基于MiiNePort E2的氢原子钟监控设计与实现

王淑华,张忠能,赵赟

(1.中国科学院上海天文台,上海 200030;2.上海交通大学计算机科学与工程系,上海 200040;3. 北京卫星导航中心,北京 100094)



基于MiiNePort E2的氢原子钟监控设计与实现

王淑华1,张忠能2,赵赟3

(1.中国科学院上海天文台,上海 200030;2.上海交通大学计算机科学与工程系,上海 200040;3. 北京卫星导航中心,北京 100094)

NRAO是中国科学院上海天文台为国家射电天文台研发的新型氢原子钟。本文介绍了NRAO内部实时监控模块MIINePort E2的设计与实现。该模块基于Web Server实现,实时接收NRAO控制板传来的各子系统工作参数,在PC端可以通过Web页面完成对系统工作状态的监视和控制,因而可以对氢原子钟实现远程监控。

氢原子钟;NRAO 监控;MiiNePort E2

0 引 言

卫星导航、深空探测和VLBI地面测控系统中,一般采用高稳定度、低相位噪声的氢原子钟作为本振频率源和时间源[1]。氢原子钟需要对其物理参数和相关状态进行实时监视和控制,为故障诊断提供参考。目前,中国科学院上海天文台研发的氢原子钟SOHM-4,通过串口联接并在计算机上安装应用软件对其进行监控。一旦计算机的操作系统升级,监控软件就会因为软件兼容性问题而无法运行。内置MiiNePort E2模块通过网络接口对NRAO实施监控,对现有硬件的改动最小,且计算机系统升级与之无冲突。

1 NRAO氢原子钟监控的总体结构设计

NRAO氢原子钟通过网口与网络内的监控计算机相连,在计算机上打开浏览器对NRAO进行实时监控。为了通过MiiNePort E2模块对NRAO进行实时监控,需在氢原子钟原有的外部通讯板卡上加一块尺寸为29×17×9 mm(11.41×6.69×3.54in)的MiiNePort E2模块[2]及一个网口水晶头插座,其结构如图1所示。

MiiNePort E2完成的主要功能如下:

1) 接收NRAO每秒发送的实时参数信息,并

将参数信息按接口约定解析;

2) 将各参数值及其状态信息在网页上更新,方便用户查看分析;

3) 接收用户在网页上设定的参数或命令,对NRAO进行控制。

图1 NRAO氢原子钟监控的总体结构设计

2 NRAO氢原子钟监控软件的设计与实现

NRAO氢原子钟监控软件的开发调试,采用MiiNePort E2-SDK评估板[3]进行模拟开发。评估板自带MiiNePort E2-SDK模块,该模块提供了基础的集成开发环境和软件源代码调试环境。当所有的功能在评估板上调试开发实现后,将生成的ROM文件写入MiiNePort E2模块(该模块无法进行调试,MiiNePort E2-SDK模块具备调试环境),即可在监控计算机上通过浏览器实时对NRAO的参数和状态进行监控。

2.1 软件开发环境与设计

2.1.1 开发环境

NRAO监控软件的开发环境如图2所示,在MiiNePort E2-SDK评估板上共有四个外部接口,分别为

1) 电源

该接口为MiiNePort E2-SDK评估板提供12V电压。

2) 网口

该接口实现MiiNePort E2-SDK评估板与监控计算机的网络连接。MiiNePort E2-SDK评估板通过该接口使用一根交叉网线连接交换机,监控计算机通过一根直连网线连接交换机。

3) USB口

该接口将监控计算机上调试的软件连接到MiiNePort E2-SDK模块,通过此接口调试在MiiNePort E2-SDK模块中运行的应用程序。

4) 串口RS232

该接口实现MiiNePort E2-SDK评估板与监控计算机的串口连接,通过此接口,监控计算机可以模拟NRAO氢原子钟外部通讯板卡向MiiNePort E2-SDK模块发送的参数信息,同时接收MiiNePort E2-SDK模块向外发送的信息,如图2所示。

图2 软件开发环境

2.1.2 软件

MiiNePort E2-SDK评估板带有配套的开发软件MiiNePort-IDE,MiiNePort-IDE是一个基于Eclipse的开发综合平台,包括源代码编辑器——C/C++编译器和源代码调试工具。

2.2 组成设计

NRAO监控软件的组成如图3所示,由信息接收模块、信息解析模块、网页显示模块和参数控制模块组成,其中信息解析模块包括状态解析子模块和参数解析子模块,网页显示模块包括状态及参数显示子模块和参数设置子模块,参数控制模块包括无变量参数控制子模块和含变量参数控制子模块。

图3 NRAO监控软件的组成

2.3 各模块功能描述

NRAO各模块的主要功能如下:

1) 信息接收模块:

信息接收模块主要是对串口进行初始化设置,通过串口接收NRAO发送的信息,若判断为NRAO向MiiNePort E2-SDK模块发送的信息,则开始接收,该信息发送频度为每秒一次。

2) 信息解析模块

信息解析模块主要是对接收的NRAO参数信息,按照接口定义进行解析,解析完成后写入参数文件。参数信息有以下两类:

a) 十进制ASCII码信息:此类信息主要有NRAO内部的电源电压、电离源电压电流、离子泵流量、接收机的中频和调谐电压、NRAO的综合器值和NRAO的年月日时分秒参数等;

b) 十六进制ASCII码信息:此类信息主要表述输入输出信号的有无及设备状态。如将十六进制B转换为二进制后可表示8路信号的有无或状态:0表示信号无或者信号异常,1表示信号有或者信号正常。

3) 网页显示模块

网页显示模块将页面分为上下两部分。上半部分主要是从参数文件中读取参数信息,判断参数状态后在网页上显示。网页下半部分为人机交互,用户可在该区域设置参数。

4) 参数控制模块

参数控制模块中,部分指令如钟面加减一秒和清除错误等无需参数,只需在用户操作后立即发送即可;而部分指令如NRAO的综合器值即氢原子钟频率、NRAO输出的1 PPS与10 MHz的相对时延控制等,需在用户输入参数值后,对参数进行判断,参数合法后才能发送,避免误操作的发生。

2.4 接口设计

NRAO与MiiNePort E2模块之间采用串行通信接口RS232进行通信,在评估板上开发时,首先在监控计算机上通过网络对MiiNePort E2-SDK模块进行设置,将其设置为Real COM Mode,并设置串口的波特率、奇偶校验等属性。所有设置完成后,即可通过RS232通道在监控计算机和MiiNePort E2-SDK模块之间进行数据传输,传输的数据包格式如表1所示。

该接口的设计可兼容不同种类的设备。

表1 传输数据格式

2.5 NRAO监控软件设计流程

NRAO监控软件的设计流程图如图4所示。

图4 NRAO监控软件的设计流程

监控软件采用多个线程并发执行的开发方式,主要有三个线程:

1) 数据接收处理

数据接收处理线程当串口有触发即启动,首先根据NRAO与MiiNePort E2模块之间的接口定义判断是否为NRAO数据,若是则按照接口进行解析,解析完成后写入MiiNePort E2模块中的参数文件。

2) 数据显示

数据显示线程每秒读取MiiNePort E2模块中的参数文件,根据接口定义,判断参数的状态,以不同的底色显示参数信息。

3) 控制指令发送

控制指令由操作人员在网页上输入参数后单击发送按钮,若参数合法,指令会被立即发送执行,若参数不合法,提醒用户参数不合法需重新设置。

2.6 界面设计和实现

NRAO氢原子钟监控软件的WEB页面如图5所示。整个界面分为上下两部分,上半部分为参数显示部分,用户可以很直观地在界面上看到所有参数及其状态;下半部分为人机交互部分,用户可以发送对NRAO的控制指令。

图5 NRAO监控软件的WEB页面

NRAO氢原子钟监控软件在MiiNePort E2-SDK评估板上完成开发调试,生成的ROM文件写入MiiNePort E2模块,该模块与NRAO氢原子钟的外部通讯板卡整合后进行测试。经过为期半年的测试,该系统运行良好,能实时准确地监测NRAO各参数,且用户能远程对相关参数进行控制。另外,只要能访问NRAO的监控页面,通过身份验证后,用户随时随地能进行软件升级,维护方便。

3 结束语

本文详细介绍了针对中国科学院上海天文台的新型氢原子钟NRAO,采用监控模块MiiNePort E2进行实时监控的设计与实现方法。目前,该系统已经被成功运用,能实时监视NRAO的运行状态,并进行远程控制,具有良好的实用性、可移植性,满足了用户的工作需求。

[1] 周兵,龚航. 高精度时频信号的远距离传输技术[J].全球定位系统,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

王淑华 (1975-),女,上海人,高级工程师,主要从事时间频率技术研究。

张忠能 (1958-),男,上海人,副教授,主要从事信息系统设计。

赵赟 (1978-),女,江苏仪征人,工程师,主要从事时间同步,时间频率技术研究。

联系人： 王淑华 E-mail: sunneny@shao.ac.cn