校飛機(jī)載實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)?

周江，潘高峰??，馬楠

（中國衛(wèi)星海上測控部飛行器海上測量與控制聯(lián)合實驗室，江蘇江陰214431）

校飛機(jī)載實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)?

周江，潘高峰??，馬楠

（中國衛(wèi)星海上測控部飛行器海上測量與控制聯(lián)合實驗室，江蘇江陰214431）

基于現(xiàn)行方案的比較，按照合作目標(biāo)特性設(shè)計了相應(yīng)的采控模塊，實現(xiàn)了各類型合作目標(biāo)接口的標(biāo)準(zhǔn)化。各模塊采用Modbus協(xié)議級聯(lián)在RS485總線上，通過數(shù)傳電臺構(gòu)成船-機(jī)回路，實現(xiàn)船載端的實時監(jiān)控。系統(tǒng)測試表明，所設(shè)計的系統(tǒng)完全滿足使用要求。

測控設(shè)備；機(jī)載實時監(jiān)控系統(tǒng)；校飛；采控模塊；Modbus

1 引言

為對船載新研或新改造測控設(shè)備的動態(tài)跟蹤性能、系統(tǒng)協(xié)調(diào)性、測量精度進(jìn)行驗證，目前必需的技術(shù)手段就是校飛，即用攜帶合作目標(biāo)（應(yīng)答機(jī)、信標(biāo)機(jī)及光源等）的飛機(jī)，在預(yù)定航路上按照一定的飛行工況進(jìn)行飛行，通過對被鑒定設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備跟蹤參數(shù)的數(shù)據(jù)處理，評價被鑒定設(shè)備的動態(tài)跟蹤性能和測量精度［1］。由于各測量船配備的測控設(shè)備不同，且測控設(shè)備型號眾多，設(shè)備狀態(tài)、工作模式也不盡相同，如何實現(xiàn)船載端對機(jī)上合作目標(biāo)的有效監(jiān)控，從而提高工作效率、節(jié)省校飛架次，并可根據(jù)各測量船情況進(jìn)行合作目標(biāo)的自由組合，成為亟待解決的課題。

本文針對這一需求，綜合考慮現(xiàn)有設(shè)備狀態(tài)和校飛需求，按照合作目標(biāo)接口標(biāo)準(zhǔn)化的總體思路，設(shè)計了一套機(jī)載實時監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)搭建與測試表明，系統(tǒng)設(shè)計方法合理有效，船載端對機(jī)上合作目標(biāo)的狀態(tài)采集與控制可靠，滿足了裝機(jī)環(huán)境和校飛高效監(jiān)控需要。

2 方案比較

2.1設(shè)備現(xiàn)狀

船載測控設(shè)備主要包括S頻段統(tǒng)一測控系統(tǒng)設(shè)備、C頻段統(tǒng)一測控系統(tǒng)設(shè)備、雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備、衛(wèi)通以及經(jīng)緯儀等，一些測控設(shè)備又分為多種工作模式，比如S頻段統(tǒng)一測控系統(tǒng)設(shè)備就包括標(biāo)準(zhǔn)TT＆C工作模式、擴(kuò)頻工作模式、FM工作模式等［2］，因此對應(yīng)測控設(shè)備的機(jī)上合作目標(biāo)包括適應(yīng)船載測控設(shè)備各種工作模式的應(yīng)答機(jī)、信標(biāo)機(jī)等。而這些合作目標(biāo)特性主要分為3種，一是僅僅提供模擬接口，簡稱模擬設(shè)備；二是提供串行RS232接口，簡稱數(shù)字設(shè)備；三是提供RS485總線接口，簡稱總線設(shè)備。

2.2 方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要完成機(jī)上合作目標(biāo)的狀態(tài)采集、參數(shù)控制、開關(guān)機(jī)等，根據(jù)設(shè)備現(xiàn)狀可以采用的方案有如下兩種。

（1）方案一

采用研華等廠家生產(chǎn)的、支持Modbus協(xié)議的亞當(dāng)功能模塊，包括A／D模塊、I／O模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊等，它的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)利于集成，對于本系統(tǒng)而言主要缺點(diǎn)是無法解決擴(kuò)展性和產(chǎn)品體積帶來的問題，無法最優(yōu)化地實現(xiàn)合作目標(biāo)的自由組合。

（2）方案二

采用通用、統(tǒng)一的設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)，針對合作目標(biāo)特性設(shè)計相應(yīng)的功能模塊，它的優(yōu)點(diǎn)是功能模塊與合作目標(biāo)作為一個整體級聯(lián)在總線上，既可實現(xiàn)合作目標(biāo)的有效控制，又可實現(xiàn)合作目標(biāo)的自由組合。

根據(jù)設(shè)備現(xiàn)狀和校飛任務(wù)需求，需要將這些接口形式各異的合作目標(biāo)歸一化為統(tǒng)一接口形式，以便于上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理。針對測量船配置的測控設(shè)備不同，通過合作目標(biāo)接口的標(biāo)準(zhǔn)化即可實現(xiàn)自由組合，可以適應(yīng)不同的任務(wù)需求，本文使用第二種方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。

3 系統(tǒng)設(shè)計

通過設(shè)計實現(xiàn)特定功能的采集和控制模塊（采控模塊），完成了新老合作目標(biāo)的狀態(tài)采集和有效控制，各采控模塊采用工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)了級聯(lián)，船載端與機(jī)上監(jiān)控微機(jī)通過數(shù)傳電臺完構(gòu)成船－機(jī)回路，滿足了系統(tǒng)設(shè)計的功能要求，原理框圖如圖1所示。

圖1 機(jī)載實時監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle diagram of the real-time monitoring system

根據(jù)機(jī)上合作目標(biāo)特性采用兩種采控模塊，類型Ⅰ是對模擬設(shè)備進(jìn)行參數(shù)采集和開／關(guān)控制，類型Ⅱ是對數(shù)字設(shè)備進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和開／關(guān)控制，兩種類型的對外接口均是RS485，接口協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，與總線設(shè)備一起受控于機(jī)上監(jiān)控微機(jī)。機(jī)上監(jiān)控微機(jī)根據(jù)設(shè)備地址對所有級聯(lián)在總線上的設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)輪詢，得到所需的參數(shù)數(shù)據(jù)，按照預(yù)定的幀格式，通過RS232發(fā)給機(jī)上數(shù)傳電臺；船載數(shù)傳電臺接收到數(shù)據(jù)，按照幀格式解析出數(shù)據(jù)，用于航跡顯示和船指揮員判斷。如需調(diào)整設(shè)備開／關(guān)等操作，船指揮員通過船載監(jiān)控微機(jī)按照幀格式發(fā)出指令，機(jī)上監(jiān)控微機(jī)收到指令后解析，按照Modbus

協(xié)議進(jìn)行相關(guān)設(shè)備控制。

為保證系統(tǒng)的可靠性和操控性，設(shè)計時采用了基于Modbus協(xié)議的工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)。Modbus協(xié)議是工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用非常廣泛的一種標(biāo)準(zhǔn)，通信采用主從結(jié)構(gòu)，從設(shè)備只響應(yīng)主設(shè)備發(fā)給自己的命令，從而實現(xiàn)了設(shè)備網(wǎng)絡(luò)傳輸和確保了通信的可靠性，一般采用兩種傳輸模式：ASCII或RTU，本文使用RTU

模式［3］；同時，采用RS485總線進(jìn)一步保證了系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

從圖1可知，整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)就是兩種類型采控模塊的設(shè)計，包括硬件電路設(shè)計與軟件設(shè)計。

3.1 硬件電路設(shè)計

由于本系統(tǒng)所設(shè)計的采控模塊并不復(fù)雜，在硬件電路設(shè)計時，選用了積木式電路設(shè)計方法，將已知的單元功能電路進(jìn)行合理地拼接，就像搭積木一樣，整合實現(xiàn)模塊功能。它減少了繁雜的計算，大大縮短了設(shè)計時間，只需在調(diào)試電路時對一些元件參數(shù)做少許修改，就可完成整個電路設(shè)計［4］。所謂合理地拼接，是指要考慮前后單元電路的輸入輸出阻抗、輸入輸出電平及電源電壓等的匹配。

（1）類型Ⅰ采控模塊設(shè)計

類型Ⅰ采控模塊的功能是采集模擬設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)、控制模擬設(shè)備的開／關(guān)機(jī)以及參數(shù)的上報，其原理框圖如圖2所示。其主處理器選用STC89C52，它是一種低功耗、高性能微控制器，具有8 kB Flash、512 B RAM、32位I／O口、全雙工串行口，最高運(yùn)作頻率35 MHz，與其最小電路形成通用的“主木頭”。根據(jù)合作目標(biāo)的接口電氣性能，選用PCF8951對模擬信號進(jìn)行采集。PCF8591是一個單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8 b CMOS數(shù)據(jù)獲取器件，具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口，與其外圍電路形成通用的“A／D采集木頭”。對于合作目標(biāo)的開／關(guān)控制，采用松下的SRD繼電器，驅(qū)動選用ULN2003，組合形成通用的“繼電器木頭”。MAX485芯片用于完成RS485串口的配置，與其外圍電路形成通用的“RS485木頭”。這些“木頭”按照約定接口組合在一起，就完成了類型Ⅰ采控模塊設(shè)計。

圖2 類型Ⅰ采控模塊原理圖Fig.2 TypeⅠacquisition control module principle diagram

（2）類型Ⅱ采控模塊設(shè)計

類型Ⅱ采控模塊的功能是控制數(shù)字設(shè)備的開／關(guān)機(jī)、協(xié)議轉(zhuǎn)換后的參數(shù)上報，其原理框圖如圖3所示。其主處理器選用C8051F020，它是Cygnal出品的一種混合信號系統(tǒng)級單片機(jī)，含有64 kB片內(nèi)Flash程序存儲器，4 352 B的RAM、8個I／O端口、5個16位通用定時器、兩個UART串行接口等部分，這里主要是利用其雙UART接口實現(xiàn)與合作目標(biāo)的RS232通信和上位機(jī)的RS485通信，與其最小電路形成通用的“主木頭”。MAX485和MAX232芯片用于完成串口配置，形成通用的“RS485木頭”和“RS232木頭”。與“繼電器木頭”組合在一起，就完成了類型Ⅱ采控模塊設(shè)計。

圖3 類型Ⅱ采控模塊原理圖Fig.3 TypeⅡacquisition control module principle diagram

3.2 軟件設(shè)計

（1）模塊軟件設(shè)計

采控模塊類型Ⅰ和類型Ⅱ軟件設(shè)計均采用模塊化設(shè)計思路，類型Ⅰ的軟件功能包括：通過I2C總線采集A／D芯片狀態(tài)數(shù)據(jù)并存儲至內(nèi)部寄存器，接收RS485總線指令，或發(fā)送合作目標(biāo)狀態(tài)數(shù)據(jù)，或通過I／O控制實現(xiàn)合作目標(biāo)的開關(guān)機(jī)操作，其軟件流程如圖4所示；類型Ⅱ的軟件功能包括：定時發(fā)送RS232命令采集合作目標(biāo)狀態(tài)參數(shù)并存儲至內(nèi)部寄存器，接收RS485總線指令，或發(fā)送合作目標(biāo)狀態(tài)數(shù)據(jù)，或通過I／O控制實現(xiàn)合作目標(biāo)的開關(guān)機(jī)操作設(shè)定，其軟件流程與類型Ⅰ基本相似，只是將采集狀態(tài)部分變化為啟動定時器，發(fā)RS232串口命令，得到的狀態(tài)數(shù)據(jù)存入內(nèi)部存寄存器。

圖4 類型Ⅰ采控模塊流程圖Fig.4 Flow chart of typeⅠacquisition control module

本文以類型Ⅰ軟件開發(fā)為例，進(jìn)行軟件設(shè)計說明，模塊主要包括采集模塊、I／O控制模塊和串口模塊，采集模塊采用I2C總線進(jìn)行通信。I2C總線是一種高性能芯片間串行同步傳輸總線，僅需串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL就實現(xiàn)了雙工同步數(shù)據(jù)傳輸，它集成在STC89C52內(nèi)部，極大縮短了設(shè)計時間［5］。I／O控制模塊是根據(jù)指令進(jìn)行STC89C52單片機(jī)I／O端口的高低電平變化。串口模塊是根據(jù)指令按照標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或I／O控制，如查詢合作目標(biāo)狀態(tài)的幀格式如下：

上位機(jī)發(fā)送命令：

［設(shè)備地址］［命令號］［00］［00］［00］［03］［CRC低8位］［CRC高8位］

模塊終端回復(fù)：

［設(shè)備地址］［功能號］［數(shù)據(jù)長度］［數(shù)據(jù)1］［數(shù)據(jù)2］［數(shù)據(jù)3］［CRC低8位］［CRC高8位］

（2）上位機(jī)軟件設(shè)計

機(jī)上監(jiān)控微機(jī)軟件的功能是按照預(yù)定的幀結(jié)構(gòu)發(fā)送輪詢命令，得到各個合作目標(biāo)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)給數(shù)傳電臺；當(dāng)接收到串口指令后，對指令進(jìn)行解析，按照設(shè)備地址發(fā)送相關(guān)命令。船載端微機(jī)軟件的功能是串口接收機(jī)上數(shù)傳電臺發(fā)出的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，進(jìn)行航跡顯示、狀態(tài)了解以及數(shù)據(jù)處理等工作，船指揮員可以實時發(fā)送串口控制指令，通過數(shù)傳電臺發(fā)出，從而構(gòu)成了天地回路，實現(xiàn)船載端對機(jī)上合作目標(biāo)的監(jiān)控。

4 系統(tǒng)測試與驗證

為驗證所建系統(tǒng)的性能、功能，筆者設(shè)計了采控模塊，與相應(yīng)的模擬設(shè)備、數(shù)字設(shè)備和總線設(shè)備，按照圖1所示搭建了系統(tǒng)測試環(huán)境。測試項目包括天地間信息接口的一致性、天地間控制／采集命令的收發(fā)準(zhǔn)確性和實時性、船載端監(jiān)控軟件的功能、機(jī)載端監(jiān)控軟件功能、采控模塊的功能等，船載端監(jiān)控界面如圖5所示。測試表明，信息接口正確，數(shù)據(jù)傳輸可靠，控制執(zhí)行及時穩(wěn)定，采控模塊功能正常，各項功能、指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

圖5 船載端監(jiān)控界面Fig.5 TT＆C ship software run interface

5 結(jié)束語

根據(jù)工作實際需要，通過對系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)、控制對象和現(xiàn)有設(shè)備狀況的綜合分析，開發(fā)了基于工業(yè)現(xiàn)場總線的機(jī)上監(jiān)控系統(tǒng)，最優(yōu)化地實現(xiàn)了對機(jī)上合作目標(biāo)的實時監(jiān)控和自由組合，滿足了船載端實時監(jiān)控需求。本方案的優(yōu)點(diǎn)是成本低，可操控性強(qiáng)，可靠性高，可擴(kuò)展性好。系統(tǒng)測試表明，方案設(shè)計合理，各項功能、指標(biāo)滿足實際任務(wù)需要。本文對新老設(shè)備并存下，通過接口標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)接口統(tǒng)一，以及采用硬件積木式設(shè)計方法對其他類似開發(fā)具有一定的借鑒意義。

［1］鐘德安.航天測量船測控通信設(shè)備標(biāo)校與校飛技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009. ZHONG De-an.TT＆C measurement and control communication equipment of TT＆C Ship calibration and the flighting fly technology［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2009.（in Chinese）

［2］江文達(dá).航天測量船［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002. JIANG Wen-da.TT＆C Ship［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2002.（in Chinese）

［3］潘高峰，王玨.基于Modbus協(xié)議的校飛集中監(jiān)控系統(tǒng)［J］.遙測遙控，2008，29（6）：59－61. PAN Gao-feng，WANG Jue.The Flighting Monitoring System Based on the Modbus［J］.Journal of Telemetry，Tracking and Command，2008，29（6）：59－61.（in Chinese）

［4］孫肖子.電子設(shè)計指南［M］.北京：高等教育出版社，2010. SUN Xiao-zi.Electronic design guide［M］.Beijing：Higher Education Press，2010.（in Chinese）

［5］鄭峰.51單片機(jī)典型應(yīng)用開發(fā)范例大全［M］.北京：中國鐵道出版社，2011. ZHENG Feng.51 microcomputer development example of the typical application［M］.Beijing：China Railway Press，2011.（in Chinese）

ZHOU Jiang was born in Nantong，Jiangsu Province，in 1974.He received the M.S.degree in 2002.He is now a senior engineer.His research concerns aerospace TT＆C technology.

潘高峰（1972—），男，遼寧錦州人，1995年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事智能儀器、自動測試系統(tǒng)方面的研究；

PAN Gao-feng was born in Jinzhou，Liaoning Province，in 1972.He received the B.S.degree in 1995.He is now a senior engineer.His research concerns intelligent instrument and ATS.

Email：pgfzhy＠163.com

馬楠（1976—），女，遼寧沈陽人，1999年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事航天測控總體技術(shù)方面研究。

MA Nan was born in Shenyang，Liaoning Province，in 1976. She received the B.S.degree in 1999.She is now an engineer.Her research concerns aerospace TT＆C technology.

Design and Implementation of an Airborne Realtime Monitoring System for Calibration Flying

ZHOU Jiang，PAN Gao-feng，MA Nan
（Joint Laboratory of Ocean-based Flight Vehicle Measurement and Control，China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China）

Under the current plans，acquisition＆control module is designed based on the cooperative target in calibration flying tasks and standardization for different interfaces is realized.Each module is connected by RS485 based on Modbus.In the ship-airplane circuit by data radio，real-time monitoring comes true on ships. Tests show that the designed system satisfies the practical application.

TT＆C equipment；airborne real-time monitoring system；calibration flying；acquisition＆control module；Modbus

date：2013－01－22；Revised date：2013－04－15

??通訊作者：pgfzhy＠163.comCorresponding author：pgfzhy＠163.com

V556；TP273

A

1001－893X（2013）07－0845－04

周江（1974—），男，江蘇南通人，2002年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事航天測控總體技術(shù)方面研究；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.004

2013－01－22；

2013－04－15