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，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)?？芍貥?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)。

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(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。

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(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）

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(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。

③ 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。