可重構(gòu)設(shè)計(jì)的測控站監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類對空間探索的步伐越來越大。空間任務(wù)的需求，推動(dòng)地面測控系統(tǒng)的更新和發(fā)展，主要體現(xiàn)在：測控站的建設(shè)周期越來越短；測控設(shè)備更新、改造和添加變得更頻繁，測控站的控制容量和鏈路隨著需求不斷的擴(kuò)大。完善高效的地面測控系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，可以提高測控站的工作效率，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)測控的各項(xiàng)工作任務(wù)，對于提高對衛(wèi)星的控制精度，延長衛(wèi)星的使用壽命具有重要意義。

　　測控站監(jiān)控系統(tǒng)在測控系統(tǒng)中的主要任務(wù)是：

　　● 地面測控設(shè)備的監(jiān)視

　　● 地面測控設(shè)備的控制和設(shè)置

　　● 地面測控設(shè)備間的聯(lián)合控制

　　測控設(shè)備間的聯(lián)合監(jiān)控對于設(shè)備調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、校準(zhǔn)等情況特別有用。測控設(shè)備之間只有測控?cái)?shù)據(jù)的交換，但對于操作參數(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，分布于測控站不同地方的所有的測控設(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，并對測控站硬件設(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新增加測控設(shè)備的支持。

　　在可重構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)中，各個(gè)測控設(shè)備如高功放(HPA)、上變頻器(CU)、場放(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路測控設(shè)備、8路數(shù)字量接口測控設(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控設(shè)備，可以就近管理和控制測控設(shè)備，并將所有測控設(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)。

　　① 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。

　　② 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。

　　③ 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對電子盤DOC2000的驅(qū)動(dòng)。

　　● 設(shè)計(jì)對擴(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，來分別對應(yīng)實(shí)際的測控設(shè)備，通過操作該設(shè)備控件就可以實(shí)現(xiàn)對物理測控設(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）

　　② 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)測控系統(tǒng)的測控設(shè)備組成發(fā)生變化或者添加測控設(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。