CN100561967C - 大型天文望远镜无线局域网控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大型天文望远镜无线局域网控制系统，目的在于提供一种基于无线局域网的TCS控制系统，对整个望远镜系统提供有力、实时的及无线的控制。该系统由主控制系统和本地控制系统，所述主控制系统包括服务器、交换机和PC；所述本地控制系统包括下位机(LCU)、促动器，采用RS485总线网络结构；所述主控制系统与本地控制系统之间采用无线连接系统连接，所述无线连接系统为采用802.11a协议的无线局域网系统，由无线网卡、无线接入点、无线控制器和交换机组成；所述下位机通过所述无线网卡与所述无线接入点连接，所述无线接入点通过所述无线控制器与所述服务器及PC相连接。

Description

大型天文望远镜无线局域网控制系统

技术领域

本发明涉及大型天文望远镜的控制系统，特别涉及大型天文望远镜无线局域网控制系统。

背景技术

大型天文望远镜的控制系统(TCS)是一个复杂的系统，包含有望远镜指向及跟踪控制系统、力促动器控制系统、位移促动器控制系统及圆顶控制系统等。通过力促动器控制系统及位移促动器系统，能克服薄镜面拼接望远镜镜面误差，使望远镜的像质提高，使大型天文望远镜的建造成为可能。大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(以下简称LAMOST)分别由24块六角形子镜拼接成施密特改正板M_A和37块六角形子镜拼接成球面主镜M_B组成。M_A及M_B的每一块子镜分别由三套位移促动器控制镜面位移，共183套。M_A的每块子镜下装有34套力促动器，共816套。大型天文望远镜的子镜可以扩展到成千上万，并同时把位移控制和子镜变形控制集中在同一个控制系统里完成。由此带来控制对象的数量达到了空前庞大的程度，这对望远镜的控制系统提出了极大的挑战。

现有的望远镜控制系统都采用以太网控制或总线控制，控制系统中受控单元数有几千甚至上万个，控制系统网络工程难度大，尤其是在有限的范围内工程布线更为复杂。主控制机与本地控制单元之间都经过有线连接，而望远镜因跟踪天体要作指向及跟踪运动，太多的布线给望远镜的控制与运动带来了不便。

随着无线网络技术的发展，使实现基于无线网络的大型天文望远镜控制系统成为可能。

但是，望远镜的无线控制存在以下难点：

1、受控对象数量极大，成千上万，而且分布范围非常有限，一般在几十米的范围内；

2、受控对象抗干扰能力差，不易采用大功率无线发射装置，同时无线通信易受干扰；

3、望远镜控制系统对实时性及精确性要求高，要求网络响应速度快，传送数据准确及可靠性高；

4、无线局域网络中无线设备共享无线通信介质，当同一接入点接入无线设备过多时(一般几十个)，因竞争资源而将严得影响通信性能，降低通信及响应速度；

5、无线接入点(AP)之间存在相互干扰，当多个AP信道重叠且覆盖范围重叠时，相互干扰严重，不能正常通信；

现有较为普遍的无线局域网WLAN为802.11b或802.11g，均使用2.4G频段，只有三个非重叠信道，易受来自无线电话及微波的干扰。

发明内容

本发明的目的在于，克服望远镜的无线控制的难点，提供一种基于无线局域网(Wireless Local Network-WLAN)的TCS(简称WTCS)控制系统，对整个望远镜系统提供有力、实时的及无线的控制。

本发明的技术方案是：一种大型天文望远镜无线局域网控制系统，由主控制系统和本地控制系统，所述主控制系统包括服务器、交换机和PC，采用快速以太网网络结构；所述本地控制系统包括下位机(LCU)、促动器，采用RS485总线网络结构；所述主控制系统与本地控制系统之间采用无线连接系统连接，所述无线连接系统为采用802.11a网路协议的无线局域网系统，由无线网卡、无线接入点、无线控制器和交换机组成；所述下位机通过所述无线网卡与所述无线接入点连接，所述无线接入点通过所述无线控制器与所述服务器及PC相连接，或通过所述无线控制器接入所述交换机再与所述服务器及PC相连接。

所述局域网系统，采用802.11a WLAN结构，满足系统的稳定性、抗干扰性及传输速度。IEEE 802.11a，共有12个信道，信道分别为：5.15～5.25GHz4个信道；5.25～5.35GHz 4个信道；5.725～8.725GHz 4个信道。802.11a采用正交频分多路复用(OFDM)调制技术，具有较强的抗干扰能力及高速的传输能力。本方法中选用5.725～5.8254个信道，由于位移及力促动器控制系统中被控单元数较多，其中二信道用于位移及力促动器控制，另二个用于其他控制，每个信道对应于一个网络。设定每个LCU连接的SSID，在望远镜控制系统中受控对象促动器的位置固定，限制网络漫游。并且作为本发明的进一步改进，AP中采用定向天线，调制成条状覆盖范围，避免相互干扰。

所述下位机(LCU)中设有RTLinux操作系统，在LCU中采用RTLinux，适应系统实时响应的需求。

所述服务器中设有Red Hat Linux 9操作系统；所述PC中设有Red HatLinux 9操作系统。

作为本发明的进一步改进，所述无线连接系统中，所述AP和本地控制系统之间采用时间片轮转算法进行轮询通信。在望远镜控制系统中，服务器主要发送的是控制信息，每次发送的数据量并不大，同时无线接入设备分布密度大，有限范围内数量大。针对无竞争型实时望远镜控制业务，采用点协调功能(PCF)的无线接入点(AP)集中控制接入算法，AP通过轮询方式将数据发送权交给各下位机，从而无竞争地使用信道，由AP确定各节点接入顺序和时间，并且交换控制帧信息。

作为本发明的进一步改进，网络通信模式采用异步非阻塞I/O(AIO)模型实现服务器端和下位机端的点对点之间的通信。异步非阻塞I/O(AIO)模型是一种处理与I/O重叠进行的模型，使用异步I/O可以对处理和I/O操作重叠进行，构建I/O速度更快、效率更高的应用程序。服务器请求在成功发起后，请求会立即返回，在后台完成读/写操作，应用程序然后执行其他处理操作。当I/O的响应到达时，就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成这次I/O处理过程。在异步非阻塞I/O中，可以同时发起多个传输操作，可以更高效地使用可用CPU资源。在AIO中，利用aiocb(AIO I/O Control Block)结构，此结构包含了有关传输的所有信息，aio_read函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读操作，aio_write函数用来请求一个异步写操作。

所述大型天文望远镜无线局域网控制系统还包括执行以下步骤：

1.服务器接收通过检测系统得到的数据，处理运算得到每个促动器应加的力的大小；

2.服务器采用异步非阻塞I/O依次向每个LCU发送数据；

3.AP采用PCF方式与LCU之间通信；

4.LCU接收数据，根据命令格式，向所属的促动器发送执行指令；

5.促动器将执行结果返回给LCU，LCU通过无线方式传回AP；

6.服务器异步读取数据；

7.本次通信过程结束。

本发明与现有技术相比具有如下的优势：

1.安装便捷。免去或减少了繁杂的网络布线，安放若干个接入点(AccessPoint)设备就可建立覆盖整个区域局域网络。

2.易于扩展，减少系统控制复杂性，可灵活选择。

附图说明

图1是本发明实施例1大型天文望远镜无线局域网控制系统结构框图

图2是本发明实施例1中服务器采用异步非阻塞I/O向每个LCU发送数据的流程图

图3是本发明实施例1中服务器采用的异步非阻塞I/O模型图

图4是本发明实施例1中控制系统控制流程图

具体实施方式

实施例1

LAMOST M_A每块子镜下装有34套力促动器，24块子镜下共有816套力促动器，由120套LCU控制这816套力促动器，其控制系统如下：

如图1所示，一种大型天文望远镜无线局域网控制系统，包括主控制系统1和本地控制系统2，主控制系统包括服务器、交换机和PC，采用快速以太网网络结构；本地控制系统包括下位机(LCU)和促动器，采用RS485总线网络结构；主控制系统与本地控制系统之间采用无线连接系统连接，无线连接系统为采用802.11a网路协议的无线局域网系统，由无线网卡、无线接入点、无线控制器和交换机组成；下位机通过无线网卡与无线接入点连接，无线接入点通过无线控制器与PC相连接，以及无线接入点通过无线控制器接入交换机再与服务器及PC相连接。

无线局域网系统，采用802.11a WLAN结构，满足系统的稳定性、抗干扰性及传输速度。IEEE 802.11a，共有12个信道，信道分别为：5.15～5.25GHz4个信道；5.25～5.35GHz 4个信道；5.725～8.725GHz 4个信道。802.11a采用正交频分多路复用(OFDM)调制技术，具有较强的抗干扰能力及高速的传输能力。本方法中选用5.725～5.8254个信道，由于位移及力促动器控制系统中被控单元数较多，其中二信道用于位移及力促动器控制，另二个用于其他控制，每个信道对应于一个网络。设定每个LCU连接的SSID，在望远镜控制系统中受控对象促动器的位置固定，限制网络漫游。

如图4所示，大型天文望远镜无线局域网控制系统控制过程包括以下步骤：

1.服务器接收通过检测系统得到的数据，处理运算得到每个促动器应加的力的大小；

2.服务器采用异步非阻塞I/O依次向每个LCU发送数据；

3.AP采用PCF方式与LCU之间通信；

4.LCU接收数据，根据命令格式，向所属的促动器发送执行指令；

5.促动器将执行结果返回给LCU，LCU通过无线方式传回AP；

6.服务器异步读取数据；

7.本次通信过程结束。

上述步骤4中的命令格式包括子镜号、LCU ID、开环或闭环控制命令、力值、步数等命令格式。

AP采用PCF方式与LCU之间通信：AP通过轮询方式将数据发送权交给各下位机，下位机无竞争地使用信道，由AP确定各节点接入顺序和时间，并且交换控制帧信息。

如图2所示，服务器采用异步非阻塞I/O向每个LCU发送数据的流程如下：

服务器端：

1)服务器创建TCP套接字；

2)绑定端口号(5790)；

3)监听无线网络连接；

4)接受来自LCU数据；

5)异步读、写数据；

6)处理数据；

7)转入步骤3)。

客户端：

i.创建TCP套接字；

ii.连接服务器；

iii.读数据；

iv.处理数据；

v.写数据；

vi.结束。

如图3所示，服务器采用的异步非阻塞I/O(AIO)模型如下：服务器请求在成功发起后，请求会立即返回，在后台完成读/写操作，应用程序然后执行其他处理操作。当I/O的响应到达时，就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成这次I/O处理过程。在异步非阻塞I/O中，可以同时发起多个传输操作，可以更高效地使用可用CPU资源。在AIO中，利用aiocb(AIO I/O Control Block)结构，此结构包含了有关传输的所有信息，aio_read函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读操作，aio_write函数用来请求一个异步写操作。

Claims (8)

1、一种大型天文望远镜无线局域网控制系统，由主控制系统和本地控制系统组成，所述主控制系统包括服务器、交换机和PC，采用快速以太网网络结构；所述本地控制系统包括下位机LCU、促动器，采用RS485总线网络结构；其特征是：所述主控制系统与本地控制系统之间采用无线连接系统连接，所述无线连接系统为采用802.11a网路协议的无线局域网系统，由无线网卡、无线接入点和无线控制器组成；所述下位机通过所述无线网卡与所述无线接入点连接，所述无线接入点通过所述无线控制器与所述服务器及PC相连接，或通过所述无线控制器接入所述交换机再与所述服务器及PC相连接。

2、根据权利要求1所述的无线局域网控制系统，其特征是：所述下位机LCU中设有RTLinux操作系统。

3、根据权利要求1所述的无线局域网控制系统，其特征是：所述无线局域网控制系统执行以下步骤：

1)服务器接收通过检测系统得到的数据，处理运算得到每个促动器应加的力的大小；

2)服务器采用异步非阻塞I/O依次向每个LCU发送数据；

3)AP采用PCF方式与LCU之间通信；

4)LCU接收数据，根据命令格式，向所属的促动器发送执行指令；

5)促动器将执行结果返回给LCU，LCU通过无线方式传回AP；

6)服务器异步读取数据；

7)本次通信过程结束。

4、根据权利要求1所述的无线局域网控制系统，其特征是：所述无线接入点采用PCF方式与LCU之间通信：无线接入点通过轮询方式将数据发送权交给各下位机，由无线接入点确定各下位机接入顺序和时间，并且交换控制帧信息。

5、根据权利要求1所述的无线局域网控制系统，其特征是：所述服务器采用异步非阻塞I/O方式向每个LCU发送数据。

6、根据权利要求1所述的无线局域网控制系统，其特征是：所述无线接入点采用定向天线，调制成条状覆盖范围。

7、根据权利要求3所述的无线局域网控制系统，其特征是：上述步骤4)中的命令格式包括子镜号、LCU ID、开环或闭环控制命令、力值、步数的命令格式。

8、根据权利要求3所述的无线局域网控制系统，其特征是：所述服务器采用异步非阻塞I/O方式向每个LCU发送数据时，执行下列步骤：

服务器端：

a.服务器创建TCP套接字；

b.绑定端口号5790；

c.监听无线网络连接；

d.接受来自LCU数据；

e.异步读、写数据；

f.处理数据；

g.转入步骤c)；

客户端：

i.创建TCP套接字；

ii.连接服务器；

iii.读数据；

iv.处理数据；

v.写数据；

vi.结束。

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