基于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?？臻g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)控對于設備調試、系統(tǒng)聯(lián)調、校準等情況特別有用。測控設備之間只有測控數(shù)據的交換，但對于操作參數(shù)和操作進程缺少相互協(xié)調和配合的途徑。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)據采集卡，收集數(shù)據到處理計算機，然后由數(shù)據處理計算機根據設備的類型進行數(shù)據處理，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)據采集和處理全部由數(shù)據處理計算機處理，對計算機的處理能力特別是數(shù)據采集能力要求很高。如果數(shù)據處理量很大或者數(shù)據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)據接口都與數(shù)據采集接口卡連接，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試工作，通過調整系統(tǒng)的硬件配置和軟件參數(shù)設置在一定的范圍內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)據接口單元，將所有測控設備的不同物理數(shù)據接口，轉換為統(tǒng)一的網絡接口，通過網絡將數(shù)據傳送至數(shù)據處理計算機，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)據接口單元（DIU，data interface unit），能夠完成與多個不同數(shù)據接口設備的信息交換功能。智能的數(shù)據接口單元可以實現(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)據通過網絡接口發(fā)送至數(shù)據處理計算機，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)據接口單元連接，或通過網絡直接與數(shù)據處理計算機連接。每個智能的數(shù)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(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絡接口，轉發(fā)至數(shù)據處理計算機。

1 數(shù)據接口單元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)控制產品 PC104模塊進行二次開發(fā)。

① 數(shù)據接口單元實現(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自適應以太網數(shù)據接口，接口為RJ-45。
● 通過網絡自動轉發(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內存；16個中斷；2個RS-232C標準串行口；10M/100M BASE-T標準網絡接口；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。
● 根據數(shù)據接口單元實現(xiàn)的功能，設計數(shù)據處理的應用程序。
● 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)據庫和設備控件數(shù)據庫。通過修改數(shù)據庫參數(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。經過多年的開發(fā)和應用，我們已經構建了相當規(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)據庫
為了保證系統(tǒng)的可重構性，設計了系統(tǒng)配置數(shù)據庫，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)控的內容相分離，通過配置數(shù)據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。

③ 圖形界面制作
計算機運行圖形化監(jiān)控界面是用戶的控制和監(jiān)視測控站測控設備的友好接口。為了適應系統(tǒng)的可重構設計，我們專門開發(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(jiān)控畫面）上，然后運行監(jiān)控軟件，打開預先制作的鏈路圖，可以實現(xiàn)對測控站設備的監(jiān)控。
對于同類設備控件，具有同樣功能的設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)的形式和內容也可能不同，顯示上也可能有不同的形式---如設備圖標、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備控件，提高了軟件系統(tǒng)對設備的無關性。

3 系統(tǒng)的構建過程

首先對測控站的測控設備進行分析，完成系統(tǒng)配置、監(jiān)控畫面編輯等功能，并完成實時監(jiān)控程序的框架設計。
在獲得測控設備的監(jiān)控接口控制文件后，利用系統(tǒng)配置程序生成配置數(shù)據庫，即定義系統(tǒng)中的設備類型、設備連接關系、設備參數(shù)、設備控制方式、數(shù)據處理方法等。
通過作圖工具編輯和設計監(jiān)控主畫面。
在現(xiàn)場安裝中，根據測控設備的安裝位置、測控設備接口類型，安裝數(shù)據接口單元，把測控設備通過數(shù)據接口單元連接到數(shù)據處理計算機。利用配置程序設置數(shù)據接口單元各端口的通信參數(shù)，并通過網絡下載到數(shù)據接口單元。
通過監(jiān)控畫面的設備控件控制物理的測控設備，驗證系統(tǒng)軟硬件連結和設置的正確性。

結語

我們已經成功地實現(xiàn)了這種具有可重構體系結構的監(jiān)控系統(tǒng)，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衛(wèi)星業(yè)務測控站監(jiān)控系統(tǒng)的設計和實施中，經過多年的工程實踐和運行，證明該體系結構非常成功。