专利名称：大型天文望远镜无线局域网控制系统的制作方法
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4竟 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圓顶控制 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Ma和37块六角形子镜拼接成球面主镜MB 组成。MA及MB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。MA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)，因竟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802.1 lb或802.1 lg,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802.1 la WLAN结构，满足系统的稳定性、抗干 扰性及传输速度。IEEE 802.1 la,共有12个信道，信道分别为5.15 5.25GHz 4个信道；5.25 5.35GHz4个信道；5.725~8.725GHz 4个信道。802.1 la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RedHatLinux9操作系统；所述PC中设有RedHat Linux9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。针对无竟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，从而无竟争地使用信道，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/写搡作，应用程序然后执行 其他处理操作。当I/0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一read函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读操作，aio一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(Access Point)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。
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中服务器釆用异步非阻塞I/0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/0模型图 图4是本发明实施例1中控制系统控制流程图
具体实施例方式
实施例1
LAMOST MA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l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802.1 laWLAN结构，满足系统的稳定性、抗干 扰性及传输速度。正EE 802.1 la,共有12个信道，信道分别为5.15 5.25GHz 4个信道；5.25 5.35GHz4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/0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、LCUID、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，下位机无竟争地使用信道，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/0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1/0 (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/0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一write 函数用来请求一个异步写操作。
权利要求
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，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、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。
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，其特征是该控制系 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、LCUID、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，执行下列步骤月l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。
全文摘要
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。
文档编号H04L12/403GK101114959SQ20071002617
公开日2008年1月30日 申请日期2007年8月17日 优先权日2007年8月17日
发明者帅小应, 张振超 申请人:中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所