可重構設計的測控站監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

隨著科學技術的進步，人類對空間探索的步伐越來越大。空間任務的需求，推動地面測控系統(tǒng)的更新和發(fā)展，主要體現(xiàn)在：測控站的建設周期越來越短；測控設備更新、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)務系統(tǒng)設備的利用率，縮短測控業(yè)務的準備時間，準確、高效地完成衛(wèi)星業(yè)務測控的各項工作任務，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)中的主要任務是：

　　● 地面測控設備的監(jiān)視

　　● 地面測控設備的控制和設置

　　● 地面測控設備間的聯(lián)合控制

　　測控設備間的聯(lián)合監(jiān)控對于設備調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、校準等情況特別有用。測控設備之間只有測控數(shù)據(jù)的交換，但對于操作參數(shù)和操作進程缺少相互協(xié)調(diào)和配合的途徑。而監(jiān)控系統(tǒng)在業(yè)務操作之外，對所有的設備都可以進行控制和監(jiān)視。在這些關鍵階段，監(jiān)控系統(tǒng)處于“領導地位”，是各種操作任務的發(fā)起和組織者，也是任務進程的監(jiān)視和控制者。

　　現(xiàn)有的集中式監(jiān)控系統(tǒng)，在硬件結構上多采用數(shù)據(jù)采集卡的模式，系統(tǒng)擴展比較困難，單一插卡難以適應多種多樣的設備接口，而且存在數(shù)據(jù)采集的瓶頸。在軟件結構上，通常著眼于當時地面系統(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的設備，或者設備接口發(fā)生了變化，需要修改源代碼才能適應，維護起來很不方便，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)了基于可重構體系結構設計的新型監(jiān)控系統(tǒng)。

　　集中式監(jiān)控系統(tǒng)

　　現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)通常是和地面設備一起構建，一般采用集中式體系結構，即由工業(yè)控制計算機加上多路數(shù)據(jù)采集接口卡構成，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)的組成結構

　　在集中式體系的監(jiān)控系統(tǒng)中，所有測控設備的監(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)到處理計算機，然后由數(shù)據(jù)處理計算機根據(jù)設備的類型進行數(shù)據(jù)處理，并將結果送監(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)處理計算機處理，對計算機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)的實時性要求很高時，會造成計算機負荷超載而出現(xiàn)死機現(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，控制設備容量和模式都基本確定，體系結構封閉，不易擴展。

　　● 數(shù)據(jù)采集接口復雜，集中在一起，容易造成互相干擾。

　　● 布線復雜，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計算機中，分布于測控站不同地方的所有的測控設備數(shù)據(jù)接口都與數(shù)據(jù)采集接口卡連接，數(shù)字信號、模擬信號等各種信號一起布，布線復雜。

　　可重構監(jiān)控系統(tǒng)的設計思想

　　監(jiān)控系統(tǒng)為了能夠適應新的變化，即能夠用最短的時間完成設計和調(diào)試工作，通過調(diào)整系統(tǒng)的硬件配置和軟件參數(shù)設置在一定的范圍內(nèi)支持改造和添加設備，并且克服現(xiàn)有系統(tǒng)存在的弊端。新的系統(tǒng)采用了可重構體系結構設計，即采用分布式的智能數(shù)據(jù)接口單元，將所有測控設備的不同物理數(shù)據(jù)接口，轉換為統(tǒng)一的網(wǎng)絡接口，通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理計算機，同時監(jiān)控系統(tǒng)的控制軟件也采用工業(yè)控制組態(tài)的設計思想，將測控設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，從而使實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的可重構設計。可重構設計的監(jiān)控系統(tǒng)的體系結構參見圖2。

?圖2 可重構監(jiān)控系統(tǒng)的組成結構

　　具體來說，系統(tǒng)采用了分布化的硬件拓撲結構和可配置控件。

　　硬件拓撲結構分布化是采用若干個智能的數(shù)據(jù)接口單元（DIU，data interface unit），能夠完成與多個不同數(shù)據(jù)接口設備的信息交換功能。智能的數(shù)據(jù)接口單元可以實現(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備連接，并將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡接口發(fā)送至數(shù)據(jù)處理計算機，同時將監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令發(fā)送至測控設備。

　　軟件設計上引入可配置的控件概念，可將不同的測控設備抽象為不同類別的設備控件，通過接口配置軟件建立配置數(shù)據(jù)庫，并對測控站硬件設備通信鏈路和通信協(xié)議進行配置，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備的支持。

　　在可重構監(jiān)控系統(tǒng)中，各個測控設備如高功放(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)絡直接與數(shù)據(jù)處理計算機連接。每個智能的數(shù)據(jù)接口單元可以管理具有串口接口的8路測控設備、8路數(shù)字量接口測控設備、4路繼電器接口的開關設備等。 　　可重構監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　在可重構監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)硬件可重構的關鍵是設計具有智能管理和控制功能的數(shù)據(jù)接口單元DIU，它可以適應具有不同物理接口的測控設備，可以就近管理和控制測控設備，并將所有測控設備的信息轉換為網(wǎng)絡接口，轉發(fā)至數(shù)據(jù)處理計算機。

　　1 數(shù)據(jù)接口單元DIU

　　為了保證系統(tǒng)的運行穩(wěn)定、可靠和配置靈活，以適應不同的應用需求，采用主流工業(yè)控制產(chǎn)品 PC104模塊進行二次開發(fā)。

　　① 數(shù)據(jù)接口單元實現(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)實際系統(tǒng)需要設置為RS-232C/RS-485/RS-422A，靈活適應受控設備的信息接口。

　　● 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自適應以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口，接口為RJ-45。

　　● 通過網(wǎng)絡自動轉發(fā)將受控設備的信息發(fā)至MCS操作計算機。

　　● 接收來自監(jiān)控計算機的控制信息，自動轉發(fā)至指定的受控設備。

　　● 通過監(jiān)控計算機可以對DIU進行運行參數(shù)配置，包括通信速率、DIU工作方式等。

　　● MCS操作計算機可以查詢DIU的運行狀態(tài)信息。

　　② 數(shù)據(jù)接口單元的實現(xiàn)

　　硬件設計采用適應工業(yè)控制環(huán)境的PC104 586工業(yè)控制機和接口模塊。

　　CPU：300MHz主頻；32MB DRAM內(nèi)存；16個中斷；2個RS-232C標準串行口；10M/100M BASE-T標準網(wǎng)絡接口；支持鼠標/鍵盤/軟驅/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標準串行通信，每一通道均可單獨設置。每個通道最高支持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，轉換速率為5ms。

　　③ 嵌入式軟件設計

　　數(shù)據(jù)接口單元的軟件設計采用嵌入式系統(tǒng)設計，我們選用Linux作為開發(fā)平臺，需要完成的工作有：

　　● 通過宿主機對Linux進行合理的裁剪。由于嵌入式系統(tǒng)的容量有限，必須將龐大的Linux進行剪裁，適應嵌入式的應用。

　　● 實現(xiàn)Linux對電子盤DOC2000的驅動。

　　● 設計對擴展的8路串口通信卡的驅動程序。

　　● 設計數(shù)字I/O卡的Linux系統(tǒng)驅動程序。

　　● 根據(jù)數(shù)據(jù)接口單元實現(xiàn)的功能，設計數(shù)據(jù)處理的應用程序。

　　● 將穩(wěn)定的Linux映像燒寫到電子盤DOC2000里面。

　　數(shù)據(jù)接口單元設計完成后，則作為沒有輸入、輸出外設的智能管理設備，管理和控制所屬的測控設備。

　　2 可配置軟件設計

　　在監(jiān)控軟件設計上采用工業(yè)控制系統(tǒng)的組態(tài)思想，將不同的測控設備抽象為不同類別的控制設備控件，構造系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫和設備控件數(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)軟件結構示意圖。

?　　圖3 地面站監(jiān)控系統(tǒng)軟件結構

　　① 設備控件庫

　　將所有的測控設備進行分析并分類整理，將它們抽象為具有不同顯示屬性和控制屬性的設備控件，來分別對應實際的測控設備，通過操作該設備控件就可以實現(xiàn)對物理測控設備的控制。例如，變頻器控件、開關矩陣控件、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)主程序可以分開進行開發(fā)，具有一定的獨立性。

　　通過構建設備控件庫，可以增加整個地面監(jiān)控軟件的復用性和通用性。經(jīng)過多年的開發(fā)和應用，我們已經(jīng)構建了相當規(guī)模的設備控件庫，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)的可重構性，設計了系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫，保存當前整個系統(tǒng)的設備控件的類型、種類、接口形式等以及系統(tǒng)鏈路的配置情況，多個DIU的IP地址以及其各個通道設備配置情況等信息。當測控系統(tǒng)的測控設備組成發(fā)生變化或者添加測控設備時，通過系統(tǒng)的配置程序對系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫進行更改或者添加必要的設備控件，就可以實現(xiàn)從硬件到軟件的重構。

　　通過配置程序和運行程序，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)庫使二者有機結合起來，使系統(tǒng)具有較強的靈活性和擴展性。