多通道時頻信號監測評估測試系統的設計與實現

鄭建軍, 杜克峰, 孟海濤, 袁恩閣

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

多通道時頻信號監測評估測試系統的設計與實現

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，新疆 喀什 844000; 2.尼得科康迪克電梯技術(無錫)有限公司，江蘇 無錫 2140003.新疆計量測試研究院熱工所，新疆 烏魯木齊 830000)

為了有效地實現對多路時頻信號的監測、評估與測試，設計研發了一種基于UDP協議的多通道時頻信號監測評估測試系統。闡述了系統的工作原理，給出了系統的軟硬件設計，重點介紹了實現多通道時頻信號采集的關鍵技術。軟件評估與報告生成功能通過C#與Matlab混合編程實現。系統現已成功應用于某導航裝備的時頻信號監測評估，為分析、定位、處置導航裝備故障提供數據支持。

多通道; 時頻信號; 北斗系統; 上位機; 以太網; 數據通信

0 引言

時頻信號被廣泛應用于航天、導航、電力、通信、交通、金融等重要領域。時頻分系統是衛星導航系統的重要組成部分[1]。近三年的統計數據表明，由時頻信號異常導致的故障占故障總數的28%。時頻系統受元器件線纜老化、溫濕度等影響而導致的任何時頻信號異常(如跳變、相位不一致等)，都將導致系統無法完成導航工作，甚至造成系統崩潰。因此，研究開發時頻信號監測評估測試系統是確保衛星導航系統提供穩定、可靠的導航信息服務的必要手段。

目前，時頻信號監測評估技術受到國內外專家的廣泛關注。該技術主要存在信號采集通道有限、不易擴展[2]、無法對某些重要時頻信號進行在線監測評估測試[3]等問題。

本文在深入研究時頻信號監測評估測試系統架構和用戶數據報協議(userdatagramprotocol,UDP)通信協議的基礎上，研究開發了一種多通道時頻信號監測評估測試系統。該系統在衛星導航系統中取得了良好的應用效果。

1 系統組成與功能

系統硬件主要包括多種信號測試設備。所采集的數據通過串口UDP協議發送給上位機，通過上位機時頻信號監測評估測試軟件，完成對被測時頻信號的監測、評估與測試，實時采集并實現數據海量存儲，繪制信號趨勢曲線。當信號變化超過預定門限時，將產生聲光告警，并生成告警日志。

上位機軟件的主要功能包括：時頻信號采集處理、數據通信、數據存儲、曲線繪制、性能指標評估、信號測試、系統告警等。上位機軟件僅監聽上報數據，不需要向系統發送信號或控制命令等信息，監測系統不對被測試時頻系統運行造成任何影響。在監測評估過程中，只需要將被檢時頻信號送入計量設備的指定端口，打開監測評估測試系統，即可實現自動監測評估及測試的功能；測試完成后自動生成數據分析報告，以提高工作效率。

監測評估測試系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

系統可以實現的監測評估測試功能主要包括：①設備切換時，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網絡時間、服務器時間與BDT-ZR的同步精度測試。

1.1 數據處理流程

系統數據處理流程如圖2所示。

圖2 系統數據處理流程圖

數據處理流程說明如下。

①數據接收及預處理。該流程包括時頻信號的采集、串口數據轉換、預處理、UDP數據傳輸等，確保采集到的不同種類時頻信號經過串口服務器轉換后傳輸給上位機。

②數據綜合分析。監測評估測試軟件對接收的時頻信號數據進行解析、存儲、繪制實時曲線、告警，從而實現對監測信號的分析與評估；根據系統總體設計方案中的時頻信號指標，對時頻信號性能指標進行評估計算；將當前時頻信號與歷史時頻信號進行趨勢比對，從而判斷當前時頻信號是否異常。

③數據分析報告生成。將綜合分析結果以數據表格、曲線的形式生成分析報告，將實時數據和最終結果存儲到SQLSERVER2005數據庫，以便管理和查詢分析。

1.2 硬件平臺組成與功能

監測系統信號采集設備包括通用計數器、時間間隔計數器、頻穩測試儀、相位噪聲測試儀、時間校準儀、同步精度實時測量儀等計量設備。

1.2.1 時頻信號測試設備

采用通用計數器(53230A)、頻穩測試儀(HT5360)、相位噪聲測試儀(TSC5125A)完成頻標信號常規檢定，通過多個時間間隔計數器(SR620)，實現多通道時差測量；通過時間校準儀(HT5332D)、同步精度實時測量儀(HT61801)，實現秒同步精度、B時間碼檢定等功能。

為滿足系統設計需求，時間間隔計數器選用性價比較高的SR620。SR620正常工作時不會主動上報數據,需要通過上位機周期性地向其發送規定格式的十六進制數據查詢指令(具體指令請查閱相應文檔)。SR620收到查詢指令才會響應，并通過對應的通信端口向上位機發送數據，從而實現數據的不間斷采集[4-5]。

1.2.2 串口設備聯網服務器

本文所選擇的時頻信號采集設備基本都帶有串口。為了實現多通道數據的實時采集，使時頻信號采集設備便捷地接入到以太網，同時又能確保網絡的可拓展性[6-7]，本文選用MOXA的串口設備聯網服務器(型號為NPORT5600-16，簡稱串口服務器)。該設備采用10/100MB自適應以太網，可提供TCPServer/Client、UDP、REALCOM等模式，實現串口和以太網接口數據的轉換與傳輸。

串口服務器工作前，需要根據系統設計需求，合理選擇工作模式。UDP協議相較于TCP/IP協議具有更快、更高效的特點，適合實時數據監控系統的數據通信，故本文使串口服務器工作在UDP協議模式。串口服務器的配置是通過NportAdministration軟件來完成的。配置前，務必使上位機與串口服務器處于同一個IP網段。

1.3 軟件設計與實現

上位機軟件主要實現三大功能：監測功能、查詢及比對功能、分析評估預警功能。監測功能根據采集到的被測信號的頻率、時差數據自動繪制曲線；歷史數據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生異常，獲得異常信號所對應的時刻；分析評估預警功能是參考標準時頻計量檢測的各項指標，對采集的數據進行數學分析計算，得到被測信號的各項指標。

軟件設計遵循模塊化、通用化原則，確保系統的可移植性和可擴展性。軟件開發充分利用多線程技術，以確保系統的實時性。

軟件工作流程如圖3所示。

圖3 軟件工作流程圖

軟件開發平臺選用MicrosoftVisualStudio2010,編程語言采用C#。C#是微軟開發的面向.NETFramework的應用程序而量身開發的編程語言，繼承了C/C++的優良特質，又吸收借鑒了VisualBasic的快速開發能力和JAVA的高效靈活性[8]。以下著重對軟件設計所涉及的重點和難點進行介紹。

1.3.1UDP數據通信的實現

UDP的優點是占用網絡資源少，且能夠同時向多個地址廣播消息。UDP屬于無連接協議，所以發送到遠程目標結點的UDP數據包不一定能夠到達，也不能保證以發送的順序到達目標結點[9-10]。使用UDP進行開發時，必須及時、準確地處理丟失的和順序有誤的數據包。

C#通過UDPClient類實現UDP數據收發的網絡服務通信。UDP模式將發送過來的串口數據封裝為UDP包，在整個網絡中廣播。上位機只需工作于UDP模式，主動式時頻信號計量設備通過直接監聽即可完成數據接收；被動式時頻信號計量設備需要向其預定端口發送查詢指令，同時監聽NPORT目標端口，以獲得信號采集設備上報的數據。

在設計軟件時，采用一個單獨的線程完成數據的接收與校驗；在主線程中，完成數據解析與曲線繪制。

1.3.2 實時曲線動態繪制功能的實現

上位機需友好地實現曲線實時繪制。Origin、Excel、Matlab等專用數據分析軟件具有良好的圖形報表分析功能，但在實時繪制動態曲線時，調用集成這些專業軟件的局限性較大。而基于MFC或.NET的GDI程序設計量大、效率低，現有的大多數第三方控件，成本較高。開源繪圖控件Zedgraph能夠友好地實現實時曲線動態繪制，完全滿足系統設計需求。在使用Zedgraph進行軟件開發時，只要根據需求對其進行適當的定制和繼承，大大縮短了研發周期。

1.3.3 評估分析功能的實現

鑒于Matlab優秀的數據分析以及繪圖能力，軟件評估與報告生成功能通過C#與Matlab、Word混合編程來實現。具體實現方法為:采用Matlab，以M文件形式編寫本軟件需要的數據分析及生成報告功能后，通過Deploytool平臺編譯成C#能夠調用的DLL文件，本方法可操作性強、實用效果好。

2 系統測試

系統研制完成后，經過聯調聯試、拷機后，具備了正常監測評估測試工作的能力。現對系統的信號監測評估和測試這兩項功能進行驗證。

2.1 監測與評估功能驗證

當處于監測評估模式時，系統能夠實現多通道時頻信號的實時采集、實時曲線動態繪制、數據存儲及分析。當上報數據發生異常時，系統能夠自動告警并生成告警日志；通過趨勢查詢功能，系統能夠發現信號異常及其對應時刻；通過分析存儲數據的最大值和最小值，系統可檢測出信號異常跳變，經方差計算獲得時頻信號的穩定性。驗證結果表明，系統實現了設計需求。

2.2 信號測試功能驗證

通過以下兩個實際應用，對本系統信號測試功能進行驗證。應用一是時頻系統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；應用二是對某衛通設備某異常基準終端基準信號進行測試，監測分析圖如圖5所示。

圖4 設備切換前后相位變化量示意圖

圖5 某異常基準終端基準信號監測分析圖

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，滿足設計要求。由圖5所知，系統準確檢測到了某異常基準終端產生的基準信號在某段時間內發生了異常跳變(橫坐標周內秒為北斗時間)，能夠為終端故障定位提供數據支持。

上述結果表明，本系統能夠有效針對時頻信號進行測監測評估、測試，證明了系統設計是成功的。

3 結束語

本系統借鑒某天文臺先進的經驗和理念，在不影響被測時頻系統運行架構與信號指標的前提下，研發了采用UDP協議的多通道時頻信號實時監測評估測試系統。該系統已成功應用于某導航裝備的時頻信號的監測、評估、測試。結果表明，系統具有較好的穩定性與可靠性。

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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年軍內裝備科研項目(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開發、衛星導航技術的研究。E-mail:carl15809915306@163.com。

TH7;TP

ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701016

修改稿收到日期:2016-07-22