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| 基于可重构设计的测控站监控系统研究与实现 |
| 2008年6月13日 10:09
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随着科学技术的进步，人类对空间探索的步伐越来越大。空间任务的需求，推动地面测控系统的更新和发展，主要体现在：测控站的建设周期越来越短；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，可以提高测控站的工作效率，提高业务系统设备的利用率，缩短测控业务的准备时间，准确、高效地完成卫星业务测控的各项工作任务，对于提高对卫星的控制精度，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
● 地面测控设备间的联合控制
测控设备间的联合监控对于设备调试、系统联调、校准等情况特别有用。测控设备之间只有测控数据的交换，但对于操作参数和操作进程缺少相互协调和配合的途径。而监控系统在业务操作之外，对所有的设备都可以进行控制和监视。在这些关键阶段，监控系统处于“领导地位”，是各种操作任务的发起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，在硬件结构上多采用数据采集卡的模式，系统扩展比较困难，单一插卡难以适应多种多样的设备接口，而且存在数据采集的瓶颈。在软件结构上，通常着眼于当时地面系统的组成，监控画面和操作比较固定，一旦更换了其他型号的设备，或者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结构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结构，即由工业控制计算机加上多路数据采集接口卡构成，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结构
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者多块多路数据采集卡，收集数据到处理计算机，然后由数据处理计算机根据设备的类型进行数据处理，并将结果送监控程序显示或者提交用户处理。
采用集中式的监控系统存在以下问题。
● 所有数据采集和处理全部由数据处理计算机处理，对计算机的处理能力特别是数据采集能力要求很高。如果数据处理量很大或者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，数据采集和软件处理在一起，系统一旦建成，控制设备容量和模式都基本确定，体系结构封闭，不易扩展。
● 数据采集接口复杂，集中在一起，容易造成互相干扰。
● 布线复杂，故障率高。集中式监控系统的数据采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据接口都与数据采集接口卡连接，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
监控系统为了能够适应新的变化，即能够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，并且克服现有系统存在的弊端。新的系统采用了可重构体系结构设计，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类别的控制控件，将控件排列组合后形成不同的信道控制链路，从而使实现了整个系统的可重构设计。可重构设计的监控系统的体系结构参见图2。
图2 可重构监控系统的组成结构
具体来说，系统采用了分布化的硬件拓扑结构和可配置控件。
硬件拓扑结构分布化是采用若干个智能的数据接口单元（DIU，data interface unit），能够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，并将采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类别的设备控件，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信链路和通信协议进行配置，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管理具有串口接口的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管理和控制功能
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，可以就近管理和控制测控设备，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。
1 数据接口单元DIU
为了保证系统的运行稳定、可靠和配置灵活，以适应不同的应用需求，采用主流工业控制产品 PC104模块进行二次开发。
① 数据接口单元实现的功能
● 提供8路全双工通信的串行口，物理接口可以根据实际系统需要设置为RS-232C/RS-485/RS-422A，灵活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操作计算机。
● 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进行运行参数配置，包括通信速率、DIU工作方式等。
● MCS操作计算机可以查询DIU的运行状态信息。
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