摘  要： 針對上海世博會車載系留氣球監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用要求，設(shè)計了基于LabWindows的地面測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有多串口數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)、用SQL語句訪問數(shù)據(jù)庫等特點(diǎn)，利用POS和GPS數(shù)據(jù)實現(xiàn)地面目標(biāo)定位。
關(guān)鍵詞： 測控；數(shù)據(jù)庫；SQL；目標(biāo)定位；LabWindows

    在浮空器領(lǐng)域，地面測控系統(tǒng)的性能和可靠性對于浮空器載荷的工作性能尤為重要。在上海世博會車載系留氣球監(jiān)測系統(tǒng)任務(wù)系統(tǒng)中，地面測控系統(tǒng)面向的對象是浮空平臺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)測量)系統(tǒng)及球上測控系統(tǒng)等，圖1所示是車載系留氣球監(jiān)測系統(tǒng)任務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的組成框圖。

    車載系留氣球監(jiān)測系統(tǒng)任務(wù)系統(tǒng)地面測控系統(tǒng)軟件的目標(biāo)是保證球上光電平臺上各個載荷與球下控制設(shè)備的正常工作，對球上載荷的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、接收、顯示與存儲，控制球上各個載荷的狀態(tài)。對球上載荷的某些參數(shù)具有報警功能，保證控制命令和參數(shù)返回具有很好的實時性，同時測控系統(tǒng)還要對世博園地面目標(biāo)進(jìn)行定位。
1 系統(tǒng)功能
    車載系留氣球監(jiān)測系統(tǒng)任務(wù)系統(tǒng)地面測控系統(tǒng)軟件具體功能如下：
    (1)數(shù)據(jù)采集功能。對可見光攝像機(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)行實時采集。
    (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)獲得的光電平臺姿態(tài)和位置以及可見光監(jiān)測吊艙獲得的轉(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)顯示與存儲功能。對球載設(shè)備的所有遙測數(shù)據(jù)在球下測控系統(tǒng)操控臺上均能實時顯示，重要數(shù)據(jù)存儲到硬盤上以供分析。
2 系統(tǒng)設(shè)計
2.1 設(shè)計工具的選擇
    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、難度也比較高。美國NI公司推出的NI LabWindows/CVI是一類久經(jīng)驗證的ANSI C集成開發(fā)環(huán)境，為用戶提供了用于創(chuàng)建測試和控制應(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)庫可直接交互式操作，高級而易用的功能適用于常見的數(shù)據(jù)庫操作，利用其豐富的按鈕和圖形等用戶界面庫函數(shù)，可大大縮短軟件的開發(fā)周期，滿足軟件開發(fā)的實際需要。
    根據(jù)地面測控系統(tǒng)上述功能要求，采用模塊化設(shè)計方法把系統(tǒng)分為四個功能模塊：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。采用單線程定時器技術(shù)滿足各個載荷不同數(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)測球艙(穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺)輸出的的遙測數(shù)據(jù)，通過空間坐標(biāo)變換計算球下目標(biāo)位置；根據(jù)遙測下行數(shù)據(jù)流量大(傳輸速率6.2 Gb/s)、運(yùn)行時間長(182天)的特點(diǎn)，采用SQL Tookit工具包應(yīng)用Access數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)。系統(tǒng)物理模塊框圖如圖2所示，以下詳細(xì)介紹其中幾個重要的物理模塊的設(shè)計。

2.2 遙測數(shù)據(jù)接收模塊
    LabWindows/CVI編程語言提供了豐富的串口函數(shù)，可以很容易實現(xiàn)串口通信功能。利用豐富的RS-232庫函數(shù)可以方便地實現(xiàn)對載荷的數(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)置串口的返回值來判定串口的狀態(tài)、ComWrtByte函數(shù)對串口發(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，波特率為9600，沒有校驗，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，最大輸入和輸出隊列長度都為512
    OpenComConfig(ComPort，””，9600，0，8，1，512，512)；
    FlushlnQ(ComPo~)；  //清空接收隊列
    FlushOutQ(ComPo~)； //清空發(fā)送隊列
    //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)測系統(tǒng)任務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)測控分系統(tǒng)中，要求實時監(jiān)測各載荷的工作狀態(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，可以采用Timer定時器。
    定時器的建立、刪除和設(shè)置可通過調(diào)用New Timer函數(shù)、Discard Timer函數(shù)和Set TimerAttribute函數(shù)來實現(xiàn)。定時響應(yīng)函數(shù)的聲明為：
    Int CVICALLBACK MyTimerCallback(int reserved，int theTimerId，int event，void *callbackData，int eventData1，int eventData2)；
    測試系統(tǒng)軟件啟動之后，建立一個定時器；然后設(shè)置定時器的定時時間和響應(yīng)函數(shù)；在軟件退出時，刪除定時器；在定時響應(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)來實現(xiàn)實時狀態(tài)監(jiān)測的功能，并定時發(fā)送控制指令。
2.4 地面目標(biāo)位置定位模塊
    世博會車載系留氣球監(jiān)測系統(tǒng)任務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)主要是監(jiān)控世博會園區(qū)，對地面目標(biāo)進(jìn)行定位，所有圖像數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)通過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)測量系統(tǒng)及可見光轉(zhuǎn)臺均固定于浮空器光電平臺安裝基面上，當(dāng)可見光球艙瞄準(zhǔn)地面靜態(tài)目標(biāo)后，可輸出視軸相對可見光轉(zhuǎn)臺自身的方位角和俯仰角，利用可見光轉(zhuǎn)臺與POS系統(tǒng)(方位和姿態(tài)角)的相對位置數(shù)據(jù)(事先標(biāo)定)，同時采集POS系統(tǒng)輸出的定位數(shù)據(jù)和光電平臺的姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過一系列的坐標(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)存儲模塊
    地面操作人員需要對載荷參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)和設(shè)備操作等信息進(jìn)行實時存儲，如果用文本文件、excel等格式存儲數(shù)據(jù)，考慮到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大和運(yùn)行時間長等特點(diǎn)，存儲文件將會很大，這對后續(xù)文件運(yùn)行、查詢等操作將產(chǎn)生影響，本系統(tǒng)通過創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫使數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢等操作變得簡單方便。
2.5.1 數(shù)據(jù)庫建立
    首先需要新建數(shù)據(jù)庫，將獲取的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，本文采用微軟公司的Access軟件。Access存儲方式單一，管理對象包括表、查詢、窗體、報表、頁、宏和模塊， 數(shù)據(jù)存放在后綴(.mdb)的數(shù)據(jù)庫文件中，便于用戶的操作和管理[3]。系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)庫時，首先必須用ODBC管理器注冊一個數(shù)據(jù)源，管理器根據(jù)數(shù)據(jù)源提供的數(shù)據(jù)庫位置、數(shù)據(jù)庫類型及ODBC驅(qū)動程序等信息，建立ODBC與具體數(shù)據(jù)庫的聯(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，新建一個數(shù)據(jù)庫，命名為***.mdb；
    (4)使用設(shè)計器創(chuàng)建新的表，一個數(shù)據(jù)庫MDB文件里面可以建立多個表。雙擊“使用設(shè)計器創(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)通道測試數(shù)據(jù)表”)；  //顯式激活一個SQL語句，并通過字段索引的方法綁定各個字段到特定類型的變量
    DBDeactivateSQL(hstmt)；  //解除SQL檢索語言
    DBDiseo~ect(hdbc)；  //斷開與數(shù)據(jù)庫的連接
2.5.2 數(shù)據(jù)庫寫入
    建好數(shù)據(jù)庫之后，收到串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，經(jīng)分析后，需要將新的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。寫入數(shù)據(jù)庫的信息包括載荷狀態(tài)、報警信息、控制命令等，它們對應(yīng)不同的表或字段。ODBC本身提供了對SQL語言的支持，所以用戶可以直接將SQL語句送給ODBC，首先利用DBCreateRecord函數(shù)創(chuàng)建一個新的記錄，將測試結(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語句。
    DBPutRecord(hstmt)；刷新數(shù)據(jù)庫。
2.5.3 數(shù)據(jù)庫查詢
    系統(tǒng)在測試聯(lián)調(diào)時，經(jīng)常需要對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，即對數(shù)據(jù)庫已有信息進(jìn)行分類檢索。Access提供對SQL語句的支持，SQL是使用關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用語言，可以用SELECT語句對信息進(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語句可以執(zhí)行對數(shù)據(jù)庫的下列操作：
    (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)條件對表進(jìn)行激活并查詢
    //根據(jù)定義的緩存變量類型，對要進(jìn)行查詢的項目分別進(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)，完成了上海世博會車載系留氣球地面測控系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)可完成數(shù)據(jù)采集存儲、載荷控制、目標(biāo)定位等功能，系統(tǒng)已經(jīng)過聯(lián)調(diào)、地面考機(jī)、升空試驗、穩(wěn)定運(yùn)行所有階段性試驗，試驗表明本測控系統(tǒng)具有功能齊全、穩(wěn)定可靠、操作簡便、人機(jī)交互友好等特點(diǎn)。
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