隨著科學技術(shù)的進步，人類對空間探索的步伐越來越大?？臻g任務(wù)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(shè)周期越來越短;測控設(shè)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(wù)系統(tǒng)設(shè)備的利用率，縮短測控業(yè)務(wù)的準備時間，準確、高效地完成衛(wèi)星業(yè)務(wù)測控的各項工作任務(wù)，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(wù)是： 　　● 地面測控設(shè)備的監(jiān)視 　　● 地面測控設(shè)備的控制和設(shè)置 　　● 地面測控設(shè)備間的聯(lián)合控制 　　測控設(shè)備間的聯(lián)合監(jiān)控對于設(shè)備調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、校準等情況特別有用。測控設(shè)備之間只有測控數(shù)據(jù)的交換，但對于操作參數(shù)和操作進程缺少相互協(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，對所有的設(shè)備都可以進行控制和監(jiān)視。在這些關(guān)鍵階段，監(jiān)控系統(tǒng)處于“領(lǐng)導地位”，是各種操作任務(wù)的發(fā)起和組織者，也是任務(wù)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(jié)構(gòu)上多采用數(shù)據(jù)采集卡的模式，系統(tǒng)擴展比較困難，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(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)控制計算機加上多路數(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）。 　　在集中式體系的監(jiān)控系統(tǒng)中，所有測控設(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)到處理計算機，然后由數(shù)據(jù)處理計算機根據(jù)設(shè)備的類型進行數(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)處理計算機處理，對計算機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(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計算機中，分布于測控站不同地方的所有的測控設(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、模擬信號等各種信號一起布，布線復(fù)雜。 可重構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思想 　　監(jiān)控系統(tǒng)為了能夠適應(yīng)新的變化，即能夠用最短的時間完成設(shè)計和調(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，即采用分布式的智能數(shù)據(jù)接口單元，將所有測控設(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(shè)計思想，將測控設(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，從而使實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的可重構(gòu)設(shè)計?？芍貥?gòu)設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)參見圖2。 　　具體來說，系統(tǒng)采用了分布化的硬件拓撲結(jié)構(gòu)和可配置控件。 　　硬件拓撲結(jié)構(gòu)分布化是采用若干個智能的數(shù)據(jù)接口單元（DIU，data interface unit），能夠完成與多個不同數(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(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)處理計算機，同時將監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令發(fā)送至測控設(shè)備。 　　軟件設(shè)計上引入可配置的控件概念，可將不同的測控設(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，并對測控站硬件設(shè)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(shè)備的支持。 　　在可重構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)中，各個測控設(shè)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(jù)接口單元連接，或通過網(wǎng)絡(luò)直接與數(shù)據(jù)處理計算機連接。每個智能的數(shù)據(jù)接口單元可以管理具有串口接口的8路測控設(shè)備、8路數(shù)字量接口測控設(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)的實現(xiàn) 　　在可重構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)硬件可重構(gòu)的關(guān)鍵是設(shè)計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控設(shè)備，可以就近管理和控制測控設(shè)備，并將所有測控設(shè)備的信息轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)接口，轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)處理計算機。 1 數(shù)據(jù)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(yīng)不同的應(yīng)用需求，采用主流工業(yè)控制產(chǎn)品 PC104模塊進行二次開發(fā)。 　?、?數(shù)據(jù)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(jù)實際系統(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)自動轉(zhuǎn)發(fā)將受控設(shè)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(zhuǎn)發(fā)至指定的受控設(shè)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。 　?、?數(shù)據(jù)接口單元的實現(xiàn) 　　硬件設(shè)計采用適應(yīng)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(nèi)存;16個中斷;2個RS-232C標準串行口;10M/100M BASE-T標準網(wǎng)絡(luò)接口;支持鼠標/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標準串行通信，每一通道均可單獨設(shè)置。每個通道最高支持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。 　?、?嵌入式軟件設(shè)計 　　數(shù)據(jù)接口單元的軟件設(shè)計采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)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(yīng)嵌入式的應(yīng)用。 　　● 實現(xiàn)Linux對電子盤DOC2000的驅(qū)動。 　　● 設(shè)計對擴展的8路串口通信卡的驅(qū)動程序。 　　● 設(shè)計數(shù)字I/O卡的Linux系統(tǒng)驅(qū)動程序。 　　● 根據(jù)數(shù)據(jù)接口單元實現(xiàn)的功能，設(shè)計數(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控設(shè)備。 2 可配置軟件設(shè)計 　　在監(jiān)控軟件設(shè)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(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。 　?、?設(shè)備控件庫 　　將所有的測控設(shè)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(shè)備控件，來分別對應(yīng)實際的測控設(shè)備，通過操作該設(shè)備控件就可以實現(xiàn)對物理測控設(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)主程序可以分開進行開發(fā)，具有一定的獨立性。 　　通過構(gòu)建設(shè)備控件庫，可以增加整個地面監(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。 　?、?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)計了系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫，保存當前整個系統(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DIU的IP地址以及其各個通道設(shè)備配置情況等信息。當測控系統(tǒng)的測控設(shè)備組成發(fā)生變化或者添加測控設(shè)備時，通過系統(tǒng)的配置程序?qū)ο到y(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫進行更改或者添加必要的設(shè)備控件，就可以實現(xiàn)從硬件到軟件的重構(gòu)。 　　通過配置程序和運行程序，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)庫使二者有機結(jié)合起來，使系統(tǒng)具有較強的靈活性和擴展性。 　?、?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(shè)備的友好接口。為了適應(yīng)系統(tǒng)的可重構(gòu)設(shè)計，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)備控件的圖形符號組合連接在反映當前測控設(shè)備鏈路配置的一張或者多張鏈路圖（監(jiān)控畫面）上，然后運行監(jiān)控軟件，打開預(yù)先制作的鏈路圖，可以實現(xiàn)對測控站設(shè)備的監(jiān)控。 　　對于同類設(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、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)對設(shè)備的無關(guān)性。 3 系統(tǒng)的構(gòu)建過程 　　首先對測控站的測控設(shè)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(shè)計。 　　在獲得測控設(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)計監(jiān)控主畫面。 　　在現(xiàn)場安裝中，根據(jù)測控設(shè)備的安裝位置、測控設(shè)備接口類型，安裝數(shù)據(jù)接口單元，把測控設(shè)備通過數(shù)據(jù)接口單元連接到數(shù)據(jù)處理計算機。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控設(shè)備，驗證系統(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)，并運用于國內(nèi)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(wù)測控站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和實施中，經(jīng)過多年的工程實踐和運行，證明該體系結(jié)構(gòu)非常成功。