基于以太网的CSRH天线阵控制系统研究方案*

刘 飞，何俊波，陈志军，颜毅华，王 威，张 煜

(1. 中国科学院太阳活动重点实验室 (国家天文台)，北京 100012；2. 北京市西城经济科学大学，北京 100035)

1 天线阵控制系统总体要求

(1)天线指向精度要求

设天线效率为40%，接收辐射频率为1.8 GHz，则θ1/2≈88(λ/D)≈3°(天线非均匀照明，取反射面边缘照明比中心低10 dB)，则最好的指向精度[1]为θ1/2/20 ≈9′。

(2)系统具有一定的实时性(传输到响应的时间≤300 ms)。

(3)安全及可靠性

能够在内蒙古正镶白旗的复杂天气和环境下正常工作。

2 天线单元的控制方式

对于天线阵所有天线单元的控制实际上可以认为是多节点网络化的控制，控制方式有如下两种：

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

集中式控制系统采用中央控制器对各个节点进行集中统一控制。这种方式对中央控制器的性能和可靠性要求较高。

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

把控制的大部分功能转移到节点，从而减轻了对中央控制器的要求。但需要专用网络进行系统间的信息互通。

对于中国频谱日像仪天线阵，由于控制节点数目较多(40～100)。打算采用集散式控制系统构架，即每个天线单元主要由属于它本身的嵌入式控制模块控制。

3 控制网络架构的比较

如前所述，日像仪天线阵的控制系统基于分布式控制方式，需要考虑其专用网络的实现方式，总的来讲有两种方式：现场总线技术和以太网技术。

现场总线将位于工作现场的各智能设备用总线串接起来，各节点利用某种协议进行数据交换，从而实现各设备的协调工作。工业自动化领域的现场总线标准很多，如：CAN、FF、Profibus、Lonworks、SwiftNet等，在不同的工业领域都有应用。

以太网是当今现有通讯网采用的最通用的通信协议标准。它在工业控制网络延伸的产物是工业以太网。工业以太网一般是指技术上与商用以太网即(IEEE802.3或IEEE802.11 g系列标准)兼容，但在产品设计时，在材质、产品强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和安全等方面能满足工业现场控制和数据传输的需要。

表1 以太网和现场总线的比较

由表1可以看出，以太网在连接节点数、传输距离和速率上优于现场总线。同时以太网的工业标准是确定并且开放的，而现场总线由于各厂商的推动，形成了不同的标准，并且每种现场总线都有自己的专属协议，封闭的协议不利于以后的功能扩展和二次开发。但以太网也有缺点，就是在以太网网络中，节点对媒体的访问采用载波侦听/冲突检测(CSMA/CD)技术，具有本质非实时性，很大程度上取决于网络负载。下面对以太网的网络性能进行分析。

观测中的天线单元控制任务由本身的控制器完成，天线之间无需交换数据。监控机和各节点控制器之间的信息交换主要是控制命令和节点状态反馈信息。因此，就目前的控制要求来看，网络负载主要集中在各节点控制器向监控机反馈数据上。对于以太网，节点完成一帧数据所需的时间主要由3部分组成：传输时间、处理时间和争用时间。传输延时t≈22.5 us，最小争用周期Tz=2t+Tj，最大争用周期为Tz=3t+Tj。Tj为强化干扰周期：3.2～4.8 us，则Tz=48.2～72.3 us。对于含N个节点的网络，在N>20时，每个节点的争用周期平均个数为Nav≈1.72[2]。

设天线数为40，节点控制器的总数为40。传输速率为10 Mbps的情况下，每个节点传输一帧数据平均占用的时间为：Ti=51.2+22.5+72.3×1.72=198 us。(51.2 us指的是10 Mbps速率的网络传输时间，数据帧长度为512位)。整个网络一次数据传输的平均时间为：198 us×40=8 ms。如果采用传输速率为1 000 Mbps的光纤网络传输，Ti=0.512+22.5+72.3×1.72=147 us。整个网络一次数据传输的平均时间为：147 us×40=6 ms。

据以上分析，可以看出，基于以太网的集散式控制技术方案相比现场总线的主要优点是：工业标准唯一开放，扩展性更强，并且在实时性上也完全能满足CSRH控制系统的要求。

4 系统控制方案

在前面讨论的基础上给出基于以太网的集散式构架系统框图(图1)，以及相应的嵌入式单元硬件结构(图2)和软件体系框图(图3)。

图1 基于以太网的集散式系统构架

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

图2 嵌入式单元硬件结构框图

Fig.2 Structure diagram of an embeded unit

图3 嵌入式单元软件体系框图

Fig.3 System block diagram of an embeded unit

5 关键问题

(1)提高数据传输的实时性

出于以后扩展系统的考虑，如果需要提高数据传输的实时性，可以采用实时以太网技术。例如：FSMLABS公司开发并用于实时系统的LNET通讯协议可将系统总体响应时间缩短为142 us(整个网络一次数据传输的时间)。进一步还可采用以下方式提高数据传输的实时性：采用全双工方式；采用交换式以太网技术；将整个网络划分为几个不同的局域网广播域。

(2)网络时钟同步算法及其实现

各天线单元的嵌入式控制器在观测中需要进行时间同步，以进行统一动作。监控机接收全球定位系统(Global Positioning System, GPS)时间信号，校正本地时钟，然后用软件方式将其同步到控制网络各节点的控制器上[3]。软件同步算法主要有确定性同步算法、概率性同步算法和网络时间协议NTP。为了减少网络延迟造成的不确定影响，系统可采用网络时间协议进行网络时钟同步(图4)。

6 总 结

(1)本文介绍了一种基于以太网的CSRH天线阵控制方案。相对于现场总线控制方式，它的主要优点是：工业标准唯一开放，扩展性强；并且在实时性方面也完全能满足中国频谱日像仪系统的要求。

(2)在本文提出方案的基础上，将利用怀柔基地射电观测团组的三天线单元进行系统原型设计和相关实验。

(3)CSRH天线阵控制方案的最终确定还需综合成本，工程实施，维护难度等多方面因素考虑。

图4 客户端/服务器端的NTP协议

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

[1] P J Napier. The primary antenna elements[C]// Synthesis Imaging in Radio Astronomy II ASP Conference Series, 1999, 180: 51.

[2] 车驾雄. 以太网网络负载讨论[J]. 计算机工程, 2000, 26(8): 135-137.

Che Jiaxiong. A discussing on the offered load of Ethernet[J]. Computer Engineering, 2000, 26(8): 135-137.

[3] 刘立月, 王更生, 魏永丰. 分布式系统时钟同步设计与实现[J]. 计算机工程, 2006, 32(2): 279-281.

Liu Liyue, Wang Gengsheng, Wei Yongfeng. Design and implementation of clock synchronization in distributed system[J]. Computer Engineering, 2006, 32(2): 279-281.