基于可重構設計的測控站監控系統研究與實(shí)現

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類(lèi)對空間探索的步伐越來(lái)越大?？臻g任務(wù)的需求，推動(dòng)地面測控系統的更新和發(fā)展。

　　主要體現在：測控站的建設周期越來(lái)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(zhù)需求不斷的擴大。完善高效的地面測控系統的監控系統，可以提高測控站的工作效率，提高業(yè)務(wù)系統設備的利用率，縮短測控業(yè)務(wù)的準備時(shí)間，準確、高效地完成衛星業(yè)務(wù)測控的各項工作任務(wù)，對于提高對衛星的控制精度，延長(cháng)衛星的使用壽命具有重要意義。

　　測控站監控系統在測控系統中的主要任務(wù)是：

　　地面測控設備的監視

　　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)合監控對于設備調試、系統聯(lián)調、校準等情況特別有用。測控設備之間只有測控數據的交換，但對于操作參數和操作進(jìn)程缺少相互協(xié)調和配合的途徑。而監控系統在業(yè)務(wù)操作之外，對所有的設備都可以進(jìn)行控制和監視。在這些關(guān)鍵階段，監控系統處于“領(lǐng)導地位”，是各種操作任務(wù)的發(fā)起和組織者，也是任務(wù)進(jìn)程的監視和控制者。

　　現有的集中式監控系統，在硬件結構上多采用數據采集卡的模式，系統擴展比較困難，單一插卡難以適應多種多樣的設備接口，而且存在數據采集的瓶頸。在軟件結構上，通常著(zhù)眼于當時(shí)地面系統的組成，監控畫(huà)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(lái)很不方便，也影響了系統的穩定性和可靠性。因此我們研究并開(kāi)發(fā)了基于可重構體系結構設計的新型監控系統。

　　集中式監控系統

　　現有的監控系統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據采集接口卡構成，協(xié)同專(zhuān)用監控程序一起組成監控系統(見(jiàn)圖1)。

　　圖1 集中式監控系統的組成結構

　　在集中式體系的監控系統中，所有測控設備的監控信息都通過(guò)一塊或者多塊多路數據采集卡，收集數據到處理計算機，然后由數據處理計算機根據設備的類(lèi)型進(jìn)行數據處理，并將結果送監控程序顯示或者提交用戶(hù)處理。

　　采用集中式的監控系統存在以下問(wèn)題:

　　所有數據采集和處理全部由數據處理計算機處理，對計算機的處理能力特別是數據采集能力要求很高。如果數據處理量很大或者數據的實(shí)時(shí)性要求很高時(shí)，會(huì )造成計算機負荷超載而出現死機現象，這正是現有集中式監控系統存在的最大問(wèn)題。

　　由于集中式監控系統大都是專(zhuān)用系統，數據采集和軟件處理在一起，系統一旦建成，控制設備容量和模式都基本確定，體系結構封閉，不易擴展。

　　數據采集接口復雜，集中在一起，容易造成互相干擾。

　　布線(xiàn)復雜，故障率高。集中式監控系統的數據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據接口都與數據采集接口卡連接，數字信號、模擬信號等各種信號一起布，布線(xiàn)復雜。

　　可重構監控系統的設計思想

　　監控系統為了能夠適應新的變化，即能夠用最短的時(shí)間完成設計和調試工作，通過(guò)調整系統的硬件配置和軟件參數設置在一定的范圍內支持改造和添加設備，并且克服現有系統存在的弊端。新的系統采用了可重構體系結構設計，即采用分布式的智能數據接口單元，將所有測控設備的不同物理數據接口，轉換為統一的網(wǎng)絡(luò )接口，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將數據傳送至數據處理計算機，同時(shí)監控系統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(lèi)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)現了整個(gè)系統的可重構設計?？芍貥嬙O計的監控系統的體系結構參見(jiàn)圖2。

　　圖2 可重構監控系統的組成結構

　　具體來(lái)說(shuō)，系統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(gè)智能的數據接口單元(DIU，data interface unit)，能夠完成與多個(gè)不同數據接口設備的信息交換功能。智能的數據接口單元可以實(shí)現與具有串口(包括RS-232A、RS-422、RS-485)、數字量接口、繼電器接口的測控設備連接，并將采集到的數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口發(fā)送至數據處理計算機，同時(shí)將監控系統的控制指令發(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(lèi)別的設備控件，通過(guò)接口配置軟件建立配置數據庫，并對測控站硬件設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顯示圖形和參數表格，通過(guò)修改系統配置和顯示配置完成對新增加測控設備的支持。

　　在可重構監控系統中，各個(gè)測控設備如高功放(HPA)、上變頻器(CU)、場(chǎng)放(LNA)等都就近與智能的數據接口單元連接，或通過(guò)網(wǎng)絡(luò )直接與數據處理計算機連接。每個(gè)智能的數據接口單元可以管理具有串口接口的8路測控設備、8路數字量接口測控設備、4路繼電器接口的開(kāi)關(guān)設備等。

　　可重構監控系統的實(shí)現

　　在可重構監控系統中，實(shí)現硬件可重構的關(guān)鍵是設計具有智能管理和控制功能的數據接口單元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(luò )接口，轉發(fā)至數據處理計算機。

　　1 數據接口單元DIU

　　為了保證系統的運行穩定、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(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

　?、?數據接口單元實(shí)現的功能

　　提供8路全雙工通信的串行口，物理接口可以根據實(shí)際系統需要設置為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)數據接口，接口為RJ-45。

　　通過(guò)網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)轉發(fā)將受控設備的信息發(fā)至MCS操作計算機。

　　接收來(lái)自監控計算機的控制信息，自動(dòng)轉發(fā)至指定的受控設備。

　　通過(guò)監控計算機可以對DIU進(jìn)行運行參數配置，包括通信速率、DIU工作方式等。

　　MCS操作計算機可以查詢(xún)DIU的運行狀態(tài)信息。

　?、?數據接口單元的實(shí)現

　　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內存;16個(gè)中斷;2個(gè)RS-232C標準串行口;10M/100M BASE-T標準網(wǎng)絡(luò )接口;支持鼠標/鍵盤(pán)/軟驅/IDE硬盤(pán)接口，支持IDE Flash電子盤(pán)。

　　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(gè)通道最高支持115.2KB/s的通信速率。

　　數據采集卡：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(kāi)、常閉，轉換速率為5ms。

　?、?嵌入式軟件設計

　　數據接口單元的軟件設計采用嵌入式系統設計，我們選用Linux作為開(kāi)發(fā)平臺，需要完成的工作有：

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

　　實(shí)現Linux對電子盤(pán)DOC2000的驅動(dòng)。

　　設計對擴展的8路串口通信卡的驅動(dòng)程序。

　　設計數字I/O卡的Linux系統驅動(dòng)程序。

　　根據數據接口單元實(shí)現的功能，設計數據處理的應用程序。

　　將穩定的Linux映像燒寫(xiě)到電子盤(pán)DOC2000里面。

　　數據接口單元設計完成后，則作為沒(méi)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

　　在監控軟件設計上采用工業(yè)控制系統的組態(tài)思想，將不同的測控設備抽象為不同類(lèi)別的控制設備控件，構造系統配置數據庫和設備控件數據庫。通過(guò)修改數據庫參數，可靈活地配置軟件系統。圖3是監控系統軟件結構示意圖。

　　圖3 地面站監控系統軟件結構

　?、?設備控件庫

　　將所有的測控設備進(jìn)行分析并分類(lèi)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(lái)分別對應實(shí)際的測控設備，通過(guò)操作該設備控件就可以實(shí)現對物理測控設備的控制。例如，變頻器控件、開(kāi)關(guān)矩陣控件、數據采集接口單元等(見(jiàn)圖4)。由于控件和監控系統主程序可以分開(kāi)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具有一定的獨立性。

　　通過(guò)構建設備控件庫，可以增加整個(gè)地面監控軟件的復用性和通用性。經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)和應用，我們已經(jīng)構建了相當規模的設備控件庫，基本可以滿(mǎn)足一般地面站的監控軟件監控需求。

　　圖4 系統中利用控件作為主要的顯示形式(示例)

　?、?系統配置數據庫

　　為了保證系統的可重構性，設計了系統配置數據庫，保存當前整個(gè)系統的設備控件的類(lèi)型、種類(lèi)、接口形式等以及系統鏈路的配置情況，多個(gè)DIU的IP地址以及其各個(gè)通道設備配置情況等信息。當測控系統的測控設備組成發(fā)生變化或者添加測控設備時(shí)，通過(guò)系統的配置程序對系統配置數據庫進(jìn)行更改或者添加必要的設備控件，就可以實(shí)現從硬件到軟件的重構。

　　通過(guò)配置程序和運行程序，把系統框架和監控的內容相分離，通過(guò)配置數據庫使二者有機結合起來(lái)，使系統具有較強的靈活性和擴展性。

　?、?圖形界面制作

　　計算機運行圖形化監控界面是用戶(hù)的控制和監視測控站測控設備的友好接口。為了適應系統的可重構設計，我們專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了具有搭積木的方式制作設備信息連接結構和控制界面的作圖工具，使用該作圖工具，將設備控件的圖形符號組合連接在反映當前測控設備鏈路配置的一張或者多張鏈路圖(監控畫(huà)面)上，然后運行監控軟件，打開(kāi)預先制作的鏈路圖，可以實(shí)現對測控站設備的監控。

　　對于同類(lèi)設備控件，具有同樣功能的設備可以有不同的接入方式，監控接口協(xié)議可以不同，控制參數的形式和內容也可能不同，顯示上也可能有不同的形式---如設備圖標、數值參數、色彩圖塊、模擬圖形等，于是，它們就成為不同的設備控件，提高了軟件系統對設備的無(wú)關(guān)性。

　　3 系統的構建過(guò)程

　　首先對測控站的測控設備進(jìn)行分析，完成系統配置、監控畫(huà)面編輯等功能，并完成實(shí)時(shí)監控程序的框架設計。

　　在獲得測控設備的監控接口控制文件后，利用系統配置程序生成配置數據庫，即定義系統中的設備類(lèi)型、設備連接關(guān)系、設備參數、設備控制方式、數據處理方法等。

　　通過(guò)作圖工具編輯和設計監控主畫(huà)面。

　　在現場(chǎng)安裝中，根據測控設備的安裝位置、測控設備接口類(lèi)型，安裝數據接口單元，把測控設備通過(guò)數據接口單元連接到數據處理計算機。利用配置程序設置數據接口單元各端口的通信參數，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )下載到數據接口單元。

　　通過(guò)監控畫(huà)面的設備控件控制物理的測控設備，驗證系統軟硬件連結和設置的正確性。

　　結語(yǔ)

　　我們已經(jīng)成功地實(shí)現了這種具有可重構體系結構的監控系統，并運用于國內鑫諾地面站和尼日利亞阿布賈地面站等多個(gè)衛星業(yè)務(wù)測控站監控系統的設計和實(shí)施中，經(jīng)過(guò)多年的工程實(shí)踐和運行，證明該體系結構非常成功。