鄭建軍, 杜克峰, 孟海濤, 袁恩閣

(1.中國人民解放軍61711部隊(duì)，新疆 喀什 844000; 2.尼得科康迪克電梯技術(shù)(無錫)有限公司，江蘇 無錫 2140003.新疆計(jì)量測試研究院熱工所，新疆 烏魯木齊 830000)

多通道時頻信號監(jiān)測評估測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭建軍1, 杜克峰2, 孟海濤1, 袁恩閣3

(1.中國人民解放軍61711部隊(duì)，新疆 喀什 844000; 2.尼得科康迪克電梯技術(shù)(無錫)有限公司，江蘇 無錫 2140003.新疆計(jì)量測試研究院熱工所，新疆 烏魯木齊 830000)

為了有效地實(shí)現(xiàn)對多路時頻信號的監(jiān)測、評估與測試，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種基于UDP協(xié)議的多通道時頻信號監(jiān)測評估測試系統(tǒng)。闡述了系統(tǒng)的工作原理，給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了實(shí)現(xiàn)多通道時頻信號采集的關(guān)鍵技術(shù)。軟件評估與報告生成功能通過C#與Matlab混合編程實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)現(xiàn)已成功應(yīng)用于某導(dǎo)航裝備的時頻信號監(jiān)測評估，為分析、定位、處置導(dǎo)航裝備故障提供數(shù)據(jù)支持。

多通道; 時頻信號; 北斗系統(tǒng); 上位機(jī); 以太網(wǎng); 數(shù)據(jù)通信

0 引言

時頻信號被廣泛應(yīng)用于航天、導(dǎo)航、電力、通信、交通、金融等重要領(lǐng)域。時頻分系統(tǒng)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分[1]。近三年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，由時頻信號異常導(dǎo)致的故障占故障總數(shù)的28%。時頻系統(tǒng)受元器件線纜老化、溫濕度等影響而導(dǎo)致的任何時頻信號異常(如跳變、相位不一致等)，都將導(dǎo)致系統(tǒng)無法完成導(dǎo)航工作，甚至造成系統(tǒng)崩潰。因此，研究開發(fā)時頻信號監(jiān)測評估測試系統(tǒng)是確保衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的導(dǎo)航信息服務(wù)的必要手段。

目前，時頻信號監(jiān)測評估技術(shù)受到國內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注。該技術(shù)主要存在信號采集通道有限、不易擴(kuò)展[2]、無法對某些重要時頻信號進(jìn)行在線監(jiān)測評估測試[3]等問題。

本文在深入研究時頻信號監(jiān)測評估測試系統(tǒng)架構(gòu)和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(userdatagramprotocol,UDP)通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了一種多通道時頻信號監(jiān)測評估測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中取得了良好的應(yīng)用效果。

1 系統(tǒng)組成與功能

系統(tǒng)硬件主要包括多種信號測試設(shè)備。所采集的數(shù)據(jù)通過串口UDP協(xié)議發(fā)送給上位機(jī)，通過上位機(jī)時頻信號監(jiān)測評估測試軟件，完成對被測時頻信號的監(jiān)測、評估與測試，實(shí)時采集并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)海量存儲，繪制信號趨勢曲線。當(dāng)信號變化超過預(yù)定門限時，將產(chǎn)生聲光告警，并生成告警日志。

上位機(jī)軟件的主要功能包括：時頻信號采集處理、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲、曲線繪制、性能指標(biāo)評估、信號測試、系統(tǒng)告警等。上位機(jī)軟件僅監(jiān)聽上報數(shù)據(jù)，不需要向系統(tǒng)發(fā)送信號或控制命令等信息，監(jiān)測系統(tǒng)不對被測試時頻系統(tǒng)運(yùn)行造成任何影響。在監(jiān)測評估過程中，只需要將被檢時頻信號送入計(jì)量設(shè)備的指定端口，打開監(jiān)測評估測試系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測評估及測試的功能；測試完成后自動生成數(shù)據(jù)分析報告，以提高工作效率。

監(jiān)測評估測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測評估測試功能主要包括：①設(shè)備切換時，輸出頻率信號的相位變化；②頻率信號(頻率)與BDT-ZR(1PPS)的一致性；③設(shè)備切換時，輸出脈沖信號的相位變化；④輸出B碼測試(100m線纜末端)；⑤網(wǎng)絡(luò)時間、服務(wù)器時間與BDT-ZR的同步精度測試。

1.1 數(shù)據(jù)處理流程

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖

數(shù)據(jù)處理流程說明如下。

①數(shù)據(jù)接收及預(yù)處理。該流程包括時頻信號的采集、串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、預(yù)處理、UDP數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，確保采集到的不同種類時頻信號經(jīng)過串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換后傳輸給上位機(jī)。

②數(shù)據(jù)綜合分析。監(jiān)測評估測試軟件對接收的時頻信號數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、存儲、繪制實(shí)時曲線、告警，從而實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測信號的分析與評估；根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案中的時頻信號指標(biāo)，對時頻信號性能指標(biāo)進(jìn)行評估計(jì)算；將當(dāng)前時頻信號與歷史時頻信號進(jìn)行趨勢比對，從而判斷當(dāng)前時頻信號是否異常。

③數(shù)據(jù)分析報告生成。將綜合分析結(jié)果以數(shù)據(jù)表格、曲線的形式生成分析報告，將實(shí)時數(shù)據(jù)和最終結(jié)果存儲到SQLSERVER2005數(shù)據(jù)庫，以便管理和查詢分析。

1.2 硬件平臺組成與功能

監(jiān)測系統(tǒng)信號采集設(shè)備包括通用計(jì)數(shù)器、時間間隔計(jì)數(shù)器、頻穩(wěn)測試儀、相位噪聲測試儀、時間校準(zhǔn)儀、同步精度實(shí)時測量儀等計(jì)量設(shè)備。

1.2.1 時頻信號測試設(shè)備

采用通用計(jì)數(shù)器(53230A)、頻穩(wěn)測試儀(HT5360)、相位噪聲測試儀(TSC5125A)完成頻標(biāo)信號常規(guī)檢定，通過多個時間間隔計(jì)數(shù)器(SR620)，實(shí)現(xiàn)多通道時差測量；通過時間校準(zhǔn)儀(HT5332D)、同步精度實(shí)時測量儀(HT61801)，實(shí)現(xiàn)秒同步精度、B時間碼檢定等功能。

為滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，時間間隔計(jì)數(shù)器選用性價比較高的SR620。SR620正常工作時不會主動上報數(shù)據(jù),需要通過上位機(jī)周期性地向其發(fā)送規(guī)定格式的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)查詢指令(具體指令請查閱相應(yīng)文檔)。SR620收到查詢指令才會響應(yīng)，并通過對應(yīng)的通信端口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不間斷采集[4-5]。

1.2.2 串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器

本文所選擇的時頻信號采集設(shè)備基本都帶有串口。為了實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，使時頻信號采集設(shè)備便捷地接入到以太網(wǎng)，同時又能確保網(wǎng)絡(luò)的可拓展性[6-7]，本文選用MOXA的串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器(型號為NPORT5600-16，簡稱串口服務(wù)器)。該設(shè)備采用10/100MB自適應(yīng)以太網(wǎng)，可提供TCPServer/Client、UDP、REALCOM等模式，實(shí)現(xiàn)串口和以太網(wǎng)接口數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與傳輸。

串口服務(wù)器工作前，需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，合理選擇工作模式。UDP協(xié)議相較于TCP/IP協(xié)議具有更快、更高效的特點(diǎn)，適合實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，故本文使串口服務(wù)器工作在UDP協(xié)議模式。串口服務(wù)器的配置是通過NportAdministration軟件來完成的。配置前，務(wù)必使上位機(jī)與串口服務(wù)器處于同一個IP網(wǎng)段。

1.3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)三大功能：監(jiān)測功能、查詢及比對功能、分析評估預(yù)警功能。監(jiān)測功能根據(jù)采集到的被測信號的頻率、時差數(shù)據(jù)自動繪制曲線；歷史數(shù)據(jù)查詢以及時頻信號趨勢比對功能主要用于更快地獲知時頻信號是否發(fā)生異常，獲得異常信號所對應(yīng)的時刻；分析評估預(yù)警功能是參考標(biāo)準(zhǔn)時頻計(jì)量檢測的各項(xiàng)指標(biāo)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析計(jì)算，得到被測信號的各項(xiàng)指標(biāo)。

軟件設(shè)計(jì)遵循模塊化、通用化原則，確保系統(tǒng)的可移植性和可擴(kuò)展性。軟件開發(fā)充分利用多線程技術(shù)，以確保系統(tǒng)的實(shí)時性。

軟件工作流程如圖3所示。

圖3 軟件工作流程圖

軟件開發(fā)平臺選用MicrosoftVisualStudio2010,編程語言采用C#。C#是微軟開發(fā)的面向.NETFramework的應(yīng)用程序而量身開發(fā)的編程語言，繼承了C/C++的優(yōu)良特質(zhì)，又吸收借鑒了VisualBasic的快速開發(fā)能力和JAVA的高效靈活性[8]。以下著重對軟件設(shè)計(jì)所涉及的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行介紹。

1.3.1UDP數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)

UDP的優(yōu)點(diǎn)是占用網(wǎng)絡(luò)資源少，且能夠同時向多個地址廣播消息。UDP屬于無連接協(xié)議，所以發(fā)送到遠(yuǎn)程目標(biāo)結(jié)點(diǎn)的UDP數(shù)據(jù)包不一定能夠到達(dá)，也不能保證以發(fā)送的順序到達(dá)目標(biāo)結(jié)點(diǎn)[9-10]。使用UDP進(jìn)行開發(fā)時，必須及時、準(zhǔn)確地處理丟失的和順序有誤的數(shù)據(jù)包。

C#通過UDPClient類實(shí)現(xiàn)UDP數(shù)據(jù)收發(fā)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)通信。UDP模式將發(fā)送過來的串口數(shù)據(jù)封裝為UDP包，在整個網(wǎng)絡(luò)中廣播。上位機(jī)只需工作于UDP模式，主動式時頻信號計(jì)量設(shè)備通過直接監(jiān)聽即可完成數(shù)據(jù)接收；被動式時頻信號計(jì)量設(shè)備需要向其預(yù)定端口發(fā)送查詢指令，同時監(jiān)聽NPORT目標(biāo)端口，以獲得信號采集設(shè)備上報的數(shù)據(jù)。

在設(shè)計(jì)軟件時，采用一個單獨(dú)的線程完成數(shù)據(jù)的接收與校驗(yàn)；在主線程中，完成數(shù)據(jù)解析與曲線繪制。

1.3.2 實(shí)時曲線動態(tài)繪制功能的實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)需友好地實(shí)現(xiàn)曲線實(shí)時繪制。Origin、Excel、Matlab等專用數(shù)據(jù)分析軟件具有良好的圖形報表分析功能，但在實(shí)時繪制動態(tài)曲線時，調(diào)用集成這些專業(yè)軟件的局限性較大。而基于MFC或.NET的GDI程序設(shè)計(jì)量大、效率低，現(xiàn)有的大多數(shù)第三方控件，成本較高。開源繪圖控件Zedgraph能夠友好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時曲線動態(tài)繪制，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。在使用Zedgraph進(jìn)行軟件開發(fā)時，只要根據(jù)需求對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩ㄖ坪屠^承，大大縮短了研發(fā)周期。

1.3.3 評估分析功能的實(shí)現(xiàn)

鑒于Matlab優(yōu)秀的數(shù)據(jù)分析以及繪圖能力，軟件評估與報告生成功能通過C#與Matlab、Word混合編程來實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)方法為:采用Matlab，以M文件形式編寫本軟件需要的數(shù)據(jù)分析及生成報告功能后，通過Deploytool平臺編譯成C#能夠調(diào)用的DLL文件，本方法可操作性強(qiáng)、實(shí)用效果好。

2 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)研制完成后，經(jīng)過聯(lián)調(diào)聯(lián)試、拷機(jī)后，具備了正常監(jiān)測評估測試工作的能力?，F(xiàn)對系統(tǒng)的信號監(jiān)測評估和測試這兩項(xiàng)功能進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 監(jiān)測與評估功能驗(yàn)證

當(dāng)處于監(jiān)測評估模式時，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多通道時頻信號的實(shí)時采集、實(shí)時曲線動態(tài)繪制、數(shù)據(jù)存儲及分析。當(dāng)上報數(shù)據(jù)發(fā)生異常時，系統(tǒng)能夠自動告警并生成告警日志；通過趨勢查詢功能，系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)信號異常及其對應(yīng)時刻；通過分析存儲數(shù)據(jù)的最大值和最小值，系統(tǒng)可檢測出信號異常跳變，經(jīng)方差計(jì)算獲得時頻信號的穩(wěn)定性。驗(yàn)證結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)需求。

2.2 信號測試功能驗(yàn)證

通過以下兩個實(shí)際應(yīng)用，對本系統(tǒng)信號測試功能進(jìn)行驗(yàn)證。應(yīng)用一是時頻系統(tǒng)某脈沖切換器主備切換前后，時頻出線纜末端輸出頻率信號的相位變化,如圖4所示；應(yīng)用二是對某衛(wèi)通設(shè)備某異常基準(zhǔn)終端基準(zhǔn)信號進(jìn)行測試，監(jiān)測分析圖如圖5所示。

圖4 設(shè)備切換前后相位變化量示意圖

圖5 某異?；鶞?zhǔn)終端基準(zhǔn)信號監(jiān)測分析圖

由圖4可知，脈切主備切換前后，檢測到線纜末端頻率信號相位變化小于0.5ns，滿足設(shè)計(jì)要求。由圖5所知，系統(tǒng)準(zhǔn)確檢測到了某異?；鶞?zhǔn)終端產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號在某段時間內(nèi)發(fā)生了異常跳變(橫坐標(biāo)周內(nèi)秒為北斗時間)，能夠?yàn)榻K端故障定位提供數(shù)據(jù)支持。

上述結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠有效針對時頻信號進(jìn)行測監(jiān)測評估、測試，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)是成功的。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)借鑒某天文臺先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)和理念，在不影響被測時頻系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)與信號指標(biāo)的前提下，研發(fā)了采用UDP協(xié)議的多通道時頻信號實(shí)時監(jiān)測評估測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某導(dǎo)航裝備的時頻信號的監(jiān)測、評估、測試。結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性與可靠性。

[1] 陳錫春,譚志強(qiáng),李鋒.北斗用戶終端測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程,2015,45(1):40-43.

[2] 邢薇,單慶曉,肖昌炎,等.多通道時頻測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2011,19(3):549-550,578.

[3] 孫海燕,謝彥民,胡陽,等.北斗/GNSS高精度時頻終端測試方法探討[J].宇航計(jì)測技術(shù),2013,33(1):43-48.

[4] 許浩峰,方院生.一種多通道頻率測量卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動化儀表,2012,33(9):83-86.

[5] 朱維祥，孫廣富，雍少為，等.利用相位評估算法實(shí)現(xiàn)ps量級高精度時間間隔測量[J].儀器儀表學(xué)報，2008,29(12)：2626-2631.

[6] 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,2008,36(2):195-197.

[7] 廖聲立.NPort-5630串口接口服務(wù)器在天福項(xiàng)目中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2011,38(2):233-235.

[8] 張永峰.基于UDP協(xié)議的航空發(fā)動機(jī)振動實(shí)時監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù),2015,34(3):55-58.

[9] 王艷芳,戴永,劉東華,等.基于UDP的數(shù)據(jù)可靠傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2010,46(3):105-108.

[10]趙艷領(lǐng).PLC之間非實(shí)時數(shù)據(jù)共享設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動化儀表,2016,37(3):9-12.

DesignandImplementationofMulti-ChannelMonitoringandEvaluatingTestingSystemforTime-FrequencySignals

ZHENGJianjun1,DUKefeng2,MENGHaitao1,YUANEnge3

(1.The61711GroupofPLA,Kashi844000,China；2.NidecKinetekElevatorTechnologyCorporation,Wuxi214000,China；3.ThermotechnicalInstitute，XinjiangUygurAutonomousRegionResearchInstituteofMeasurement&Testing,Urumuqi830000,China)

Inordertoeffectivelymonitor,evaluateandtestthemulti-channeltime-frequencysignals,themonitoring,evaluatingandtestingsystembasedonUDPprotocolformulti-channeltime-frequencysignalsisdesignedanddeveloped.Theprincipleofsystemoperationandthedesignofhardwareiselaboratedandsoftwarearegiven;someofthekeytechnologiesinacquisitionofmulti-channeltime-frequencysignalsareintroducedemphatically.ThesoftwareevaluationandreportgenerationfucitionsarerealizedbyC#andMatlab.Thesystemhasbeensuccessfullyappliedtomonitorandevaluatethetime-frequencysignalsofcertainnavigationfacility;itisalsousedtoprovidesupportingdataforanalyzing,locating,handlingfailuresofnavigationfacility.

Multi-channel;Time-frequencysignals;Beidousystem;Hostcomputer;Ethernet;Datacommunication

2016年軍內(nèi)裝備科研項(xiàng)目(TZ-XBWZ-Y-A-2016-001)

鄭建軍(1988—)，男，碩士，助理工程師，主要從事智能控制系統(tǒng)開發(fā)、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的研究。E-mail:carl15809915306@163.com。

TH7;TP

ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701016

修改稿收到日期:2016-07-22