基于可重构设计的测控站监控系统研究与实现.docx

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1、基于可重构设计的测控站监控系统研究与实现基于可重构设计的测控站监控系统研究与实现ronggang导语：可以进步测控站的工作效率，进步业务系统设备的利用率，缩短测控业务的预备时间，准确、高效地完成卫星业务测控的各项工作任务，对于进步对卫星的控制精度，延长卫星的使用寿命具有重要意义随着科学技术的进步，人类对空间探究的步伐越来越大。空间任务的需求，推动地面测控系统的更新和开展，主要表达在：测控站的建立周期越来越短;测控设备更新、改造和添加变得更频繁，测控站的控制容量和链路随着需求不断的扩大。完善高效的地面测控系统的监控系统，可以进步测控站的工作效率，进步业务系统设备的利用率，缩短测控业务的预备时间，

2、准确、高效地完成卫星业务测控的各项工作任务，对于进步对卫星的控制精度，延长卫星的使用寿命具有重要意义。测控站监控系统在测控系统中的主要任务是：地面测控设备的监视地面测控设备的控制和设置地面测控设备间的结合控制测控设备间的结合监控对于设备调试、系统联调、校准等情况十分有用。测控设备之间只有测控数据的交换，但对于操纵参数和操纵进程缺少互相协调和配合的途径。而监控系统在业务操纵之外，对所有的设备都可以进展控制和监视。在这些关键阶段，监控系统处于“指导地位，是各种操纵任务的提议和组织者，也是任务进程的监视和控制者。现有的集中式监控系统，在硬件构造上多采用数据收集卡的形式，系统扩展比拟困难，单一插卡难以

3、适应多种多样的设备接口，而且存在数据收集的瓶颈。在软件构造上，通常着眼于当时地面系统的组成，监控画面和操纵比拟固定，一旦更换了其他型号的设备，或设备接口发生了变化，需要修改源代码才能适应，维护起来很不方便，也影响了系统的稳定性和可靠性。因此我们研究并开发了基于可重构体系构造设计的新型监控系统。集中式监控系统现有的监控系统通常是和地面设备一起构建，一般采用集中式体系构造，即由工业控制计算机加上多路数据收集接口卡构成，协同专用监控程序一起组成监控系统见图1。图1集中式监控系统的组成构造在集中式体系的监控系统中，所有测控设备的监控信息都通过一块或多块多路数据收集卡，采集数据到处理计算机，然后由数据处

4、理计算机根据设备的类型进展数据处理，并将结果送监控程序显示或提交用户处理。采用集中式的监控系统存在以下问题。所有数据收集和处理全部由数据处理计算机处理，对计算机的处理才能十分是数据收集才能要求很高。假如数据处理量很大或数据的实时性要求很高时，会造成计算机负荷超载而出现死机现象，这正是现有集中式监控系统存在的最大问题。由于集中式监控系统大都是专用系统，数据收集和软件处理在一起，系统一旦建成，控制设备容量和形式都根本确定，体系构造封闭，不易扩展。数据收集接口复杂，集中在一起，轻易造成相互干扰。布线复杂，故障率高。集中式监控系统的数据收集接口集中于一台计算机中，分布于测控站不同地方的所有的测控设备数

5、据接口都与数据收集接口卡连接，数字信号、模拟信号等各种信号一起布，布线复杂。可重构监控系统的设计思想监控系统为了可以适应新的变化，即可以用最短的时间完成设计和调试工作，通过调整系统的硬件配置和软件参数设置在一定的范围内支持改造和添加设备，并且克制现有系统存在的弊端。新的系统采用了可重构体系构造设计，即采用分布式的智能数据接口单元，将所有测控设备的不同物理数据接口，转换为统一的网络接口，通过网络将数据传送至数据处理计算机，同时监控系统的控制软件也采用工业控制组态的设计思想，将测控设备抽象为不同种别的控制控件，将控件排列组合后形成不同的信道控制链路，进而使实现了整个系统的可重构设计。可重构设计的监

6、控系统的体系构造参见图2。图2可重构监控系统的组成构造详细来讲，系统采用了分布化的硬件拓扑构造和可配置控件。硬件拓扑构造分布化是采用假设干个智能的数据接口单元DIU，datainterfaceunit，可以完成与多个不同数据接口设备的信息交换功能。智能的数据接口单元可以实现与具有串口包括RS-232A、RS-422、RS-485、数字量接口、继电器接口的测控设备连接，并将收集到的数据通过网络接口发送至数据处理计算机，同时将监控系统的控制指令发送至测控设备。软件设计上引入可配置的控件概念，可将不同的测控设备抽象为不同种别的设备控件，通过接口配置软件建立配置数据库，并对测控站硬件设备通讯链路和通讯

7、协议进展配置，利用图形制作软件绘制系统显示图形和参数表格，通过修改系统配置和显示配置完成对新增加测控设备的支持。在可重构监控系统中，各个测控设备如高功放HPA、上变频器CU、场放LNA等都就近与智能的数据接口单元连接，或者通过网络直接与数据处理计算机连接。每个智能的数据接口单元可以治理具有串口接口的8路测控设备、8路数字量接口测控设备、4路继电器接口的开关设备等。可重构监控系统的实现在可重构监控系统中，实现硬件可重构的关键是设计具有智能治理和控制功能的数据接口单元DIU，它可以适应具有不同物理接口的测控设备，可以就近治理和控制测控设备，并将所有测控设备的信息转换为网络接口，转发至数据处理计算机

8、。1数据接口单元DIU为了保证系统的运行稳定、可靠和配置灵敏，以适应不同的应用需求，采用主流工业控制产品PC104模块进展二次开发。数据接口单元实现的功能提供8路全双工通讯的串行口，物理接口可以根据实际系统需要设置为RS-232C/RS-485/RS-422A，灵敏适应受控设备的信息接口。提供8路光电隔离的数字量输入和8路继电器输出接口。提供1路10/100M自适应以太网数据接口，接口为RJ-45。通过网络自动转发将受控设备的信息发至MCS操纵计算机。接收来自监控计算机的控制信息，自动转发至指定的受控设备。通过监控计算机可以对DIU进展运行参数配置，包括通讯速率、DIU工作方式等。MCS操纵计

9、算机可以查询DIU的运行状态信息。数据接口单元的实现硬件设计采用适应工业控制环境的PC104586工业控制机和接口模块。CPU：300MHz主频;32MBDRAM内存;16个中断;2个RS-232C标准串行口;10M/100MBASE-T标准网络接口;支持鼠标/键盘/软驱/IDE硬盘接口，支持IDEFlash电子盘。通讯卡：支持8通道RS-232C/RS-422A/RS-485标准串行通讯，每一通道均可单独设置。每个通道最高支持115.2KB/s的通讯速率。数据收集卡：支持8通道光电隔离DI，8通道继电器输出。每一路输入均可支持DC或者AC输入，输入均支持SPDT形式，具有三种状态：公共端、常

10、开、常闭，转换速率为5ms。嵌入式软件设计数据接口单元的软件设计采用嵌入式系统设计，我们选用Linux作为开发平台，需要完成的工作有：通过宿主机对Linux进展公道的裁剪。由于嵌入式系统的容量有限，必须将庞大的Linux进展剪裁，适应嵌入式的应用。实现Linux对电子盘DOC2000的驱动。设计对扩展的8路串口通讯卡的驱动程序。设计数字I/O卡的Linux系统驱动程序。根据数据接口单元实现的功能，设计数据处理的应用程序。将稳定的Linux映像烧写到电子盘DOC2000里面。数据接口单元设计完成后，那么作为没有输入、输出外设的智能治理设备，治理和控制所属的测控设备。2可配置软件设计在监控软件设计

11、上采用工业控制系统的组态思想，将不同的测控设备抽象为不同种别的控制设备控件，构造系统配置数据库和设备控件数据库。通过修改数据库参数，可灵敏地配置软件系统。图3是监控系统软件构造示意图。图3地面站监控系统软件构造设备控件库将所有的测控设备进展分析并分类整理，将它们抽象为具有不同显示属性和控制属性的设备控件，来分别对应实际的测控设备，通过操纵该设备控件就可以实现对物理测控设备的控制。例如，变频器控件、开关矩阵控件、数据收集接口单元等见图4。由于控件和监控系统主程序可以分开进展开发，具有一定的独立性。通过构建立备控件库，可以增加整个地面监控软件的复用性和通用性。经太多年的开发和应用，我们已经构建了相

12、当规模的设备控件库，根本可以知足一般地面站的监控软件监控需求。图4系统中利用控件作为主要的显示形式例如系统配置数据库为了保证系统的可重构性，设计了系统配置数据库，保存当前整个系统的设备控件的类型、种类、接口形式等以及系统链路的配置情况，多个DIU的IP地址以及其各个通道设备配置情况等信息。当测控系统的测控设备组成发生变化或添加测控设备时，通过系统的配置程序对系统配置数据库进展更改或添加必要的设备控件，就可以实现从硬件到软件的重构。通过配置程序和运行程序，把系统框架和监控的内容相别离，通过配置数据库使二者有机结合起来，使系统具有较强的灵敏性和扩展性。图形界面制作计算机运行图形化监控界面是用户的控

13、制和监视测控站测控设备的友好接口。为了适应系统的可重构设计，我们专门开发了具有搭积木的方式制作设备信息连接构造和控制界面的作图工具，使用该作图工具，将设备控件的图形符号组合连接在反映当前测控设备链路配置的一张或多张链路图监控画面上，然后运行监控软件，翻开预先制作的链路图，可以实现对测控站设备的监控。对于同类设备控件，具有同样功能的设备可以有不同的接入方式，监控接口协议可以不同，控制参数的形式和内容也可能不同，显示上也可能有不同的形式-如设备图标、数值参数、色彩图块、模拟图形等，于是，它们就成为不同的设备控件，进步了软件系统对设备的无关性。3系统的构建经过首先对测控站的测控设备进展分析，完成系统

14、配置、监控画面编辑等功能，并完成实时监控程序的框架设计。在获得测控设备的监控接口控制文件后，利用系统配置程序生成配置数据库，即定义系统中的设备类型、设备连接关系、设备参数、设备控制方式、数据处理方法等。通过作图工具编辑和设计监控主画面。在现场安装中，根据测控设备的安装位置、测控设备接口类型，安装数据接口单元，把测控设备通过数据接口单元连接到数据处理计算机。利用配置程序设置数据接口单元各端口的通讯参数，并通过网络下载到数据接口单元。通过监控画面的设备控件控制物理的测控设备，验证系统软硬件连结和设置的正确性。我们已经成功地实现了这种具有可重构体系构造的监控系统，并运用于国内鑫诺地面站和尼日利亚阿布贾地面站等多个卫星业务测控站监控系统的设计和施行中，经太多年的工程理论和运行，证实该体系构造非常成功。