環(huán)境試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李載峰， 蔚素升， 李俊霖

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033）

0 引 言

在航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，環(huán)境試驗(yàn)是必不可少的環(huán)節(jié)，由于航天產(chǎn)品多工作于空間環(huán)境，其工作條件與日常環(huán)境差別極大，因此，必須通過環(huán)境試驗(yàn)?zāi)M空間環(huán)境變化，通過產(chǎn)品在環(huán)境試驗(yàn)條件下的工作狀態(tài)來檢驗(yàn)產(chǎn)品的真實(shí)性能。由此可見，良好的環(huán)境試驗(yàn)平臺是產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的有力保障。

環(huán)境試驗(yàn)總體分為力學(xué)試驗(yàn)和熱試驗(yàn)兩種，其中熱試驗(yàn)多為長時(shí)間連續(xù)工作，工作過程中需要定時(shí)切換環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)，傳統(tǒng)的控制方式是全過程人為參與，手動控制設(shè)備狀態(tài)切換，該種控制方式存在自動化程度低、故障反映速度慢、時(shí)間精度低、人為影響因素大等缺點(diǎn)，為了保證環(huán)境試驗(yàn)的順利進(jìn)行，文中提出一套環(huán)境試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

環(huán)境試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在針對現(xiàn)有環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備控制方式的不足，提出一套高集成度、高自動化水平、高可靠性的環(huán)境試驗(yàn)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備通用的RS422/485總線建立通訊鏈路，采用分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，中央控制器采用工控機(jī)結(jié)合多路RS422/485串口采集卡的方式建立硬件系統(tǒng)，并結(jié)合高效的軟件實(shí)現(xiàn)如下功能[1-2]:

1）可實(shí)時(shí)查詢和修改系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的任務(wù)周期和使用情況，輔助工作人員實(shí)現(xiàn)設(shè)備優(yōu)化管理;

2）可實(shí)現(xiàn)多臺環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備集中監(jiān)控，根據(jù)實(shí)際需要能夠?qū)崿F(xiàn)容量擴(kuò)展;

3）具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理功能，系統(tǒng)采樣率根據(jù)需要可實(shí)時(shí)改變;

4）同時(shí)監(jiān)控環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備和被測設(shè)備的環(huán)境特征參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控被測設(shè)備狀態(tài)變化;

5）單臺環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采用專用數(shù)據(jù)庫存儲，查詢方便;

6）設(shè)備故障可實(shí)時(shí)報(bào)警，對于緊急狀況可對環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行自動斷電保護(hù);

7）可根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)置環(huán)境試驗(yàn)曲線，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)曲線自動控制環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備完成狀態(tài)切換;

8）監(jiān)控系統(tǒng)集成GPS時(shí)統(tǒng)，采用GPS統(tǒng)一授時(shí)，從而保證監(jiān)控系統(tǒng)與被測設(shè)備的時(shí)間一致性;

9）環(huán)境試驗(yàn)后能夠自動生成并打印試驗(yàn)報(bào)告，提高工作效率。

2 系統(tǒng)硬件組成

環(huán)境試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件采用分布式設(shè)計(jì)，利用環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備通用的RS422/485總線建立通訊鏈路，中央控制器采用高性能工控機(jī)結(jié)合16路串口采集卡，并集成了高精度GPS時(shí)統(tǒng)終端[3]，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 環(huán)境試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件框圖

結(jié)合中央控制器的性能和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，設(shè)計(jì)中采用16路RS422/485串口通訊卡，因此，該系統(tǒng)所能連接的最大設(shè)備數(shù)為16臺，圖1中設(shè)備1～設(shè)備14為系統(tǒng)連接的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備，每臺環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備均具備通用的RS232接口[4]，并附帶相應(yīng)的通訊協(xié)議，依據(jù)通訊協(xié)議編寫相應(yīng)軟件可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制功能。狀態(tài)監(jiān)控器1和狀態(tài)監(jiān)控器2是自行研制的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用于采集環(huán)境試驗(yàn)過程中被測設(shè)備的特性參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要，狀態(tài)監(jiān)控器采用多通道設(shè)計(jì)，利用分布式溫度傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境試驗(yàn)過程中多特征點(diǎn)溫度采集，狀態(tài)監(jiān)控器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 狀態(tài)監(jiān)控器硬件框圖

由于環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備多采用RS-232協(xié)議，為了增加傳輸距離，通過RS485-RS232轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)RS-232與RS-485之間的轉(zhuǎn)換。中央控制器是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要作用是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種監(jiān)控功能，中央控制器是一臺高性能工控機(jī)，同時(shí)配置一個(gè)16路串口采集卡和一個(gè)高精度時(shí)統(tǒng)卡，16路串口采集卡建立中央控制器與外圍控制設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊鏈路，高精度時(shí)統(tǒng)卡為系統(tǒng)提供同步的GPS時(shí)間，便于系統(tǒng)與被測設(shè)備時(shí)間同步。蜂鳴器用于設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)的報(bào)警，使監(jiān)控人員第一時(shí)間做出應(yīng)急反應(yīng)。

狀態(tài)監(jiān)控器實(shí)質(zhì)為多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，核心控制器采用高性能8位單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部集成8路10位A/D轉(zhuǎn)換和串口通訊，8路熱電偶可以根據(jù)需要監(jiān)控被測設(shè)備的關(guān)鍵點(diǎn)溫度信息，并完成實(shí)時(shí)溫度采集，液晶顯示器實(shí)時(shí)刷新顯示被測設(shè)備關(guān)鍵點(diǎn)溫度，串行EPROM完成采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲，便于日后查詢，鍵盤用于設(shè)備功能設(shè)置，電源管理完成電源轉(zhuǎn)換，為狀態(tài)監(jiān)控器供電。

環(huán)境試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，每個(gè)中央控制器最多只能連接16臺串口設(shè)備，如果需要擴(kuò)展容量，則需要再建立若干該系統(tǒng)，而系統(tǒng)中央控制器間可建立網(wǎng)絡(luò)連接，形成基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的環(huán)境試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)[5-6]，具體系統(tǒng)構(gòu)架如圖3所示。

圖3 基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的環(huán)境試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，環(huán)境試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件分為兩個(gè)部分，狀態(tài)監(jiān)控器的軟件采用嵌入式軟件設(shè)計(jì)，主要功能是采集被測設(shè)備關(guān)鍵點(diǎn)的溫度，讀入溫度數(shù)據(jù)并完成存儲，刷新液晶屏顯示，最后通過RS-232串口將溫度數(shù)據(jù)反饋至中央控制器;中央控制器軟件采用VC編寫，利用模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)功能[7-8]，中央控制器軟件功能框圖如圖4所示。

圖4 中央控制器軟件功能框圖

中央控制器軟件根據(jù)環(huán)境試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求劃分為7個(gè)功能模塊。設(shè)備工作狀態(tài)確認(rèn)功能模塊用于查詢和規(guī)劃系統(tǒng)內(nèi)各試驗(yàn)設(shè)備使用情況，通過該功能可以實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)內(nèi)各試驗(yàn)設(shè)備的使用情況和預(yù)定時(shí)間內(nèi)的任務(wù)安排，通過修改設(shè)備計(jì)劃表來重新規(guī)劃設(shè)備執(zhí)行任務(wù)，輔助工作人員實(shí)現(xiàn)設(shè)備優(yōu)化管理;RS-485通訊功能模塊用于建立底層數(shù)據(jù)通訊鏈路，通過設(shè)置通訊所需的串口號、波特率、協(xié)議格式、數(shù)據(jù)收發(fā)方式等參數(shù)完成串口配置;數(shù)據(jù)采集與處理功能模塊根據(jù)設(shè)定的采樣率定期采集處于工作狀態(tài)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備、狀態(tài)監(jiān)控器的返回?cái)?shù)據(jù)以及GPS時(shí)統(tǒng)終端的時(shí)間信息，并對返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行判斷和處理，最后根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)動作;數(shù)據(jù)存儲與查詢功能模塊根據(jù)不同設(shè)備建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，將系統(tǒng)采集的相應(yīng)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備及狀態(tài)監(jiān)控器的返回?cái)?shù)據(jù)按GPS時(shí)間順序存儲于相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫具有查詢功能，可以隨時(shí)調(diào)出某時(shí)段某設(shè)備的測試數(shù)據(jù);測試報(bào)告生成與打印功能模塊用于試驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)自動生成環(huán)境試驗(yàn)報(bào)告，提供環(huán)境試驗(yàn)曲線，并驅(qū)動打印機(jī)完成報(bào)告打印，提高了工作效率，并實(shí)現(xiàn)報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)化管理;故障識別與報(bào)警功能模塊用于設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)通過返回?cái)?shù)據(jù)第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障，通過數(shù)據(jù)處理定位故障原因，并驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出預(yù)警信號，必要時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)可以自動關(guān)閉相應(yīng)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備，從而保證被測設(shè)備的安全;環(huán)試曲線生成與控制功能模塊用于試驗(yàn)前根據(jù)試驗(yàn)大綱設(shè)置試驗(yàn)過程控制參數(shù)，系統(tǒng)自動生成環(huán)試曲線，并將曲線下載至指定設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程自動控制，當(dāng)試驗(yàn)過程中通過狀態(tài)監(jiān)控器的返回?cái)?shù)據(jù)判斷試驗(yàn)情況偏離預(yù)想結(jié)果時(shí)，可以重新設(shè)定試驗(yàn)曲線，被控環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備將按照最新曲線完成試驗(yàn)。

4 結(jié) 語

環(huán)境試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有高集成度、高自動化水平、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用取代了傳統(tǒng)的手動操作模式，使環(huán)境試驗(yàn)過程控制管理更加規(guī)范、高效，環(huán)境試驗(yàn)綜合控制能力進(jìn)一步提高。

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