摘  要： 針對(duì)上海世博會(huì)車載系留氣球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)了基于LabWindows的地面測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有多串口數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、用SQL語(yǔ)句訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)等特點(diǎn)，利用POS和GPS數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地面目標(biāo)定位。
關(guān)鍵詞： 測(cè)控；數(shù)據(jù)庫(kù)；SQL；目標(biāo)定位；LabWindows

    在浮空器領(lǐng)域，地面測(cè)控系統(tǒng)的性能和可靠性對(duì)于浮空器載荷的工作性能尤為重要。在上海世博會(huì)車載系留氣球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)任務(wù)系統(tǒng)中，地面測(cè)控系統(tǒng)面向的對(duì)象是浮空平臺(tái)上裝載的光電載荷及其配套設(shè)備，主要包括可見光高清攝像機(jī)、紅外相機(jī)和高光譜相機(jī)、POS(位置與姿態(tài)測(cè)量)系統(tǒng)及球上測(cè)控系統(tǒng)等，圖1所示是車載系留氣球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)任務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的組成框圖。

    車載系留氣球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)任務(wù)系統(tǒng)地面測(cè)控系統(tǒng)軟件的目標(biāo)是保證球上光電平臺(tái)上各個(gè)載荷與球下控制設(shè)備的正常工作，對(duì)球上載荷的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、接收、顯示與存儲(chǔ)，控制球上各個(gè)載荷的狀態(tài)。對(duì)球上載荷的某些參數(shù)具有報(bào)警功能，保證控制命令和參數(shù)返回具有很好的實(shí)時(shí)性，同時(shí)測(cè)控系統(tǒng)還要對(duì)世博園地面目標(biāo)進(jìn)行定位。
1 系統(tǒng)功能
    車載系留氣球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)任務(wù)系統(tǒng)地面測(cè)控系統(tǒng)軟件具體功能如下：
    (1)數(shù)據(jù)采集功能。對(duì)可見光攝像機(jī)、POS系統(tǒng)、紅外和高光譜相機(jī)、供配電等單元的工作數(shù)據(jù)與狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。
    (2)坐標(biāo)解算功能。解算出氣球位置變化引起的可見光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)吊艙的姿態(tài)變化。
    (3)球下目標(biāo)位置解算功能。利用球載POS系統(tǒng)獲得的光電平臺(tái)姿態(tài)和位置以及可見光監(jiān)測(cè)吊艙獲得的轉(zhuǎn)角信息解算球下目標(biāo)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。
    (4)遙控功能。對(duì)可見光攝像機(jī)、POS系統(tǒng)、紅外和高光譜相機(jī)、供配電單元等進(jìn)行指令控制，包括通斷電、可見光攝像機(jī)視軸指向控制、攝像機(jī)變焦、任務(wù)應(yīng)用各分系統(tǒng)的通斷電及保護(hù)等。
    (5)數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)功能。對(duì)球載設(shè)備的所有遙測(cè)數(shù)據(jù)在球下測(cè)控系統(tǒng)操控臺(tái)上均能實(shí)時(shí)顯示，重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤上以供分析。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)工具的選擇
    在應(yīng)用程序開發(fā)軟件中，VC和VB等工具開發(fā)周期普遍較長(zhǎng)、難度也比較高。美國(guó)NI公司推出的NI LabWindows/CVI是一類久經(jīng)驗(yàn)證的ANSI C集成開發(fā)環(huán)境，為用戶提供了用于創(chuàng)建測(cè)試和控制應(yīng)用的全套編程工具[1]。NI LabWindows/CVI兼有ANSI C的耐用性、復(fù)用性和特定的工程性能，適用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、分析和用戶界面開發(fā)。NI的數(shù)據(jù)庫(kù)連接工具包(Database Connectivity Toolkit)具有完整的SQL功能，與本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)可直接交互式操作，高級(jí)而易用的功能適用于常見的數(shù)據(jù)庫(kù)操作，利用其豐富的按鈕和圖形等用戶界面庫(kù)函數(shù)，可大大縮短軟件的開發(fā)周期，滿足軟件開發(fā)的實(shí)際需要。
    根據(jù)地面測(cè)控系統(tǒng)上述功能要求，采用模塊化設(shè)計(jì)方法把系統(tǒng)分為四個(gè)功能模塊：串口采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理(包括定位)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)管理模塊。采用單線程定時(shí)器技術(shù)滿足各個(gè)載荷不同數(shù)據(jù)采集頻率的要求；根據(jù)POS提供的數(shù)據(jù)和可見光監(jiān)測(cè)球艙(穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺(tái))輸出的的遙測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)空間坐標(biāo)變換計(jì)算球下目標(biāo)位置；根據(jù)遙測(cè)下行數(shù)據(jù)流量大(傳輸速率6.2 Gb/s)、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)(182天)的特點(diǎn)，采用SQL Tookit工具包應(yīng)用Access數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)物理模塊框圖如圖2所示，以下詳細(xì)介紹其中幾個(gè)重要的物理模塊的設(shè)計(jì)。

2.2 遙測(cè)數(shù)據(jù)接收模塊
    LabWindows/CVI編程語(yǔ)言提供了豐富的串口函數(shù)，可以很容易實(shí)現(xiàn)串口通信功能。利用豐富的RS-232庫(kù)函數(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷的數(shù)據(jù)/命令收發(fā)功能，這些函數(shù)包括：OpenCom函數(shù)打開串口、OpenComConfig函數(shù)設(shè)置串口并用設(shè)置串口的返回值來(lái)判定串口的狀態(tài)、ComWrtByte函數(shù)對(duì)串口發(fā)送字節(jié)、ComReadByte函數(shù)由串口接收字節(jié)、CloseCom函數(shù)關(guān)閉串口等[2]。圖3所示為串口初始化流程圖。
    以下為串口初始化程序示例：

    //打開并設(shè)置串號(hào)，波特率為9600，沒(méi)有校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，最大輸入和輸出隊(duì)列長(zhǎng)度都為512
    OpenComConfig(ComPort，””，9600，0，8，1，512，512)；
    FlushlnQ(ComPo~)；  //清空接收隊(duì)列
    FlushOutQ(ComPo~)； //清空發(fā)送隊(duì)列
    //裝載串回調(diào)函數(shù)
    Installc0mcallback(ComPo，eventMask，3，eventChar，ComCallback，0)；
    CloseCom(ComPo)；  //關(guān)閉串13
2.3 遙控指令發(fā)送模塊
    在車載系留氣球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)任務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)測(cè)控分系統(tǒng)中，要求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各載荷的工作狀態(tài)。根據(jù)要求本系統(tǒng)具有不同的數(shù)據(jù)/控制命令發(fā)送頻率，最小周期是20 ms，最大周期是1 s?？紤]到本系統(tǒng)不要求精確定時(shí)，可以采用Timer定時(shí)器。
    定時(shí)器的建立、刪除和設(shè)置可通過(guò)調(diào)用New Timer函數(shù)、Discard Timer函數(shù)和Set TimerAttribute函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。定時(shí)響應(yīng)函數(shù)的聲明為：
    Int CVICALLBACK MyTimerCallback(int reserved，int theTimerId，int event，void *callbackData，int eventData1，int eventData2)；
    測(cè)試系統(tǒng)軟件啟動(dòng)之后，建立一個(gè)定時(shí)器；然后設(shè)置定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間和響應(yīng)函數(shù)；在軟件退出時(shí)，刪除定時(shí)器；在定時(shí)響應(yīng)函數(shù)中，調(diào)用串口函數(shù)和面板響應(yīng)函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的功能，并定時(shí)發(fā)送控制指令。
2.4 地面目標(biāo)位置定位模塊
    世博會(huì)車載系留氣球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)任務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)主要是監(jiān)控世博會(huì)園區(qū)，對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行定位，所有圖像數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)和遙測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)地面光纜傳送至世博總控中心，為世博園安全提供有力的保障。
    POS定位與姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及可見光轉(zhuǎn)臺(tái)均固定于浮空器光電平臺(tái)安裝基面上，當(dāng)可見光球艙瞄準(zhǔn)地面靜態(tài)目標(biāo)后，可輸出視軸相對(duì)可見光轉(zhuǎn)臺(tái)自身的方位角和俯仰角，利用可見光轉(zhuǎn)臺(tái)與POS系統(tǒng)(方位和姿態(tài)角)的相對(duì)位置數(shù)據(jù)(事先標(biāo)定)，同時(shí)采集POS系統(tǒng)輸出的定位數(shù)據(jù)和光電平臺(tái)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)一系列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，可獲得視軸在以地面差分基站為原點(diǎn)建立的參考坐標(biāo)系中的直線方程，進(jìn)而可以得到目標(biāo)點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)。定位示意圖如圖4所示。

2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
    地面操作人員需要對(duì)載荷參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)和設(shè)備操作等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，如果用文本文件、excel等格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，考慮到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大和運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，存儲(chǔ)文件將會(huì)很大，這對(duì)后續(xù)文件運(yùn)行、查詢等操作將產(chǎn)生影響，本系統(tǒng)通過(guò)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢等操作變得簡(jiǎn)單方便。
2.5.1 數(shù)據(jù)庫(kù)建立
    首先需要新建數(shù)據(jù)庫(kù)，將獲取的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，本文采用微軟公司的Access軟件。Access存儲(chǔ)方式單一，管理對(duì)象包括表、查詢、窗體、報(bào)表、頁(yè)、宏和模塊， 數(shù)據(jù)存放在后綴(.mdb)的數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，便于用戶的操作和管理[3]。系統(tǒng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，首先必須用ODBC管理器注冊(cè)一個(gè)數(shù)據(jù)源，管理器根據(jù)數(shù)據(jù)源提供的數(shù)據(jù)庫(kù)位置、數(shù)據(jù)庫(kù)類型及ODBC驅(qū)動(dòng)程序等信息，建立ODBC與具體數(shù)據(jù)庫(kù)的聯(lián)系。步驟如下：
    (1)打開控制面版→管理工具→數(shù)據(jù)源odbc；
    (2)點(diǎn)擊系統(tǒng)dsn，添加并選擇Microsoft Access driver(*.mdb)，在“數(shù)據(jù)源名稱”中輸入定義的名字；
    (3)安裝Office里面的Accees，安裝好以后打開Access，新建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，命名為***.mdb；
    (4)使用設(shè)計(jì)器創(chuàng)建新的表，一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)MDB文件里面可以建立多個(gè)表。雙擊“使用設(shè)計(jì)器創(chuàng)建表”即可；
    (5)填寫字段名字，選擇字段類型，一條記錄可以有很多字段，字段大小即表示是這個(gè)字段最多可容納的字符數(shù)。
    該模塊部分代碼如下：
    int hdbc；  //定義數(shù)據(jù)庫(kù)連接句柄
    int hstmt；  //定義SQL連接句柄
    hdbc=DBConnect(”DSN=TestData”)；  //連接數(shù)據(jù)源
    hstmt=DBActivateSQL(hdbc，”SELECT FROM發(fā)通道測(cè)試數(shù)據(jù)表”)；  //顯式激活一個(gè)SQL語(yǔ)句，并通過(guò)字段索引的方法綁定各個(gè)字段到特定類型的變量
    DBDeactivateSQL(hstmt)；  //解除SQL檢索語(yǔ)言
    DBDiseo~ect(hdbc)；  //斷開與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接
2.5.2 數(shù)據(jù)庫(kù)寫入
    建好數(shù)據(jù)庫(kù)之后，收到串口發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)分析后，需要將新的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。寫入數(shù)據(jù)庫(kù)的信息包括載荷狀態(tài)、報(bào)警信息、控制命令等，它們對(duì)應(yīng)不同的表或字段。ODBC本身提供了對(duì)SQL語(yǔ)言的支持，所以用戶可以直接將SQL語(yǔ)句送給ODBC，首先利用DBCreateRecord函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的記錄，將測(cè)試結(jié)果直接賦給新記錄的各字段的變量，然后調(diào)用DBPutRecord函數(shù)保存新的記錄[4]。
    hstmt=DBActivateSQL(hdbc，string)；激活SQL語(yǔ)句。
    DBPutRecord(hstmt)；刷新數(shù)據(jù)庫(kù)。
2.5.3 數(shù)據(jù)庫(kù)查詢
    系統(tǒng)在測(cè)試聯(lián)調(diào)時(shí)，經(jīng)常需要對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，即對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)已有信息進(jìn)行分類檢索。Access提供對(duì)SQL語(yǔ)句的支持，SQL是使用關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用語(yǔ)言，可以用SELECT語(yǔ)句對(duì)信息進(jìn)行檢索。
    LabWindows/CVI工具包中，用途廣泛的SQL命令為[5]：
    (1)CREATE TABLE；
    (2)SELECT；
    (3)INSERT；
    (4)UPDATA；
    (5)DELETE。
    使用SELECT語(yǔ)句可以執(zhí)行對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的下列操作：
    (1)取回表中的記錄；
    (2)更新表中的記錄；
    (3)新建或刪除表中的記錄。
    hdbc=DBConnect(“UserID=sa；PWD=123；DSN=xx”)；//指明連接SQL Server服務(wù)器的口令，DSN為連接到數(shù)據(jù)源的路徑
    i(f hdbc≤0){ShowErro(r)；goto Error；}
    MessagePopup(“Successful connect to the server”，“OK”)；//判斷是否連接成功
    hstmt=DBActivateSQL(hdbc，“SELECT * FROM表名WHERE查詢條件”)；
    i(f hstmt≤0){ShowErro(r)；gotoError；}
    //根據(jù)條件對(duì)表進(jìn)行激活并查詢
    //根據(jù)定義的緩存變量類型，對(duì)要進(jìn)行查詢的項(xiàng)目分別進(jìn)行緩存分配。
    本文利用LabWindows豐富的函數(shù)VI、直觀的控件、可嵌入C程序等特點(diǎn)，完成了上海世博會(huì)車載系留氣球地面測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可完成數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、載荷控制、目標(biāo)定位等功能，系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)聯(lián)調(diào)、地面考機(jī)、升空試驗(yàn)、穩(wěn)定運(yùn)行所有階段性試驗(yàn)，試驗(yàn)表明本測(cè)控系統(tǒng)具有功能齊全、穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)便、人機(jī)交互友好等特點(diǎn)。
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