基于以太網(wǎng)的CSRH天線陣控制系統(tǒng)研究方案*

劉 飛，何俊波，陳志軍，顏毅華，王 威，張 煜

(1. 中國科學(xué)院太陽活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (國家天文臺(tái))，北京 100012；2. 北京市西城經(jīng)濟(jì)科學(xué)大學(xué)，北京 100035)

1 天線陣控制系統(tǒng)總體要求

(1)天線指向精度要求

設(shè)天線效率為40%，接收輻射頻率為1.8 GHz，則θ1/2≈88(λ/D)≈3°(天線非均勻照明，取反射面邊緣照明比中心低10 dB)，則最好的指向精度[1]為θ1/2/20 ≈9′。

(2)系統(tǒng)具有一定的實(shí)時(shí)性(傳輸?shù)巾憫?yīng)的時(shí)間≤300 ms)。

(3)安全及可靠性

能夠在內(nèi)蒙古正鑲白旗的復(fù)雜天氣和環(huán)境下正常工作。

2 天線單元的控制方式

對(duì)于天線陣所有天線單元的控制實(shí)際上可以認(rèn)為是多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化的控制，控制方式有如下兩種：

(1)集中式控制系統(tǒng)(Direct Digital Control, DDC)

集中式控制系統(tǒng)采用中央控制器對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中統(tǒng)一控制。這種方式對(duì)中央控制器的性能和可靠性要求較高。

(2)集散式控制系統(tǒng)(Distributed Control System, DCS)

把控制的大部分功能轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)，從而減輕了對(duì)中央控制器的要求。但需要專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)間的信息互通。

對(duì)于中國頻譜日像儀天線陣，由于控制節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多(40～100)。打算采用集散式控制系統(tǒng)構(gòu)架，即每個(gè)天線單元主要由屬于它本身的嵌入式控制模塊控制。

3 控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的比較

如前所述，日像儀天線陣的控制系統(tǒng)基于分布式控制方式，需要考慮其專用網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方式，總的來講有兩種方式：現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)總線將位于工作現(xiàn)場(chǎng)的各智能設(shè)備用總線串接起來，各節(jié)點(diǎn)利用某種協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的協(xié)調(diào)工作。工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)很多，如：CAN、FF、Profibus、Lonworks、SwiftNet等，在不同的工業(yè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。

以太網(wǎng)是當(dāng)今現(xiàn)有通訊網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。它在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)延伸的產(chǎn)物是工業(yè)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)一般是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)即(IEEE802.3或IEEE802.11 g系列標(biāo)準(zhǔn))兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)、產(chǎn)品強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

表1 以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的比較

由表1可以看出，以太網(wǎng)在連接節(jié)點(diǎn)數(shù)、傳輸距離和速率上優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)總線。同時(shí)以太網(wǎng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是確定并且開放的，而現(xiàn)場(chǎng)總線由于各廠商的推動(dòng)，形成了不同的標(biāo)準(zhǔn)，并且每種現(xiàn)場(chǎng)總線都有自己的專屬協(xié)議，封閉的協(xié)議不利于以后的功能擴(kuò)展和二次開發(fā)。但以太網(wǎng)也有缺點(diǎn)，就是在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)對(duì)媒體的訪問采用載波偵聽/沖突檢測(cè)(CSMA/CD)技術(shù)，具有本質(zhì)非實(shí)時(shí)性，很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。下面對(duì)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行分析。

觀測(cè)中的天線單元控制任務(wù)由本身的控制器完成，天線之間無需交換數(shù)據(jù)。監(jiān)控機(jī)和各節(jié)點(diǎn)控制器之間的信息交換主要是控制命令和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)反饋信息。因此，就目前的控制要求來看，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載主要集中在各節(jié)點(diǎn)控制器向監(jiān)控機(jī)反饋數(shù)據(jù)上。對(duì)于以太網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)完成一幀數(shù)據(jù)所需的時(shí)間主要由3部分組成：傳輸時(shí)間、處理時(shí)間和爭(zhēng)用時(shí)間。傳輸延時(shí)t≈22.5 us，最小爭(zhēng)用周期Tz=2t+Tj，最大爭(zhēng)用周期為Tz=3t+Tj。Tj為強(qiáng)化干擾周期：3.2～4.8 us，則Tz=48.2～72.3 us。對(duì)于含N個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，在N>20時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的爭(zhēng)用周期平均個(gè)數(shù)為Nav≈1.72[2]。

設(shè)天線數(shù)為40，節(jié)點(diǎn)控制器的總數(shù)為40。傳輸速率為10 Mbps的情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸一幀數(shù)據(jù)平均占用的時(shí)間為：Ti=51.2+22.5+72.3×1.72=198 us。(51.2 us指的是10 Mbps速率的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間，數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為512位)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)間為：198 us×40=8 ms。如果采用傳輸速率為1 000 Mbps的光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸，Ti=0.512+22.5+72.3×1.72=147 us。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)間為：147 us×40=6 ms。

據(jù)以上分析，可以看出，基于以太網(wǎng)的集散式控制技術(shù)方案相比現(xiàn)場(chǎng)總線的主要優(yōu)點(diǎn)是：工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)唯一開放，擴(kuò)展性更強(qiáng)，并且在實(shí)時(shí)性上也完全能滿足CSRH控制系統(tǒng)的要求。

4 系統(tǒng)控制方案

在前面討論的基礎(chǔ)上給出基于以太網(wǎng)的集散式構(gòu)架系統(tǒng)框圖(圖1)，以及相應(yīng)的嵌入式單元硬件結(jié)構(gòu)(圖2)和軟件體系框圖(圖3)。

圖1 基于以太網(wǎng)的集散式系統(tǒng)構(gòu)架

Fig.1 Structure of an Ethernet-based distributed control system

圖2 嵌入式單元硬件結(jié)構(gòu)框圖

Fig.2 Structure diagram of an embeded unit

圖3 嵌入式單元軟件體系框圖

Fig.3 System block diagram of an embeded unit

5 關(guān)鍵問題

(1)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性

出于以后擴(kuò)展系統(tǒng)的考慮，如果需要提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，可以采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)。例如：FSMLABS公司開發(fā)并用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的LNET通訊協(xié)議可將系統(tǒng)總體響應(yīng)時(shí)間縮短為142 us(整個(gè)網(wǎng)絡(luò)一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間)。進(jìn)一步還可采用以下方式提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性：采用全雙工方式；采用交換式以太網(wǎng)技術(shù)；將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為幾個(gè)不同的局域網(wǎng)廣播域。

(2)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法及其實(shí)現(xiàn)

各天線單元的嵌入式控制器在觀測(cè)中需要進(jìn)行時(shí)間同步，以進(jìn)行統(tǒng)一動(dòng)作。監(jiān)控機(jī)接收全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)時(shí)間信號(hào)，校正本地時(shí)鐘，然后用軟件方式將其同步到控制網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的控制器上[3]。軟件同步算法主要有確定性同步算法、概率性同步算法和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP。為了減少網(wǎng)絡(luò)延遲造成的不確定影響，系統(tǒng)可采用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步(圖4)。

6 總 結(jié)

(1)本文介紹了一種基于以太網(wǎng)的CSRH天線陣控制方案。相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線控制方式，它的主要優(yōu)點(diǎn)是：工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)唯一開放，擴(kuò)展性強(qiáng)；并且在實(shí)時(shí)性方面也完全能滿足中國頻譜日像儀系統(tǒng)的要求。

(2)在本文提出方案的基礎(chǔ)上，將利用懷柔基地射電觀測(cè)團(tuán)組的三天線單元進(jìn)行系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

(3)CSRH天線陣控制方案的最終確定還需綜合成本，工程實(shí)施，維護(hù)難度等多方面因素考慮。

圖4 客戶端/服務(wù)器端的NTP協(xié)議

Fig.4 The NTP protocol between the client and the server

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