CN101106493A

CN101106493A - 大型天文望远镜无线局域网控制方法

Info

Publication number: CN101106493A
Application number: CNA2007100261730A
Authority: CN
Inventors: 帅小应; 张振超
Original assignee: Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology NIAOT of CAS
Current assignee: Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology NIAOT of CAS
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2027-08-17
Also published as: CN100550807C

Abstract

本发明涉及大型天文望远镜无线局域网控制方法，目的在于提供一种基于无线局域网的TCS控制方法，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方法，大型天文望远镜无线局域网控制方法由主控制系统、本地控制系统和无线局域网系统组成，所述无线局域网系统采用802.11a协议，所述无线局域网和有线局域网构架采用无线接入点(AP)加网卡形式。

Description

大型天文望远镜无线局域网控制方法

技术领域

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

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；

6、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，克服现有技术的缺陷，提供一种基于无线局域网(Wireless Local Network-WLAN)的TCS(简称WTCS)控制方法，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方法，大型天文望远镜无线局域网控制方法由主控制系统、本地控制系统和无线局域网系统组成，所述无线局域网系统采用802.11a协议，所述无线局域网和有线局域网构架采用无线接入点(AP)加网卡形式。

所述的802.11a无线网络协议采用OFDM技术，工作在5GISM频段，共有12个信道，目前本国开放4个信道，传输速率可高达54Mbps，抗干扰能力强。采用802.11a无线网络协议，能够满足系统的稳定性、抗干扰性及传输速度。IEEE 802.11a，共有12个信道，信道分别为： 5.15～5.25GHz 4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5.725～5.825 4个信道，由于位移及力促动器控制系统中被控单元数较多，故将其中二个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无线网络。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。

作为本发明的进一步改进，AP(无线接入点)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，服务器端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，满足大数量受控对象访问的需要。

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方法还包括以下步骤：

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。

本发明具有如下的有益效果：采用802.11a无线网络协议，设定AP工作信道及SSID，其中位移及力促动器控制对象多，分配二个信道，并且采用定向天线，调制成条状覆盖范围，避免相互干扰；采用PCF访问方式，设置网络分配向量(NAV)对介质进行控制，创建无竞争的轮询访问方式，满足大数量受控对象访问的需要；同时采用异步非阻塞I/O网络通信，提高网络通信性能。

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架构图；

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(客户端)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

如图1所示，一种大型天文望远镜无线局域网控制方法，控制系统包括主控制系统、本地控制系统和无线局域网系统，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；无线局域网系统采用802.11a网路协议，无线局域网和有线局域网构架采用无线接入点(AP)加网卡形式。

IEEE 802.11a，共有12非重叠的信道，信道分别为：5.15～5.25GHz 4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5.725～5.825 4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方法控制过程包括以下步骤：

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；

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

1.一种大型天文望远镜无线局域网控制方法，大型天文望远镜无线局域网控制方法由主控制系统、本地控制系统和无线局域网系统组成，其特征是：所述无线局域网系统采用802.11a网路协议，所述无线局域网和有线局域网构架采用无线接入点(AP)加网卡形式。

2.根据权利要求1所述的无线局域网控制方法，其特征是：该方法还包括以下步骤：

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。

3.根据权利要求1所述的无线局域网控制方法，其特征是：在频道段中选用5.725～5.825 4个信道，其中二个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无线网络。

4.根据权利要求1所述的无线局域网控制方法，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方法，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2所述的无线局域网控制方法，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。

7.根据权利要求2所述的无线局域网控制方法，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：

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。