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基于可重构设计的测控站监控系统研究与实现
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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。
② 数据接口单元的实现
硬件设计采用适应工业控制环境的PC104 586工业控制机和接口模块。
CPU：300MHz主频；32MB DRAM内存；16个中断；2个RS-232C标准串行口；10M/100M BASE-T标准网络接口；支持鼠标/键盘/软驱/IDE硬盘接口，支持IDE Flash电子盘。
通信卡：支持8通道RS-232C/RS-422A/RS-485标准串行通信，每一通道均可单独设置。每个通道最高支持115.2KB/s的通信速率。
数据采集卡：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AC输入，输入均支持SPDT模式，具有三种状态：公共端、常开、常闭，转换速率为5ms。
③ 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进行合理的裁剪。由于嵌入式系统的容量有限，必须将庞大的Linux进行剪裁，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路串口通信卡的驱动程序。
- 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，则作为没有输入、输出外设的智能管理设备，管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类别的控制设备控件，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，可灵活地配置软件系统。图3是监控系统软件结构示意图。
图3 地面站监控系统软件结构
① 设备控件库
将所有的测控设备进行分析并分类整理，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，通过操作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、数据采集接口单元等(见图4)。由于控件和监控系统主程序可以分开进行开发，具有一定的独立性。
通过构建设备控件库，可以增加整个地面监控软件的复用性和通用性。经过多年的开发和应用，我们已经构建了相当规模的设备控件库，基本可以满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（示例）
② 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者添加测控设备时，通过系统的配置程序对系统配置数据库进行更改或者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分离，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活性和扩展性。
③ 图形界面制作
计算机运行图形化监控界面是用户的控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结构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者多张链路图（监控画面）上，然后运行监控软件，打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，提高了软件系统对设备的无关性。
3 系统的构建过程
首先对测控站的测控设备进行分析，完成系统配置、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信参数，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。
结语
我们已经成功地实现了这种具有可重构体系结构的监控系统，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实施中，经过多年的工程实践和运行，证明该体系结构非常成功。
