基于TCP／IP的远程雷达配电系统

摘要：针对多台雷达远程配电需求，设计了一种基于TCP／IP通信协议和WinSock技术的系统解决方案，在介绍系统功能和数据交换策略的基础上，给出了以EIO控制模块为核心的硬件结构，并进一步详细阐述了客户端与服务器端面向连接服务的数据交换和监控软件的实现方法。本系统已在多个雷达站投入使用，较好地解决了多台雷达的远程配电要求，具有广泛的应用及推广价值。
关键词：雷达；TCP／IP协议；远程配电；EIO控制模块

0 引言
    雷达通常一般设置在控制站附近，对雷达设备的配电控制通常是直接操作控制。而当各个雷达系统设置分散、距离雷达控制站达数十千米甚至几百千米，过去的直接控制方式已经不能满足远程控制的需求。某雷达控制站在高山海岛等配置了多套雷达设备，地点分散，每套雷达系统都包括接收、发射、信号处理、伺服控制以及空调等设备。由于高山海岛气候条件恶劣，设备无人值守，日常需要对各个雷达系统及其分系统进行配电、电网参数和环境进行监控管理。
    基于此本文设计了一种以TCP／IP协议为网络基础，采用WinSock技术，实现对各个雷达进行远程配电的系统。

1 系统设计
    本方案采用客户机／服务器(C／S)模式实现联网控制，上位监控计算机作为客户端，每个雷达设备配电开关的控制设备以及传感器和网络远程控制模块连接，网络远程控制模块作为服务器。系统组成如图1所示。其中每个服务器通过I／O接口和配电开关的控制接口连接，电力监控仪和温湿度传感器与服务器的串口连接。

    上位监控计算机主要负责读取服务器端开关设备的状态和传感器数据，以及向服务器端发送用户的操作请求指令数据。服务器端负责接收上位机的数据，根据接收数据对配电开关进行控制，分时发送传感器渎数据请求，主动向连接的客户端发送设备状态数据。上位监控计算机与网络远程控制模块之间采用标准的TCP／IP通信协议进行通信和数据交换。
    TCP／IP协议是目前广泛采用的一组完整的网络协议。WinSock是当前Windows平台上网络应用编程的标准接口，Socket接口是TCP／IP网络最为通用的API，也是在Internet上进行应用开发最为通用的API。实际上，Socket在计算机中提供了一个通信端口，可以通过这个端口与任何一个具有Socket接口的计算机通信。应用程序在网络上传输，接收的信息都通过这个Socket接口来实现。在应用开发中就像使用文件句柄一样可以对Socket句柄进行读、写操作。Socket是网络的I／O基础。应用程序在需要与远端主机连接时，会创建一个Socket，之后它就可以通过该Socket与远程应用程序建立连接。通过从Socket中读取数据以及写入数据来与远程应用通信。也就是本地程序通过Socket将信息传入网络，当信息进入网络后，网络协议会引导信息通过网络让远端程序访问它。类似地远端程序也可将信息输入Socket，信息将从那里通过网络回到本地程序，从而实现网络程序之间的通信。

2 硬件设计
    系统的雷达设备端采用以太网数字IO(EIO)控制模块作为服务器。EIO控制模块是同时集成I／O控制和RS 232／RS 485串口服务器的以太网设备，具备开关量输出、开关量采集、串口服务器等功能，可同时替代I／O卡和串口服务器，客户端监控计算机按照Socket标准，通过TCP／IP连接与EIO控制模块进行通信。电力监控仪以及温湿度传感器等设备和EIO控制模块通过串口连接。
2．1 EIO控制模块
    现代数据采集领域中，越来越多的现场采集设备需要扩展网络功能以实现远程控制和数据传输。以太网以其低成本，易于集成，传输距离远的优势使其得到了广泛应用。
    EIO控制模块选用芯片W5100作为网络控制芯片，该芯片集成了高度成熟的TCP／IP协议栈、以太网MAC层、PHY层等，支持TCP，UDP，IPV 4，ICMP，ARP和IGMP等协议，这些协议已经在很多领域经过了多年的验证。同时它支持4个独立的Socket通信，内部1 6 KB的发送／接收缓冲区可快速进行数据交换，最大有效通信速率可达25 Mb／s。使用W5100不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口Socket编程，像访问外部存储器一样简单。它提供两种并行总线接口(直接总线与间接总线)以及串行SPI接口。W5100大大减少了硬件接口设计和网络编程的工作量，并且可以实现可靠稳定运行的远程数据通信系统。
    EIO控制模块包括以下资源：
    (1)输入：提供32路开关量输入(光电隔离)；
    (2)输出：提供16路继电器开关量输出；
    (3)控制通信：以太网TCP／IP或RS 485，RS 232；
    (4)UART转TCP／IP：1路RS 485转TOP／IP等功能。
    EIO控制模块结构系统框图如图2所示。通过单片CPU的串口协议转换后，EIO控制模块可以实现串口服务器功能，串口服务器是将来自TCP／IP协议的数据包，解析为串口数据流；反之，也可以将串口数据流打包成TCP／IP协议的数据包，从而实现数据的网络传输。

    EIO控制模块上电之初需要对内部器件进行初始化操作，当然需要对网络芯片进行初始化，包括设置本机IP地址、子网掩码，发送缓冲区和接收缓冲区的大小设置等，然后设置Socket工作模式，具体如下：
    (1)初始化芯片，在W5100内部寄存器中设置MAC地址、IP地址、子网掩码和网关等；
    (2)建立Socket连接，可以设置为Server方式或者Client方式；
    (3)建立1个TCP连接，或者UDP连接；
    (4)通过TCP Socket接收和发送数据；
    (5)关闭Socket。
2．2 配电开关与传感器
    选择可以通过开关量进行控制，同时可以提供状态指示的开关作为被控设备配电开关。
    主进线开关选用施耐德Compact NS100塑壳断路器，该开关为模块化设计，提供可靠的触头指示，具有隔离功能，符合IEC60947-1，2标准。配有电动操作机构，可自动化进行开合闸控制。它具有过载保护、短路保护、接地保护等保护功能。装有辅助触头模块，可提供以OF(指示断路器的触头位置)、SD(脱扣指示)、SDE(故障显示)等。
    各支路开关选用施耐德Multi9系列C65N型小型断路器，它具有短路保护及过载保护功能。装配有OF状态指示接点和SD报警接点，可为系统提供开关状态指示及报警指示。配有远动控制附件Tm，Tm远动控制附件通过控制指令可实现对负载的通断控制。
    采用维博公司生产的WB51GR01智能电量传感器对供电系统电力参数进行监测，以及选用WB43RS智能温适度传感器对环境温度和湿度进行监测，电力监控仪和温湿度传感器都采用工业标准的RS 485通信接口和MODBUS通信协议。

3 软件设计
    监控计算机(客户端)和远程EIO控制模块(服务端)之间采用计算机网络进行数据通信，具有通信可靠和速度快(10 Mb／s以上)的优点。
    EIO控制模块的软件采用C51编程语言进行编写，主要负责处理网络协议芯片参数的配置，处理串口数据和网络报文数据的转换，以及IO控制请求报文数据的转换和控制等，程序固化在单片CPU中。把IO端口和串口的控制设为两个Socket端口，端口号分别为5100和6020，其中IO端口数据发生变化时主动向连接的客户端发送报文，正常情况下定时发送IO状态报文。串口端口接收到客户端请求后，在串口得到响应后发送报文。
    监控计算机控制软件在Windows XP环境下采用Visual C++6．0工具进行编写。Winsocket为Windows下网络异步通信提供了一种方便开发和运行的环境，网络应用程序不直接与TCP／IP核心打交道，而与网络应用编程界面Socket打交道。CAsyncsocket类是CObject类的派生类，封装了Windows套接字API函数。它被集成在MFC类库中，从而将面向对象的方法与Windows套接字联系在一起。在本程序中，使用的是CSocket类。CSocket类是CAsyncsocket类的派生类，与CAsyncsocket类相比，CSocket类提供了更高层次的套接字支持。也就是说，使用CSocket类可以忽略网络通信中的细节，比如创建窗口、消息发送和消息绑定等。使用CSocket类实现网络间数据的发送和接收，没有使用传统的send与recv函数，而是使用CSocket类、CSocketFiIe类与CA rchive类协同工作，实现数据的发送和接收。
    在远程网络通信模块中，按照Client／Server模式采用面向连接的服务，其套接字调用顺序如图3所示。

    不管在客户端还是服务器端，发送数据都是主动的，而接收数据都是被动的。服务器创建一个监听线程，随时监听是否有客户的连接要求，并决定是否要响应该请求，如响应，则建立Socket来处理客户的数据通信请求，客户端也相应建立Socket来接收服务器传来的数据。作为客户端需要处理的网络事件有：FD_CONNECT．FD_CLOSE，FD_READ，FD_WRITE。在客户端应用程序中自定义CMySocket类，根据用户对控制站点的需要，建立CMySocket对象，用于发送和接收数据。监控计算机建立数据库，提供系统日记数据记录功能。监控计算机(客户端)软件设计流程如图4所示，通过编写开关、仪表等控件，优化软件界面设计，监控计算机软件设计界面如图5所示。

4 结语
    随着现代雷达对远端设备无人值守、智能化功能要求的不断提高，以及车载雷达系统高机动性的需求，对雷达整机的重要组成部分配电系统的设计也带来了数字化、智能化、网络化的更高要求。本文设计的应用系统，在监控计算机和各个雷达站点的EIO控制模块之间采用标准的TCP／IP通信协议，针对客户机／服务器模式，将Windows Socket编程技术应用于站间通信，给出了系统总体设计方案及软件设计，实现了多台雷达的远程配电，为类似的远程控制方案设计提供了一个借鉴。本文设计的远程配电系统已在多个雷达站投入使用，实际使用结果表明：本系统具有运行稳定，数据传输高效、可靠，界面美观，人机对话友善、扩展性好等优点。