Распределённая система управления антенным комплексом

Введение

Несмотря на высокую степень автоматизации создаваемых радиотехнических комплексов, в эксплуатируемых на сегодняшний день антенных системах продолжают использоваться методы управления, основанные на ручной настройке, наведении на источник излучения и диагностике оборудования, входящего в антенную систему составными частями.

Представленный в данной статье масш­табируемый аппаратно-про­грамм­ный комплекс (МАПК) «Союз» обеспечивает управление многоканальным радиотехническим комплексом. Комплекс разработан специалистами ЗАО «КИА Системы».

Под каналом радиотехнического комплекса разработчики понимают антенную систему с автономной системой наведения. Каждый канал управляется единой системой управления и использует общие ресурсы МАПК: систему технического анализа, систему планирования работ, систему долговременного хранения и статистической обработки данных, систему управ­ления контрольно-измерительным оборудованием.

Структура МАПК представлена на рис. 1. Из структурной схемы видно, что МАПК объединяет в одно целое контрольно-измерительную аппаратуру, систему управления исполнительными устройствами, интеллектуальное технологическое оборудование, операторские пункты и другие компьютерные системы, функционирующие в рамках радиотехнического комплекса.

МАПК решает следующие задачи:

• настройка режима работы отдельной антенной системы;

• настройка высокочастотного тракта каждой антенны на оптимальный приём/передачу сигнала в нескольких частотных диапазонах;

• отображение спектра принимаемого сигнала от каждой антенны в любом из диапазонов;

• наведение антенны в заданную точку пространства в автоматическом и ручном режимах управления;

• хранение параметров настройки и наведения по каждой антенне в базе данных АПК;

• контроль параметров антенной системы в целом и каждой входящей в радиотехнический комплекс антенны в реальном масштабе времени.

Разработанный аппаратно-программный комплекс обеспечивает возможность управления целым семейством антенных систем в автоматическом режиме без вмешательства оператора.

Обобщённая структура аппаратно-программного комплекса

Комплекс имеет трёхуровневую ие­рар­­хическую структуру (см. рис. 1).

Первый уровень представлен системой планирования работ МАПК и системой статистической обработки и долговременного хранения данных.

Второй уровень – это система управления каналами МАПК и системы, реализующие алгоритмы анализа сигналов, контроля и диагностики аппаратуры, а также система управления контрольно-измерительным оборудованием, входящим в состав радиотехнического комплекса. При необходимости расширения круга задач, решаемых радиотехническим комплексом, второй уровень может быть дополнен и другими вычислительными системами.

Третий уровень МАПК образован распределённой системой управления, построенной на базе одноплатных ком­пьютеров CPC303 (компания FASTWEL) формата PC/104, и контрольно-измерительной аппаратурой. Рас­пределённая система управления име­ет классическую для таких систем струк­туру, объединя­ющую не­сколько управляющих конт­роллеров, в роли которых выступают одноплатные ком­­пьютеры CPC303. Внешний вид управляющего контроллера представлен на рис. 2. 

Контроллеры осу­щест­вляют управ­ле­ние интеллектуальными исполнительными устройствами антенных систем в среде встроенной операци­онной системы реального времени QNX 6 Neu­tri­no. Каж­дый конт­роллер управляет работой одного канала, а так­­же осуществляет связь с дру­гими контроллерами и обмен с сис­темами верхнего уровня. Внешний вид исполнения аппаратуры системы управления для двух каналов показан на рис. 3.

Основу нижнего уровня составляют интеллектуальные ис­полнительные устройства: преобразователи частоты Sie­mens MICROMASTER 440, энкодеры Ku..bler, двигатели постоянного и переменного тока, преобразователи и др. В качестве транспортного протокола связи с исполнительными устройствами используется протокол интерфейса CAN, обеспечивающий безопасную передачу данных и команд в реальном масштабе времени.

Управление интеллектуальными исполнительными устройствами

Функционирование третьего уровня системы основано на межпроцессном взаимодействии посредством передачи сообщений. Процессы могут быть разделены на три группы:

• процессы, реализующие обмен с верх­ним уровнем системы;

• процессы, реализующие основные задачи управляющих контроллеров;

• процессы, реализующие транспортный про­токол с исполнительным интеллектуальным уровнем системы.

Разделение и взаимодействие процессов, которые обеспечивают основную работу по управлению устройствами, обладающими CAN-интерфейсом и имеющими возможность взаимодействовать по нему с другими устройствами, иллюстрирует рис. 4.

Все процессы взаимодействуют че­рез программу управляющего контроллера Coordinator. Обмен со вторым уровнем системы осуществляется по про­токолу QNet с использованием сокетов и реализуется посредством двух процессов: процесса приёма данных (RECEIVER) и процесса передачи данных (TRANSMITTER). Они обеспечивают непосредственную приёмопередачу данных от систем второго управляющего уровня и передачу их потребителям. Это позволяет организовать асинхронный режим обмена, что не приводит к блокировке систем второго уровня в то время, пока осуществляется передача или приём данных.

QNet позволяет связать компьютеры в однородную сеть, функционирующую на базе собственного одноимённого протокола, основанного на обмене сообщениями микроядра.

Построение сети QNet по сути своей уникально: вместо передачи условных данных, определённых протоколом, по сети передаются системные сообщения, которые после «сборки» менеджером сети поступают непосредственно в ядро. Передача сообщения по сети происходит с использованием механизма, в точности аналогичного тому, который используется при выполнении запросов системного API, например open(), на локальном компьютере. QNet обеспечивает обмен сообщениями меж­ду процессами на удалённых узлах прозрачно, как если бы они находились на одном узле сети, – в результате вся сеть превращается в единый компьютер с общими ресурсами и задачами.

Каждый процесс, реализуемый в контроллере, представляет собой цикл, в котором происходит приём и обработка сообщений от процессов уровнем выше. Построение цикла вид­но из листинга 1. Все процессы являются потомками абстрактного класса Active, в котором представлены все основные функции: создание канала, по которому идёт приём сообщений, приём сообщений по каналу, обработка сообщений, ответ на сообщения (листинг 2).

Функция MsgReceive является блокирующей. На ней процесс ждёт сообщения, которое предназначено для него. Как только такое сообщение поступает, выполняются анализ сообщения и дальнейшая обработка. Функция MsgReply производит ответ на присылаемые сообщения. Ответ может как со­держать сообщение с полезными данными, запрашиваемыми клиентом, так и быть пустым.

Процесс уровнем выше посылает сообщения с помощью функции MsgSend. Но для удобства создан класс IActive (листинг 3). В этом классе реализованы функции для посылки сообщений классу Active. Построение про­цессов с использованием классов Active и IActive позволяет упростить и ускорить разработку процессов, так как в этих классах уже реализованы основные наборы функций, а разработка каждого процесса (написание соответствующего программного кода) может вестись различными людьми.

Процессы, реализующие основные задачи управляющих контроллеров и обеспечивающие формирование управляющих воздействий для исполнительных устройств нижнего уровня, взаимодействуют между собой через программу Coordinator, которая распределяет ресурсы контроллера меж­ду процессами и синхронизирует их работу. Такая организация позволяет нижнему уровню системы функционировать независимо от второго управляющего уровня и не блокировать задачи, выполняемые системами второго уровня.

Системный координатор

На втором уровне системы управления МАПК находятся:

• система управления комплексом антенных систем;

• система анализа и сбора данных;

• система питания и диагностики оборудования;

• система управления контрольно-измерительным оборудованием.

Каждая система, кроме первой из перечисленных, решает свой круг задач и может работать независимо от других. Система управления комплексом антенных систем фактически является системным координатором, менеджером программно-аппаратных средств описываемого радиотехнического комплекса.

Основной задачей этой системы является планирование ресурсов МАПК и обеспечение взаимодействия систем различного назначения, входящих в него, а также реализация наглядного и детального представления всех частей МАПК, обеспечение ясной обратной связи и соблюдение эргономических требований к графическому интерфейсу. В процессе решения данных задач удалось спроектировать интерфейс, который позволяет максимально точно управлять комплексом, своевременно сообщает оператору обо всех неисправностях и учитывает специфику предметной области для создания комфортных условий использования. Ко­пия основного экрана системы управ­ления комплексом приведена на рис. 5.

Поскольку система управления МАПК позиционируется как многоканальная унифицируемая система с возможностями расширения, целесообразно было предусмотреть механизм, позволяющий наращивать её независимо от уже существующей и функционирующей структуры. Поэтому был разработан механизм, который обеспечивает возможность быстрой доработки системы при условии появления дополнительного оборудования, включаемого в контур управления. С этой целью разработан объект типа «класс», позволяющий описывать поведение объекта управления. В листинге 4 приведён каркас программного кода класса Device. Представленный класс пред­назначен для работы с оборудованием по протоколу TCP/IP, поэтому для установления соединения необходимо задать адрес и порт устройства. Метод sendCommand() выполняет работу по формированию сообщения, проверке его корректности и отправке сообщения устройству – иными словами, обеспечивает требуемый протокол. Этот метод используется как основа для более специфичных методов класса, например таких как getData(), который предназначен для считывания контролируемых параметров с устройства.

Вся работа с устройством осуществляется в цикле опроса, который описывается индивидуально для разных устройств. Внутри него мы считываем данные и осуществляем их обработку. Стандартный цикл предполагает опрос с выбранным временны˜м интервалом. Если же требуется настроить цикл опроса более детально, то можно переопределить метод start().

Для добавления нового оборудования в контур управления комплексом достаточно внести в представленный класс лишь специфичные для данного типа оборудования изменения. Такой подход позволяет значительно сократить время на интеграцию нового оборудования и делает доработку программного обеспечения независимым процессом, допуская привлечение программистов разной квалификации, что в конечном итоге может значительно удешевить процесс разработки программного обеспечения.

Заключение

Описанный в данной статье аппаратно-программный комплекс со своей системой управления введён в эксплуатацию в составе многолучевого антенного комплекса и успешно функционирует.

Поскольку разработчики данной системы ставили своей основной целью получить динамически развивающийся инструмент, позволяющий быстро адаптировать программное обеспечение к различным объектам, на его основе может быть выстроена система управления реального времени, позволяющая управлять различными объектами промышленного и специального назначения.

В качестве примеров возможного применения описанной в статье системы управления можно привести различные гексаподы, используемые в гиростабилизированных платформах (электронный гиростабилизатор), робо­тотехнике (управление сложными движениями), шлюзах и других приложениях. ●

E-mail: e-pet@yandex.ru