基于可重構(gòu)設(shè)計的測控站監(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?？臻g任務(wù)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(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)備時間，準(zhǔn)確、高效地完成衛(wèi)星業(yè)務(wù)測控的各項工作任務(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)備之間只有測控數(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(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)到處理計算機(jī)，然后由數(shù)據(jù)處理計算機(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)處理計算機(jī)處理，對計算機(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)時性要求很高時，會造成計算機(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計算機(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、模擬信號等各種信號一起布，布線復(fù)雜。

　　可重構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思想

　　監(jiān)控系統(tǒng)為了能夠適應(yīng)新的變化，即能夠用最短的時間完成設(shè)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(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，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)處理計算機(jī)，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(shè)計思想，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)了整個系統(tǒng)的可重構(gòu)設(shè)計?？芍貥?gòu)設(shè)計的監(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(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)處理計算機(jī)，同時將監(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)處理計算機(jī)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(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)自動轉(zhuǎn)發(fā)將受控設(shè)備的信息發(fā)至MCS操作計算機(jī)。

　　接收來自監(jiān)控計算機(jī)的控制信息，自動轉(zhuǎn)發(fā)至指定的受控設(shè)備。

　　通過監(jiān)控計算機(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個中斷;2個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

　　數(shù)據(jù)接口單元的軟件設(shè)計采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)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(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。

　　設(shè)計對擴(kuò)展的8路串口通信卡的驅(qū)動程序。

　　設(shè)計數(shù)字I/O卡的Linux系統(tǒng)驅(qū)動程序。

　　根據(jù)數(shù)據(jù)接口單元實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計數(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

　　在監(jiān)控軟件設(shè)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(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)計了系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫，保存當(dāng)前整個系統(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DIU的IP地址以及其各個通道設(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，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)視測控站測控設(shè)備的友好接口。為了適應(yīng)系統(tǒng)的可重構(gòu)設(shè)計，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)備控件的圖形符號組合連接在反映當(dāng)前測控設(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)對測控站設(shè)備的監(jiān)控。

　　對于同類設(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)對設(shè)備的無關(guān)性。

　　3 系統(tǒng)的構(gòu)建過程

　　首先對測控站的測控設(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)時監(jiān)控程序的框架設(shè)計。

　　在獲得測控設(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)計監(jiān)控主畫面。

　　在現(xiàn)場安裝中，根據(jù)測控設(shè)備的安裝位置、測控設(shè)備接口類型，安裝數(shù)據(jù)接口單元，把測控設(shè)備通過數(shù)據(jù)接口單元連接到數(shù)據(jù)處理計算機(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控設(shè)備，驗證系統(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)用于國內(nèi)鑫諾地面站和尼日利亞阿布賈地面站等多個衛(wèi)星業(yè)務(wù)測控站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和實(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。