基于VEE與Nport的控溫儀狀態(tài)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張景川，謝吉慧，朱 熙，馬 昆，裴一飛

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器真空熱試驗(yàn)是航天器研制過(guò)程中耗資最大且必不可少的試驗(yàn)項(xiàng)目。溫度測(cè)量與控制技術(shù)是航天器真空熱試驗(yàn)中的關(guān)鍵技術(shù)，其測(cè)控速度與精度直接影響航天器熱設(shè)計(jì)的正確性和星上儀器設(shè)備考核的正確性[1-3]?？販貎x作為重要控溫設(shè)備被廣泛應(yīng)用在航天器真空熱試驗(yàn)過(guò)程中。

現(xiàn)階段在真空熱環(huán)境試驗(yàn)研究室中，控溫儀受樓宇建設(shè)、電氣走線、網(wǎng)絡(luò)布線、空間環(huán)境模擬器布放影響分散于各個(gè)房間且與真空熱試驗(yàn)總控間分離（處于不同樓層）。航天器真空熱試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)人員需要穿梭于不同房間進(jìn)行手動(dòng)記錄并設(shè)定控溫儀狀態(tài)參數(shù)（當(dāng)前溫度、設(shè)定控溫閾值），如何對(duì)控溫儀進(jìn)行統(tǒng)一管理，在總控間實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器狀態(tài)參數(shù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控，成為真空熱試驗(yàn)亟需解決的問(wèn)題。

為了減輕試驗(yàn)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，特別是在夜間手動(dòng)記錄與設(shè)定控溫儀狀態(tài)參數(shù)的辛苦程度，避免人為操作失誤導(dǎo)致的數(shù)據(jù)失真與控溫風(fēng)險(xiǎn)，本文基于VEE圖形化編程語(yǔ)言與Nport串口服務(wù)器，設(shè)計(jì)了控溫儀狀態(tài)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了控溫儀狀態(tài)參數(shù)的遠(yuǎn)程讀取、曲線表示及自動(dòng)保存，試驗(yàn)人員在總控間即可對(duì)控溫儀控溫閾值進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定，極大地降低了試驗(yàn)人員的工作量，有利于數(shù)據(jù)管理和維護(hù)，提高了真空熱試驗(yàn)的測(cè)控速度與精度。

1 組網(wǎng)方案

系統(tǒng)的硬件構(gòu)成決定了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也是軟件實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)。控溫系統(tǒng)的儀器設(shè)備為SHIMADEN公司的SR-23控溫儀、MOXA公司的Nport-5610串口服務(wù)器、Cisco交換機(jī)、監(jiān)控主機(jī)和主/備服務(wù)器。

SR-23控溫儀提供RS-232串口與計(jì)算機(jī)通信。但這種傳統(tǒng)的串口方式只能實(shí)現(xiàn)設(shè)備與計(jì)算機(jī)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，而且數(shù)據(jù)的傳輸距離較短（電線長(zhǎng)度小于15 m）。為了解決RS-232傳輸距離受限與無(wú)法實(shí)現(xiàn)單機(jī)多路RS-232串口通信的問(wèn)題，同時(shí)充分利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)布線，本文采用 MOXA公司的 Nport-5610串口服務(wù)器作為通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行組網(wǎng)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

Nport-5610串口服務(wù)器在結(jié)構(gòu)上設(shè)有兩類通信端口：一類是標(biāo)準(zhǔn)的RS-232串行端口，端口數(shù)為8個(gè)，遠(yuǎn)程的控溫儀通過(guò)串行控制總線接入此類端口；另一類是RJ45以太網(wǎng)口，串口服務(wù)器通過(guò)STP網(wǎng)線接入交換機(jī)[4-5]。Nport-5610將RS-232協(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議，讓8路RS-232串口設(shè)備立即成為具備網(wǎng)絡(luò)接口的組網(wǎng)儀器，與監(jiān)控主機(jī)和主/備服務(wù)器組成星形局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)控溫儀狀態(tài)參數(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)監(jiān)視。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 1 The network topology of system

2 軟件設(shè)計(jì)

控溫儀狀態(tài)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是綜合利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖形化編程技術(shù)的人機(jī)交互系統(tǒng)，該系統(tǒng)有自動(dòng)采集當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)管理溫度數(shù)據(jù)、圖形化顯示溫度數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)程設(shè)定控溫閾值等功能。

軟件是測(cè)控系統(tǒng)的核心，也是測(cè)控系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。系統(tǒng)采用了軟件分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，逐層調(diào)用，保證了數(shù)據(jù)傳輸和接收的可靠性，方便程序編寫者對(duì)程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)管理，并使軟件具有可查性。根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，系統(tǒng)軟件分為管理層、執(zhí)行層和接口層3個(gè)層次（見(jiàn)圖2）。

1）管理層履行系統(tǒng)的管理功能，主要包括任務(wù)調(diào)度、總線通信、故障報(bào)警等。

2）執(zhí)行層執(zhí)行管理層決策，主要功能為確保采集數(shù)據(jù)的正確解析和完整存儲(chǔ)，確保寫入數(shù)據(jù)的正確輸出操作。

3）接口層提供一些關(guān)于Nport-5610與控溫儀硬件初始化設(shè)置、驅(qū)動(dòng)以及輸入/輸出的接口函數(shù)，包括所有硬件的底層驅(qū)動(dòng)和初始化設(shè)定。

圖2 系統(tǒng)軟件分層模型Fig. 2 The layering model of system software

系統(tǒng)通過(guò)功能需求分析與合理的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)大大減少了開(kāi)發(fā)的時(shí)間，提高了效率，保證了程序的健壯性。圖3為系統(tǒng)的基本軟件流程圖。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖Fig. 3 The flow chart of system software

本文利用AGILENT公司的VEE圖形化編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)軟件。VEE是基于圖形式開(kāi)發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境，其基本編程單元是一系列的功能控件，這些功能控件可以在VEE的主菜單下進(jìn)行選取，然后用鼠標(biāo)將其拖動(dòng)到工作區(qū)適當(dāng)位置，最終通過(guò)一定順序的連線完成一個(gè)程序的編寫。

VEE具有以下特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：便捷、靈活的圖形化操作界面和直觀明了的流程圖式的編程，靈活的程序調(diào)試手段，減少了編程人員的工作量，也降低了對(duì)編程人員的要求；支持多種接口和協(xié)議，包括GPIB、RS-232、VXI和TCP/IP等；可以與其他語(yǔ)言如C/C++、Visual Basic、MATLAB等交互使用；強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理能力；支持眾多測(cè)試平臺(tái)；可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接與快速數(shù)據(jù)交換；實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)的Excel數(shù)據(jù)庫(kù)及Word文件的無(wú)縫連接[6-7]。因此，本文利用VEE圖形化編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)軟件。

3 試驗(yàn)應(yīng)用

系統(tǒng)在某型號(hào)航天器真空熱試驗(yàn)過(guò)程中得到了成功應(yīng)用。系統(tǒng)自動(dòng)讀取控溫儀的溫度數(shù)據(jù)并以時(shí)間為橫坐標(biāo)繪制溫度曲線，同時(shí)以文本形式存儲(chǔ)到本地主機(jī)，并備份到服務(wù)器，確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性。

試驗(yàn)人員可以在總控間監(jiān)控主機(jī)上遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控布放在各處的控溫儀的當(dāng)前溫度值，并按照試驗(yàn)大綱要求遠(yuǎn)程設(shè)定控溫閾值。系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 控溫儀狀態(tài)參數(shù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控Fig. 4 Remote real-time monitoring of the state parameters of the temperature controller

4 結(jié)束語(yǔ)

1)本文設(shè)計(jì)了基于VEE與Nport的控溫儀狀態(tài)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用VEE圖形化語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件，與傳統(tǒng)的文本語(yǔ)言相比，VEE語(yǔ)言具有直觀的前面板，節(jié)省了約80%的軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間，體現(xiàn)了“軟件即儀器”的虛擬儀器思想，降低了系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的人力成本，縮短了軟件開(kāi)發(fā)周期。

2)該系統(tǒng)利用Nport串口服務(wù)器進(jìn)行組網(wǎng)，使傳統(tǒng)的RS-232串口儀器轉(zhuǎn)換為基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，解決了RS-232接口傳輸距離受限的問(wèn)題，并且當(dāng)實(shí)驗(yàn)室增加新的監(jiān)測(cè)儀器時(shí)，無(wú)須額外購(gòu)買電腦，只要用Nport串口服務(wù)器即可實(shí)現(xiàn)儀器的入網(wǎng)連接，解決了單機(jī)多路RS-232串口通信問(wèn)題。這種組網(wǎng)方式，對(duì)儀器布放位置沒(méi)有任何限制，有利于對(duì)分散布放的儀器進(jìn)行集中管理，節(jié)省了組網(wǎng)時(shí)間，降低了組網(wǎng)的硬件成本。

3)該系統(tǒng)在某型號(hào)航天器真空熱試驗(yàn)過(guò)程中，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)控溫儀狀態(tài)參數(shù)的遠(yuǎn)程讀取、寫入以及存儲(chǔ)，降低了測(cè)試人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了人為錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試過(guò)程的自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化。

（References）

[1]范含林, 文耀普. 航天器熱平衡試驗(yàn)技術(shù)綜述[J]. 航天器環(huán)境工程, 2007, 24(2): 63-68 Fan Hanlin, Wen Yaopu. Research on the thermal balance test for spacecraft[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2007, 24(2): 63-68

[2]王鑄. 某航天小衛(wèi)星的真空熱試驗(yàn)[J]. 航天器環(huán)境工程, 2005, 22(2): 97-99 Wang Zhu. The vacuum thermal test of a small satellite[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2005,22(2): 97-99

[3]劉暢, 王奕榮. 真空熱試驗(yàn)測(cè)控軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)[J].航天器環(huán)境工程, 2010, 27(3): 324-327 Liu Chang, Wang Yirong. The software architecture design of measurement and control system in vacuum thermal tests[J]. Spacecraft Environment Engineering,2010, 27(3): 324-327

[4]許建鳳, 田建創(chuàng), 方蕾. 基于串口服務(wù)器的 PLC 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[J]. 浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 36(2): 195-196 Xu Jianfeng, Tian Jianchuang, Fang Lei. PLC network control system based on serial device server[J]. Journal of Zhejiang University of Technology, 2008, 36(2):195-196

[5]Moxa Technologies Co Ltd. NPort 5600 series user's manual[G], 2007

[6]程劍鋒, 范明. 基于Agilent VEE的機(jī)車信號(hào)測(cè)試平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2006, 27(z1): 281-282 Cheng Jianfeng, Fan Ming. Design of train signal testing platform based on Agilent VEE[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2006, 27(z1): 281-282

[7]唐智, 李景文, 周蔭清. 基于Agilent VEE的頻率調(diào)制測(cè)試方法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2006, 27(z2): 1176-1177 Tang Zhi, Li Jingwen, Zhou Yinqing. Testing method for frequency modulation based on Agilent VEE[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2006, 27(z2): 1176-1177