環境試驗遠程監控系統設計

李載峰， 蔚素升， 李俊霖

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033）

0 引 言

在航天產品設計過程中，環境試驗是必不可少的環節，由于航天產品多工作于空間環境，其工作條件與日常環境差別極大，因此，必須通過環境試驗模擬空間環境變化，通過產品在環境試驗條件下的工作狀態來檢驗產品的真實性能。由此可見，良好的環境試驗平臺是產品可靠性設計的有力保障。

環境試驗總體分為力學試驗和熱試驗兩種，其中熱試驗多為長時間連續工作，工作過程中需要定時切換環境試驗設備狀態，傳統的控制方式是全過程人為參與，手動控制設備狀態切換，該種控制方式存在自動化程度低、故障反映速度慢、時間精度低、人為影響因素大等缺點，為了保證環境試驗的順利進行，文中提出一套環境試驗遠程監控系統。

1 系統整體設計

環境試驗遠程監控系統設計旨在針對現有環境試驗設備控制方式的不足，提出一套高集成度、高自動化水平、高可靠性的環境試驗控制系統，該系統利用環境試驗設備通用的RS422/485總線建立通訊鏈路，采用分布式系統設計，中央控制器采用工控機結合多路RS422/485串口采集卡的方式建立硬件系統，并結合高效的軟件實現如下功能[1-2]:

1）可實時查詢和修改系統內環境試驗設備的任務周期和使用情況，輔助工作人員實現設備優化管理;

2）可實現多臺環境試驗設備集中監控，根據實際需要能夠實現容量擴展;

3）具備實時數據采集與處理功能，系統采樣率根據需要可實時改變;

4）同時監控環境試驗設備和被測設備的環境特征參數，實時監控被測設備狀態變化;

5）單臺環境試驗設備數據采用專用數據庫存儲，查詢方便;

6）設備故障可實時報警，對于緊急狀況可對環境試驗設備進行自動斷電保護;

7）可根據試驗需求設置環境試驗曲線，監控系統根據試驗曲線自動控制環境試驗設備完成狀態切換;

8）監控系統集成GPS時統，采用GPS統一授時，從而保證監控系統與被測設備的時間一致性;

9）環境試驗后能夠自動生成并打印試驗報告，提高工作效率。

2 系統硬件組成

環境試驗遠程監控系統硬件采用分布式設計，利用環境試驗設備通用的RS422/485總線建立通訊鏈路，中央控制器采用高性能工控機結合16路串口采集卡，并集成了高精度GPS時統終端[3]，具體結構框圖如圖1所示。

圖1 環境試驗遠程監控系統硬件框圖

結合中央控制器的性能和系統實時性要求，設計中采用16路RS422/485串口通訊卡，因此，該系統所能連接的最大設備數為16臺，圖1中設備1～設備14為系統連接的環境試驗設備，每臺環境試驗設備均具備通用的RS232接口[4]，并附帶相應的通訊協議，依據通訊協議編寫相應軟件可實現相應控制功能。狀態監控器1和狀態監控器2是自行研制的數據采集設備，用于采集環境試驗過程中被測設備的特性參數，根據現實需要，狀態監控器采用多通道設計，利用分布式溫度傳感器實現環境試驗過程中多特征點溫度采集，狀態監控器硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 狀態監控器硬件框圖

由于環境試驗設備多采用RS-232協議，為了增加傳輸距離，通過RS485-RS232轉換器實現RS-232與RS-485之間的轉換。中央控制器是整個系統的關鍵環節，其主要作用是實現系統各種監控功能，中央控制器是一臺高性能工控機，同時配置一個16路串口采集卡和一個高精度時統卡，16路串口采集卡建立中央控制器與外圍控制設備的數據通訊鏈路，高精度時統卡為系統提供同步的GPS時間，便于系統與被測設備時間同步。蜂鳴器用于設備出現故障時的報警，使監控人員第一時間做出應急反應。

狀態監控器實質為多通道數據采集系統，核心控制器采用高性能8位單片機，單片機內部集成8路10位A/D轉換和串口通訊，8路熱電偶可以根據需要監控被測設備的關鍵點溫度信息，并完成實時溫度采集，液晶顯示器實時刷新顯示被測設備關鍵點溫度，串行EPROM完成采集數據實時存儲，便于日后查詢，鍵盤用于設備功能設置，電源管理完成電源轉換，為狀態監控器供電。

環境試驗遠程監控系統中，每個中央控制器最多只能連接16臺串口設備，如果需要擴展容量，則需要再建立若干該系統，而系統中央控制器間可建立網絡連接，形成基于網絡構架的環境試驗監控系統[5-6]，具體系統構架如圖3所示。

圖3 基于網絡構架的環境試驗遠程監控系統

3 系統軟件設計

軟件設計是系統功能實現的關鍵，環境試驗遠程監控系統軟件分為兩個部分，狀態監控器的軟件采用嵌入式軟件設計，主要功能是采集被測設備關鍵點的溫度，讀入溫度數據并完成存儲，刷新液晶屏顯示，最后通過RS-232串口將溫度數據反饋至中央控制器;中央控制器軟件采用VC編寫，利用模塊化設計實現系統各項功能[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環境試驗遠程監控系統設計要求劃分為7個功能模塊。設備工作狀態確認功能模塊用于查詢和規劃系統內各試驗設備使用情況，通過該功能可以實時查詢系統內各試驗設備的使用情況和預定時間內的任務安排，通過修改設備計劃表來重新規劃設備執行任務，輔助工作人員實現設備優化管理;RS-485通訊功能模塊用于建立底層數據通訊鏈路，通過設置通訊所需的串口號、波特率、協議格式、數據收發方式等參數完成串口配置;數據采集與處理功能模塊根據設定的采樣率定期采集處于工作狀態環境試驗設備、狀態監控器的返回數據以及GPS時統終端的時間信息，并對返回數據進行判斷和處理，最后根據處理結果進行相應動作;數據存儲與查詢功能模塊根據不同設備建立相應的數據庫，將系統采集的相應環境試驗設備及狀態監控器的返回數據按GPS時間順序存儲于相對應的數據庫中，數據庫具有查詢功能，可以隨時調出某時段某設備的測試數據;測試報告生成與打印功能模塊用于試驗結束后，系統自動生成環境試驗報告，提供環境試驗曲線，并驅動打印機完成報告打印，提高了工作效率，并實現報告標準化管理;故障識別與報警功能模塊用于設備發生故障時，系統通過返回數據第一時間發現故障，通過數據處理定位故障原因，并驅動蜂鳴器發出預警信號，必要時，監控系統可以自動關閉相應環境試驗設備，從而保證被測設備的安全;環試曲線生成與控制功能模塊用于試驗前根據試驗大綱設置試驗過程控制參數，系統自動生成環試曲線，并將曲線下載至指定設備，從而實現試驗過程自動控制，當試驗過程中通過狀態監控器的返回數據判斷試驗情況偏離預想結果時，可以重新設定試驗曲線，被控環境試驗設備將按照最新曲線完成試驗。

4 結 語

環境試驗遠程監控系統具有高集成度、高自動化水平、高可靠性等優點，其應用取代了傳統的手動操作模式，使環境試驗過程控制管理更加規范、高效，環境試驗綜合控制能力進一步提高。

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