王淑華,張忠能,趙赟

(1.中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái),上海 200030;2.上海交通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系,上海 200040;3. 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

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基于MiiNePort E2的氫原子鐘監(jiān)控設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王淑華1,張忠能2,趙赟3

(1.中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái),上海 200030;2.上海交通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系,上海 200040;3. 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

NRAO是中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)為國(guó)家射電天文臺(tái)研發(fā)的新型氫原子鐘。本文介紹了NRAO內(nèi)部實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊MIINePort E2的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該模塊基于Web Server實(shí)現(xiàn),實(shí)時(shí)接收NRAO控制板傳來(lái)的各子系統(tǒng)工作參數(shù),在PC端可以通過(guò)Web頁(yè)面完成對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)視和控制,因而可以對(duì)氫原子鐘實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

氫原子鐘;NRAO 監(jiān)控;MiiNePort E2

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航、深空探測(cè)和VLBI地面測(cè)控系統(tǒng)中,一般采用高穩(wěn)定度、低相位噪聲的氫原子鐘作為本振頻率源和時(shí)間源[1]。氫原子鐘需要對(duì)其物理參數(shù)和相關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制,為故障診斷提供參考。目前,中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研發(fā)的氫原子鐘SOHM-4,通過(guò)串口聯(lián)接并在計(jì)算機(jī)上安裝應(yīng)用軟件對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。一旦計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)升級(jí),監(jiān)控軟件就會(huì)因?yàn)檐浖嫒菪詥?wèn)題而無(wú)法運(yùn)行。內(nèi)置MiiNePort E2模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口對(duì)NRAO實(shí)施監(jiān)控,對(duì)現(xiàn)有硬件的改動(dòng)最小,且計(jì)算機(jī)系統(tǒng)升級(jí)與之無(wú)沖突。

1 NRAO氫原子鐘監(jiān)控的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

NRAO氫原子鐘通過(guò)網(wǎng)口與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連,在計(jì)算機(jī)上打開(kāi)瀏覽器對(duì)NRAO進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。為了通過(guò)MiiNePort E2模塊對(duì)NRAO進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,需在氫原子鐘原有的外部通訊板卡上加一塊尺寸為29×17×9 mm(11.41×6.69×3.54in)的MiiNePort E2模塊[2]及一個(gè)網(wǎng)口水晶頭插座,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

MiiNePort E2完成的主要功能如下:

1) 接收NRAO每秒發(fā)送的實(shí)時(shí)參數(shù)信息,并

將參數(shù)信息按接口約定解析;

2) 將各參數(shù)值及其狀態(tài)信息在網(wǎng)頁(yè)上更新,方便用戶(hù)查看分析;

3) 接收用戶(hù)在網(wǎng)頁(yè)上設(shè)定的參數(shù)或命令,對(duì)NRAO進(jìn)行控制。

圖1 NRAO氫原子鐘監(jiān)控的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 NRAO氫原子鐘監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

NRAO氫原子鐘監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)調(diào)試,采用MiiNePort E2-SDK評(píng)估板[3]進(jìn)行模擬開(kāi)發(fā)。評(píng)估板自帶MiiNePort E2-SDK模塊,該模塊提供了基礎(chǔ)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和軟件源代碼調(diào)試環(huán)境。當(dāng)所有的功能在評(píng)估板上調(diào)試開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)后,將生成的ROM文件寫(xiě)入MiiNePort E2模塊(該模塊無(wú)法進(jìn)行調(diào)試,MiiNePort E2-SDK模塊具備調(diào)試環(huán)境),即可在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上通過(guò)瀏覽器實(shí)時(shí)對(duì)NRAO的參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

2.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境與設(shè)計(jì)

2.1.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

NRAO監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境如圖2所示,在MiiNePort E2-SDK評(píng)估板上共有四個(gè)外部接口,分別為

1) 電源

該接口為MiiNePort E2-SDK評(píng)估板提供12V電壓。

2) 網(wǎng)口

該接口實(shí)現(xiàn)MiiNePort E2-SDK評(píng)估板與監(jiān)控計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接。MiiNePort E2-SDK評(píng)估板通過(guò)該接口使用一根交叉網(wǎng)線(xiàn)連接交換機(jī),監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)一根直連網(wǎng)線(xiàn)連接交換機(jī)。

3) USB口

該接口將監(jiān)控計(jì)算機(jī)上調(diào)試的軟件連接到MiiNePort E2-SDK模塊,通過(guò)此接口調(diào)試在MiiNePort E2-SDK模塊中運(yùn)行的應(yīng)用程序。

4) 串口RS232

該接口實(shí)現(xiàn)MiiNePort E2-SDK評(píng)估板與監(jiān)控計(jì)算機(jī)的串口連接,通過(guò)此接口,監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以模擬NRAO氫原子鐘外部通訊板卡向MiiNePort E2-SDK模塊發(fā)送的參數(shù)信息,同時(shí)接收MiiNePort E2-SDK模塊向外發(fā)送的信息,如圖2所示。

圖2 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

2.1.2 軟件

MiiNePort E2-SDK評(píng)估板帶有配套的開(kāi)發(fā)軟件MiiNePort-IDE,MiiNePort-IDE是一個(gè)基于Eclipse的開(kāi)發(fā)綜合平臺(tái),包括源代碼編輯器——C/C++編譯器和源代碼調(diào)試工具。

2.2 組成設(shè)計(jì)

NRAO監(jiān)控軟件的組成如圖3所示,由信息接收模塊、信息解析模塊、網(wǎng)頁(yè)顯示模塊和參數(shù)控制模塊組成,其中信息解析模塊包括狀態(tài)解析子模塊和參數(shù)解析子模塊,網(wǎng)頁(yè)顯示模塊包括狀態(tài)及參數(shù)顯示子模塊和參數(shù)設(shè)置子模塊,參數(shù)控制模塊包括無(wú)變量參數(shù)控制子模塊和含變量參數(shù)控制子模塊。

圖3 NRAO監(jiān)控軟件的組成

2.3 各模塊功能描述

NRAO各模塊的主要功能如下:

1) 信息接收模塊:

信息接收模塊主要是對(duì)串口進(jìn)行初始化設(shè)置,通過(guò)串口接收NRAO發(fā)送的信息,若判斷為NRAO向MiiNePort E2-SDK模塊發(fā)送的信息,則開(kāi)始接收,該信息發(fā)送頻度為每秒一次。

2) 信息解析模塊

信息解析模塊主要是對(duì)接收的NRAO參數(shù)信息,按照接口定義進(jìn)行解析,解析完成后寫(xiě)入?yún)?shù)文件。參數(shù)信息有以下兩類(lèi):

a) 十進(jìn)制ASCII碼信息:此類(lèi)信息主要有NRAO內(nèi)部的電源電壓、電離源電壓電流、離子泵流量、接收機(jī)的中頻和調(diào)諧電壓、NRAO的綜合器值和NRAO的年月日時(shí)分秒?yún)?shù)等;

b) 十六進(jìn)制ASCII碼信息:此類(lèi)信息主要表述輸入輸出信號(hào)的有無(wú)及設(shè)備狀態(tài)。如將十六進(jìn)制B轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制后可表示8路信號(hào)的有無(wú)或狀態(tài):0表示信號(hào)無(wú)或者信號(hào)異常,1表示信號(hào)有或者信號(hào)正常。

3) 網(wǎng)頁(yè)顯示模塊

網(wǎng)頁(yè)顯示模塊將頁(yè)面分為上下兩部分。上半部分主要是從參數(shù)文件中讀取參數(shù)信息,判斷參數(shù)狀態(tài)后在網(wǎng)頁(yè)上顯示。網(wǎng)頁(yè)下半部分為人機(jī)交互,用戶(hù)可在該區(qū)域設(shè)置參數(shù)。

4) 參數(shù)控制模塊

參數(shù)控制模塊中,部分指令如鐘面加減一秒和清除錯(cuò)誤等無(wú)需參數(shù),只需在用戶(hù)操作后立即發(fā)送即可;而部分指令如NRAO的綜合器值即氫原子鐘頻率、NRAO輸出的1 PPS與10 MHz的相對(duì)時(shí)延控制等,需在用戶(hù)輸入?yún)?shù)值后,對(duì)參數(shù)進(jìn)行判斷,參數(shù)合法后才能發(fā)送,避免誤操作的發(fā)生。

2.4 接口設(shè)計(jì)

NRAO與MiiNePort E2模塊之間采用串行通信接口RS232進(jìn)行通信,在評(píng)估板上開(kāi)發(fā)時(shí),首先在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)MiiNePort E2-SDK模塊進(jìn)行設(shè)置,將其設(shè)置為Real COM Mode,并設(shè)置串口的波特率、奇偶校驗(yàn)等屬性。所有設(shè)置完成后,即可通過(guò)RS232通道在監(jiān)控計(jì)算機(jī)和MiiNePort E2-SDK模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包格式如表1所示。

該接口的設(shè)計(jì)可兼容不同種類(lèi)的設(shè)備。

表1 傳輸數(shù)據(jù)格式

2.5 NRAO監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)流程

NRAO監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 NRAO監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)流程

監(jiān)控軟件采用多個(gè)線(xiàn)程并發(fā)執(zhí)行的開(kāi)發(fā)方式,主要有三個(gè)線(xiàn)程:

1) 數(shù)據(jù)接收處理

數(shù)據(jù)接收處理線(xiàn)程當(dāng)串口有觸發(fā)即啟動(dòng),首先根據(jù)NRAO與MiiNePort E2模塊之間的接口定義判斷是否為NRAO數(shù)據(jù),若是則按照接口進(jìn)行解析,解析完成后寫(xiě)入MiiNePort E2模塊中的參數(shù)文件。

2) 數(shù)據(jù)顯示

數(shù)據(jù)顯示線(xiàn)程每秒讀取MiiNePort E2模塊中的參數(shù)文件,根據(jù)接口定義,判斷參數(shù)的狀態(tài),以不同的底色顯示參數(shù)信息。

3) 控制指令發(fā)送

控制指令由操作人員在網(wǎng)頁(yè)上輸入?yún)?shù)后單擊發(fā)送按鈕,若參數(shù)合法,指令會(huì)被立即發(fā)送執(zhí)行,若參數(shù)不合法,提醒用戶(hù)參數(shù)不合法需重新設(shè)置。

2.6 界面設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

NRAO氫原子鐘監(jiān)控軟件的WEB頁(yè)面如圖5所示。整個(gè)界面分為上下兩部分,上半部分為參數(shù)顯示部分,用戶(hù)可以很直觀地在界面上看到所有參數(shù)及其狀態(tài);下半部分為人機(jī)交互部分,用戶(hù)可以發(fā)送對(duì)NRAO的控制指令。

圖5 NRAO監(jiān)控軟件的WEB頁(yè)面

NRAO氫原子鐘監(jiān)控軟件在MiiNePort E2-SDK評(píng)估板上完成開(kāi)發(fā)調(diào)試,生成的ROM文件寫(xiě)入MiiNePort E2模塊,該模塊與NRAO氫原子鐘的外部通訊板卡整合后進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)為期半年的測(cè)試,該系統(tǒng)運(yùn)行良好,能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)NRAO各參數(shù),且用戶(hù)能遠(yuǎn)程對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制。另外,只要能訪(fǎng)問(wèn)NRAO的監(jiān)控頁(yè)面,通過(guò)身份驗(yàn)證后,用戶(hù)隨時(shí)隨地能進(jìn)行軟件升級(jí),維護(hù)方便。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了針對(duì)中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)的新型氫原子鐘NRAO,采用監(jiān)控模塊MiiNePort E2進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。目前,該系統(tǒng)已經(jīng)被成功運(yùn)用,能實(shí)時(shí)監(jiān)視NRAO的運(yùn)行狀態(tài),并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,具有良好的實(shí)用性、可移植性,滿(mǎn)足了用戶(hù)的工作需求。

[1] 周兵,龔航. 高精度時(shí)頻信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)[J].全球定位系統(tǒng),2014,39(6):38-41.

[2] Moxa.MiiNePort E2 Dimension Drawing[R].2010.

[3] Moxa.MiiNePort E2 Schematic Design Guide[R].2010.

The Design and Implementation of Atomic Hydrogen Maser Monitoring and Controlling Basedon MiiNePort E2

WANG Shuhua1,ZHANG Zhongneng2,ZHAO Yun3

(1.ShanghaiAstronomicalObservatory,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200030,China; 2.DepartmentofComputerScienceandEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200040,China;3.SatelliteNavigationCenterofBeijing,Beijing100094,China)

NRAO is the Atomic hydrogen maser developed by Chinese Academy of Sciences Shanghai Astronomical Observatory. This paper introduces the design and implementation of MiiNePort E2, which is the web server based real-time monitoring and controlling module of NRAO. It receives real-time operating parameters of NRAO sub-systems. Operators can remotely monitoring NRAO system status and send control messages to the module through web pages on PC.

Atomic hydrogen maser; NRAO; monitor; MiiNePort E2

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.023

2016-06-14

P228.4

A

1008-9268(2016)05-0113-05

王淑華 (1975-),女,上海人,高級(jí)工程師,主要從事時(shí)間頻率技術(shù)研究。

張忠能 (1958-),男,上海人,副教授,主要從事信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

趙赟 (1978-),女,江蘇儀征人,工程師,主要從事時(shí)間同步,時(shí)間頻率技術(shù)研究。

聯(lián)系人： 王淑華 E-mail: sunneny@shao.ac.cn