基本可以滿足一般地面站的監(jiān)控軟件監(jiān)控需求。
圖4 系統(tǒng)中利用控件作為主要的顯示形式(示例)
?、?系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫
為了保證系統(tǒng)的可重構(gòu)性,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫,保存當(dāng)前整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備控件的類型、種類、接口形式等以及系統(tǒng)鏈路的配置情況,多個(gè)DIU的IP地址以及其各個(gè)通道設(shè)備配置情況等信息。當(dāng)測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)控設(shè)備組成發(fā)生變化或者添加測(cè)控設(shè)備時(shí),通過系統(tǒng)的配置程序?qū)ο到y(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更改或者添加必要的設(shè)備控件,就可以實(shí)現(xiàn)從硬件到軟件的重構(gòu)。
通過配置程序和運(yùn)行程序,把系統(tǒng)框架和監(jiān)控的內(nèi)容相分離,通過配置數(shù)據(jù)庫使二者有機(jī)結(jié)合起來,使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展性。
?、?圖形界面制作
計(jì)算機(jī)運(yùn)行圖形化監(jiān)控界面是用戶的控制和監(jiān)視測(cè)控站測(cè)控設(shè)備的友好接口。為了適應(yīng)系統(tǒng)的可重構(gòu)設(shè)計(jì),我們專門開發(fā)了具有搭積木的方式制作設(shè)備信息連接結(jié)構(gòu)和控制界面的作圖工具,使用該作圖工具,將設(shè)備控件的圖形符號(hào)組合連接在反映當(dāng)前測(cè)控設(shè)備鏈路配置的一張或者多張鏈路圖(監(jiān)控畫面)上,然后運(yùn)行監(jiān)控軟件,打開預(yù)先制作的鏈路圖,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控站設(shè)備的監(jiān)控。
對(duì)于同類設(shè)備控件,具有同樣功能的設(shè)備可以有不同的接入方式,監(jiān)控接口協(xié)議可以不同,控制參數(shù)的形式和內(nèi)容也可能不同,顯示上也可能有不同的形式---如設(shè)備圖標(biāo)、數(shù)值參數(shù)、色彩圖塊、模擬圖形等,于是,它們就成為不同的設(shè)備控件,提高了軟件系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的無關(guān)性。
3 系統(tǒng)的構(gòu)建過程
首先對(duì)測(cè)控站的測(cè)控設(shè)備進(jìn)行分析,完成系統(tǒng)配置、監(jiān)控畫面編輯等功能,并完成實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的框架設(shè)計(jì)。
在獲得測(cè)控設(shè)備的監(jiān)控接口控制文件后,利用系統(tǒng)配置程序生成配置數(shù)據(jù)庫,即定義系統(tǒng)中的設(shè)備類型、設(shè)備連接關(guān)系、設(shè)備參數(shù)、設(shè)備控制方式、數(shù)據(jù)處理方法等。
通過作圖工具編輯和設(shè)計(jì)監(jiān)控主畫面。
在現(xiàn)場(chǎng)安裝中,根據(jù)測(cè)控設(shè)備的安裝位置、測(cè)控設(shè)備接口類型,安裝數(shù)據(jù)接口單元,把測(cè)控設(shè)備通過數(shù)據(jù)接口單元連接到數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。利用配置程序設(shè)置數(shù)據(jù)接口單元各端口的通信參數(shù),并通過網(wǎng)絡(luò)下載到數(shù)據(jù)接口單元。
通過監(jiān)控畫面的設(shè)備控件控制物理的測(cè)控設(shè)備,驗(yàn)證系統(tǒng)軟硬件連結(jié)和設(shè)置的正確性。
結(jié)語
我們已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了這種具有可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng),并運(yùn)用于國(guó)內(nèi)鑫諾地面站和尼日利亞阿布賈地面站等多個(gè)衛(wèi)星業(yè)務(wù)測(cè)控站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施中,經(jīng)過多年的工程實(shí)踐和運(yùn)行,證明該體系結(jié)構(gòu)非常成功。
評(píng)論