CN202159138U - 基于网络的分布式雷达监控*** - Google Patents

基于网络的分布式雷达监控*** Download PDF

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黄涛
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Abstract

本实用新型公开了一种基于网络的分布式雷达监控***，采用纯硬件FPGA为核心控制器进行的电路设计，***集成度高、可靠性高、环境适应性强、性价比高、功耗低；所有控制电路中的FPGA软件设计均采用了并发多进程的框架结构，突显了其极高的实时性处理能力；整个监控***以主从式控制结构搭建，贯彻本地（各分***）分散控制、异地（数字集中处理分机）集中管理的理念，内部通讯链路为高速串行差分接口及目前最为通用的以太网络口，因此***连线简单、控制可靠、调试/测试便捷。监控软件采用基于UDP多端口的并发多任务方式实现与硬件间的通讯，同时定义了帧传输控制协议和检验协议。非常适合在各类军、民用雷达***中推广应用。

Description

基于网络的分布式雷达监控***
技术领域
本实用新型涉及雷达监控***领域，具体为一种基于网络的分布式雷达监控***。
背景技术
众所周知，雷达监控***对可靠性、环境适应性和实时性的指标要求都是极高的。灾害性天气时连续数月的雷达稳定开机探测、强发射电磁干扰下的高可靠工作、极端环境（高温、高湿、强腐蚀）下的高MTBF要求、故障/状态的实时监测及零延时保护控制等都对气象雷达监控***提出了异常高的设计要求。大多数以嵌入式计算机模块、MCU、ARM为控制核心常规解决方案都很难同时满足上述的所有苛刻要求。要想真正提高雷达***的可靠性、稳定性，监控***在软、硬多方面都进行不断的优化、改进是很有必要的。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于网络的分布式雷达监控***，以解决现有技术的气象雷达监控***无法满足极端环境下气象雷达要求的问题。
为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：
基于网络的分布式雷达监控***，其特征在于：包括有多个分别嵌入雷达各个分***中的分布式气象雷达监控单元，与雷达信号处理器、数字接收机安装为一体的气象雷达主监控器，以及以太网络交换机、气象雷达监控终端计算机，所述分布式气象雷达监控单元、气象雷达主监控器均由FPGA及FPGA的***接口芯片构成，多个分布式气象雷达监控单元与气象雷达主监控器之间通过星形高速同步差分串口双向通讯连接，所述气象雷达主监控器通过以太网络交换机构成的以太局域网与所述气象雷达监控终端计算机双向通讯连接。
所述的基于网络的分布式雷达监控***，其特征在于：所述分布式气象雷达监控单元为可拔插式，分布式气象雷达监控单元的接口以盲配插头或插座形式嵌入雷达各个分***并与雷达各个分***连接。
所述的基于网络的分布式雷达监控***，其特征在于：所述气象雷达主监控器通过PCB盲配插件与所述雷达信号处理器、数字接收机安装为一体。
所述的基于网络的分布式雷达监控***，其特征在于：所述分布式气象雷达监控单元、气象雷达主监控器中的FPGA分别写入有并发多进程框架结构的处理软件模块。
所述的基于网络的分布式雷达监控***，其特征在于：所述气象雷达主监控器的FPGA、气象雷达监控终端计算机中分别写入有基于UDP多端口的并发多任务方式架构的通讯软件模块，所述气象雷达主监控器通过以太网交换机构成的以太网局域网以UDP包的形式与所述气象雷达监控终端计算机双向通讯。
本实用新型包括有若干嵌入在雷达各分***内的分布式气象雷达监控单元（含固件软件），气象雷达主监控器（含固件软件）、以太网络交换机、气象雷达监控终端计算机（含雷达监控软件）。分布式气象雷达监控单元及气象雷达主监控器的核心控制芯片均为FPGA（现场可编程逻辑阵列）；若干分布式气象雷达监控单元与气象雷达主监控器之间通过星形高速同步差分串口实现双向通讯；气象雷达主监控器通过10/100M以太局域网络以UDP包的形式与雷达监控终端计算机建立高速双向通讯机制；所有分布式气象雷达监控单元均采用面向寄存器读/写的操作方式实现对雷达各分***的控制及故障/状态的采集；所有分布式气象雷达监控单元均具备针对被控对象（分***）的故障进行自动零延时（≤50ns）连锁保护的功能；监控软件采用基于UDP多端口的并发多任务方式实现与硬件间的通讯，可以十分方便地进行***的扩充；UDP包定义了帧传输控制协议和校验协议，有效地提高了***的可靠性。
基于网络的分布式高可靠雷达监控***可以看作是一个雷达***中的神经中枢***。通过它不仅传达并实现了控制者（人）对雷达各分***的所有操控，更可对雷达各分***当前的故障/状态进行实时监测、定时上报和动态分析，并在必要时启动故障连锁保护控制机制对被控对象实施安全性保护。该***的突出特点是：环境适应性强、可靠性高、实时性强、可维护性好、集成度高、性价比高、功耗低等。非常适合在各类军、民用雷达***中推广应用。
本实用新型的优点为：                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002
由于采用的是纯硬件FPGA为核心控制器进行的电路设计，因此***集成度高、可靠性高、环境适应性强、性价比高、功耗低；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
所有控制电路中的FPGA软件设计均采用了并发多进程的框架结构，因此更突显了其极高的实时性处理能力；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
整个监控***以主从式控制结构搭建，贯彻本地（各分***）分散控制、异地（数字集中处理分机）集中管理的理念，内部通讯链路为高速串行差分接口及目前最为通用的以太网络口，因此***连线简单、控制可靠、调试/测试便捷。
Figure DEST_PATH_IMAGE008
监控软件采用基于UDP多端口的并发多任务方式的架构编写，同时支持自定义的帧传输控制协议和校验协议。非常适合在各类军、民用雷达***中推广应用。
附图说明
图1为本实用新型硬件构成图。
图2为本实用新型工作流程图。
具体实施方式
如图1所示。基于网络的分布式雷达监控***，包括有多个分别嵌入雷达各个分***中的分布式气象雷达监控单元，与雷达信号处理器、数字接收机安装为一体的气象雷达主监控器，以及以太网络交换机、气象雷达监控终端计算机，分布式气象雷达监控单元、气象雷达主监控器均由FPGA及FPGA的***接口芯片构成，多个分布式气象雷达监控单元与气象雷达主监控器之间通过星形高速同步差分串口双向通讯连接，气象雷达主监控器通过以太网络交换机构成的以太局域网与气象雷达监控终端计算机双向通讯连接。
分布式气象雷达监控单元的外形结构可按多样化进行设计，只要能容纳下足够多的控制输出口并可嵌入到雷达各分***中即可。通常将其设计为带把手的可拔插的组件，所有接口以盲配插头/座形式与被控对象实现本地直接连接，以便于维护并避免因信号的长线传输所带来的损耗、干扰及误码的发生。其硬件电路设计为FPGA+***各类接口芯片（422差分口、232串口、TTL口、CMOS口、继电器触点、ADC、DAC等）。由于FPGA芯片所特有的内部结构已为并行处理思想的贯彻开创了设计平台，因此在FPGA软件设计上应始终坚持以并行的多进程理念来构造软件模块。以求控制动作的高实时性和可靠性。
气象雷达主监控器通常与雷达信号处理器及数字接收机等数字处理模块一起安装，以PCB盲配插件形式设计为主。硬件电路设计为FPGA+***各类接口芯片（以太网络接口、422差分口等）。由于该模块的主要用于雷达***中各类型通讯接口之间的互联互通处理，因此对响应速度和处理的准确性要求都极高，通常选择高性能FPGA设计，且软件也坚持以并发进程设计为原则。以太网络数据包的收/发处理为该FPGA控制器的核心任务。
气象雷达监控终端计算机凭借其具有的友好的人机交互手段（鼠标、键盘、显示器）成为控制者（人）对雷达***实现操控的必不可少的重要设备。借助它，控制者可以通过连接在终端与主监控器之间的网线直观地监测雷达***的当前状态，更可对雷达进行各种参数设置及控制。监控软件可针对不同的操作***，采用基于UDP多端口的并发多任务方式的架构编写通讯模块，同时参照自定义的帧传输控制协议和校验协议编写校验模块实现无差错的可靠传输。
该雷达监控***结构紧凑，明线电缆连接较为简单，仅需连接一组监控终端计算机与主监控器之间的以太网线及主监控器与若干分布式监控单元之间的几根串行通讯/时序电缆即可，再次提高了***的稳定性和可靠性。
如图2所示。本实用新型最大的工作特点体现在其真正意义上的并行处理机制上。其工作过程是这样的：***一旦上电，分布于各类硬件模块中的进程（可独立运行的工作单元）随即开始并行工作。其中，“分布式监控单元-串口入”进程负责实时监测来自气象雷达主监控器的串行输入口数据并将合法的指令串接收下来转为并行格式通知“分布式监控单元-主控”进程读取；“分布式监控单元-串口出”进程负责接收来自“分布式监控单元-主控”进程的并行指令并随即转成串行码发给气象雷达主监控器；“分布式监控单元-实时故障/状态采集”进程负责实时采集被控对象的故障/状态信息并将结果分发给“分布式监控单元-主控”进程及“分布式监控单元-控制输出” 进程；“分布式监控单元-控制输出” 进程的控制输出状态除受“分布式监控单元-主控”进程的支配外，还通过实时监测“分布式监控单元-实时故障/状态采集”进程传来的关键故障信号状态来适时启动零延时自动连锁保护控制；“分布式监控单元-主控” 进程负责统一调度各进程的工作状态及节奏，当有合法的串口指令输入时即分检该指令并通过控制调度相应的进程予以响应。“主监控器－主控”进程主要负责整个监控***的网络通讯协议转换、通讯数据包的分检／转发等；对应各分布式气象雷达监控单元，气象雷达主监控器内均各有１对“主监控器－串口入”及“主监控器－串口出”进程负责指令的并－串、串－并转换；“主监控器－UDP包收发”进程负责对以太网UDP包的拆解、识别及合并、打包，有效数据通过FIFO与“主监控器－主控”进程实现双向传递。

Claims (4)

1.基于网络的分布式雷达监控***，其特征在于：包括有多个分别嵌入雷达各个分***中的分布式气象雷达监控单元，与雷达信号处理器、数字接收机安装为一体的气象雷达主监控器，以及以太网络交换机、气象雷达监控终端计算机，所述分布式气象雷达监控单元、气象雷达主监控器均由FPGA及FPGA的***接口芯片构成，多个分布式气象雷达监控单元与气象雷达主监控器之间通过星形高速同步差分串口双向通讯连接，所述气象雷达主监控器通过以太网络交换机构成的以太局域网与所述气象雷达监控终端计算机双向通讯连接。
2.根据权利要求1所述的基于网络的分布式雷达监控***，其特征在于：所述分布式气象雷达监控单元为可拔插式，分布式气象雷达监控单元的接口以盲配插头或插座形式嵌入雷达各个分***并与雷达各个分***连接。
3.根据权利要求1所述的基于网络的分布式雷达监控***，其特征在于：所述气象雷达主监控器通过PCB盲配插件与所述雷达信号处理器、数字接收机安装为一体。
4.根据权利要求1所述的基于网络的分布式雷达监控***，其特征在于：所述气象雷达主监控器的FPGA、气象雷达监控终端计算机中分别写入有基于UDP多端口的并发多任务方式架构的通讯软件模块，所述气象雷达主监控器通过以太网交换机构成的以太网局域网以UDP包的形式与所述气象雷达监控终端计算机双向通讯。 
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