基于MiiNePort E2的氫原子鐘監(jiān)控設計與實現(xiàn)

王淑華,張忠能,趙赟

(1.中國科學院上海天文臺,上海 200030;2.上海交通大學計算機科學與工程系,上海 200040;3. 北京衛(wèi)星導航中心,北京 100094)

?

基于MiiNePort E2的氫原子鐘監(jiān)控設計與實現(xiàn)

王淑華1,張忠能2,趙赟3

(1.中國科學院上海天文臺,上海 200030;2.上海交通大學計算機科學與工程系,上海 200040;3. 北京衛(wèi)星導航中心,北京 100094)

NRAO是中國科學院上海天文臺為國家射電天文臺研發(fā)的新型氫原子鐘。本文介紹了NRAO內(nèi)部實時監(jiān)控模塊MIINePort E2的設計與實現(xiàn)。該模塊基于Web Server實現(xiàn),實時接收NRAO控制板傳來的各子系統(tǒng)工作參數(shù),在PC端可以通過Web頁面完成對系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)視和控制,因而可以對氫原子鐘實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

氫原子鐘;NRAO 監(jiān)控;MiiNePort E2

0 引 言

衛(wèi)星導航、深空探測和VLBI地面測控系統(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間源[1]。氫原子鐘需要對其物理參數(shù)和相關狀態(tài)進行實時監(jiān)視和控制,為故障診斷提供參考。目前,中國科學院上海天文臺研發(fā)的氫原子鐘SOHM-4,通過串口聯(lián)接并在計算機上安裝應用軟件對其進行監(jiān)控。一旦計算機的操作系統(tǒng)升級,監(jiān)控軟件就會因為軟件兼容性問題而無法運行。內(nèi)置MiiNePort E2模塊通過網(wǎng)絡接口對NRAO實施監(jiān)控,對現(xiàn)有硬件的改動最小,且計算機系統(tǒng)升級與之無沖突。

1 NRAO氫原子鐘監(jiān)控的總體結構設計

NRAO氫原子鐘通過網(wǎng)口與網(wǎng)絡內(nèi)的監(jiān)控計算機相連,在計算機上打開瀏覽器對NRAO進行實時監(jiān)控。為了通過MiiNePort E2模塊對NRAO進行實時監(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]及一個網(wǎng)口水晶頭插座,其結構如圖1所示。

MiiNePort E2完成的主要功能如下:

1) 接收NRAO每秒發(fā)送的實時參數(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)頁上更新,方便用戶查看分析;

3) 接收用戶在網(wǎng)頁上設定的參數(shù)或命令,對NRAO進行控制。

圖1 NRAO氫原子鐘監(jiān)控的總體結構設計

2 NRAO氫原子鐘監(jiān)控軟件的設計與實現(xiàn)

NRAO氫原子鐘監(jiān)控軟件的開發(fā)調試,采用MiiNePort E2-SDK評估板[3]進行模擬開發(fā)。評估板自帶MiiNePort E2-SDK模塊,該模塊提供了基礎的集成開發(fā)環(huán)境和軟件源代碼調試環(huán)境。當所有的功能在評估板上調試開發(fā)實現(xiàn)后,將生成的ROM文件寫入MiiNePort E2模塊(該模塊無法進行調試,MiiNePort E2-SDK模塊具備調試環(huán)境),即可在監(jiān)控計算機上通過瀏覽器實時對NRAO的參數(shù)和狀態(tài)進行監(jiān)控。

2.1 軟件開發(fā)環(huán)境與設計

2.1.1 開發(fā)環(huán)境

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

1) 電源

該接口為MiiNePort E2-SDK評估板提供12V電壓。

2) 網(wǎng)口

該接口實現(xiàn)MiiNePort E2-SDK評估板與監(jiān)控計算機的網(wǎng)絡連接。MiiNePort E2-SDK評估板通過該接口使用一根交叉網(wǎng)線連接交換機,監(jiān)控計算機通過一根直連網(wǎng)線連接交換機。

3) USB口

該接口將監(jiān)控計算機上調試的軟件連接到MiiNePort E2-SDK模塊,通過此接口調試在MiiNePort E2-SDK模塊中運行的應用程序。

4) 串口RS232

該接口實現(xiàn)MiiNePort E2-SDK評估板與監(jiān)控計算機的串口連接,通過此接口,監(jiān)控計算機可以模擬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 軟件開發(fā)環(huán)境

2.1.2 軟件

MiiNePort E2-SDK評估板帶有配套的開發(fā)軟件MiiNePort-IDE,MiiNePort-IDE是一個基于Eclipse的開發(fā)綜合平臺,包括源代碼編輯器——C/C++編譯器和源代碼調試工具。

2.2 組成設計

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)頁顯示模塊包括狀態(tài)及參數(shù)顯示子模塊和參數(shù)設置子模塊,參數(shù)控制模塊包括無變量參數(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串口進行初始化設置,通過串口接收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接收的NRAO參數(shù)信息,按照接口定義進行解析,解析完成后寫入?yún)?shù)文件。參數(shù)信息有以下兩類:

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

b) 十六進制ASCII碼信息:此類信息主要表述輸入輸出信號的有無及設備狀態(tài)。如將十六進制B轉換為二進制后可表示8路信號的有無或狀態(tài):0表示信號無或者信號異常,1表示信號有或者信號正常。

3) 網(wǎng)頁顯示模塊

網(wǎng)頁顯示模塊將頁面分為上下兩部分。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)頁上顯示。網(wǎng)頁下半部分為人機交互,用戶可在該區(qū)域設置參數(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誤等無需參數(shù),只需在用戶操作后立即發(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的相對時延控制等,需在用戶輸入?yún)?shù)值后,對參數(shù)進行判斷,參數(shù)合法后才能發(fā)送,避免誤操作的發(fā)生。

2.4 接口設計

NRAO與MiiNePort E2模塊之間采用串行通信接口RS232進行通信,在評估板上開發(fā)時,首先在監(jiān)控計算機上通過網(wǎng)絡對MiiNePort E2-SDK模塊進行設置,將其設置為Real COM Mode,并設置串口的波特率、奇偶校驗等屬性。所有設置完成后,即可通過RS232通道在監(jiān)控計算機和MiiNePort E2-SDK模塊之間進行數(shù)據(jù)傳輸,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包格式如表1所示。

該接口的設計可兼容不同種類的設備。

表1 傳輸數(shù)據(jù)格式

2.5 NRAO監(jiān)控軟件設計流程

NRAO監(jiān)控軟件的設計流程圖如圖4所示。

圖4 NRAO監(jiān)控軟件的設計流程

監(jiān)控軟件采用多個線程并發(fā)執(zhí)行的開發(fā)方式,主要有三個線程:

1) 數(shù)據(jù)接收處理

數(shù)據(jù)接收處理線程當串口有觸發(fā)即啟動,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),若是則按照接口進行解析,解析完成后寫入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)頁上輸入?yún)?shù)后單擊發(fā)送按鈕,若參數(shù)合法,指令會被立即發(fā)送執(zhí)行,若參數(shù)不合法,提醒用戶參數(shù)不合法需重新設置。

2.6 界面設計和實現(xiàn)

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

圖5 NRAO監(jiān)控軟件的WEB頁面

NRAO氫原子鐘監(jiān)控軟件在MiiNePort E2-SDK評估板上完成開發(fā)調試,生成的ROM文件寫入MiiNePort E2模塊,該模塊與NRAO氫原子鐘的外部通訊板卡整合后進行測試。經(jīng)過為期半年的測試,該系統(tǒng)運行良好,能實時準確地監(jiān)測NRAO各參數(shù),且用戶能遠程對相關參數(shù)進行控制。另外,只要能訪問NRAO的監(jiān)控頁面,通過身份驗證后,用戶隨時隨地能進行軟件升級,維護方便。

3 結束語

本文詳細介紹了針對中國科學院上海天文臺的新型氫原子鐘NRAO,采用監(jiān)控模塊MiiNePort E2進行實時監(jiān)控的設計與實現(xiàn)方法。目前,該系統(tǒng)已經(jīng)被成功運用,能實時監(jiān)視NRAO的運行狀態(tài),并進行遠程控制,具有良好的實用性、可移植性,滿足了用戶的工作需求。

[1] 周兵,龔航. 高精度時頻信號的遠距離傳輸技術[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,高級工程師,主要從事時間頻率技術研究。

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

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

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