多通道时频信号监测评估测试系统的设计与实现

郑建军, 杜克峰, 孟海涛, 袁恩阁

(1.中国人民解放军61711部队，新疆 喀什 844000; 2.尼得科康迪克电梯技术(无锡)有限公司，江苏 无锡 2140003.新疆计量测试研究院热工所，新疆 乌鲁木齐 830000)

多通道时频信号监测评估测试系统的设计与实现

郑建军1, 杜克峰2, 孟海涛1, 袁恩阁3

(1.中国人民解放军61711部队，新疆 喀什 844000; 2.尼得科康迪克电梯技术(无锡)有限公司，江苏 无锡 2140003.新疆计量测试研究院热工所，新疆 乌鲁木齐 830000)

为了有效地实现对多路时频信号的监测、评估与测试，设计研发了一种基于UDP协议的多通道时频信号监测评估测试系统。阐述了系统的工作原理，给出了系统的软硬件设计，重点介绍了实现多通道时频信号采集的关键技术。软件评估与报告生成功能通过C#与Matlab混合编程实现。系统现已成功应用于某导航装备的时频信号监测评估，为分析、定位、处置导航装备故障提供数据支持。

多通道; 时频信号; 北斗系统; 上位机; 以太网; 数据通信

0 引言

时频信号被广泛应用于航天、导航、电力、通信、交通、金融等重要领域。时频分系统是卫星导航系统的重要组成部分[1]。近三年的统计数据表明，由时频信号异常导致的故障占故障总数的28%。时频系统受元器件线缆老化、温湿度等影响而导致的任何时频信号异常(如跳变、相位不一致等)，都将导致系统无法完成导航工作，甚至造成系统崩溃。因此，研究开发时频信号监测评估测试系统是确保卫星导航系统提供稳定、可靠的导航信息服务的必要手段。

目前，时频信号监测评估技术受到国内外专家的广泛关注。该技术主要存在信号采集通道有限、不易扩展[2]、无法对某些重要时频信号进行在线监测评估测试[3]等问题。

本文在深入研究时频信号监测评估测试系统架构和用户数据报协议(userdatagramprotocol,UDP)通信协议的基础上，研究开发了一种多通道时频信号监测评估测试系统。该系统在卫星导航系统中取得了良好的应用效果。

1 系统组成与功能

系统硬件主要包括多种信号测试设备。所采集的数据通过串口UDP协议发送给上位机，通过上位机时频信号监测评估测试软件，完成对被测时频信号的监测、评估与测试，实时采集并实现数据海量存储，绘制信号趋势曲线。当信号变化超过预定门限时，将产生声光告警，并生成告警日志。

上位机软件的主要功能包括：时频信号采集处理、数据通信、数据存储、曲线绘制、性能指标评估、信号测试、系统告警等。上位机软件仅监听上报数据，不需要向系统发送信号或控制命令等信息，监测系统不对被测试时频系统运行造成任何影响。在监测评估过程中，只需要将被检时频信号送入计量设备的指定端口，打开监测评估测试系统，即可实现自动监测评估及测试的功能；测试完成后自动生成数据分析报告，以提高工作效率。

监测评估测试系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

系统可以实现的监测评估测试功能主要包括：①设备切换时，输出频率信号的相位变化；②频率信号(频率)与BDT-ZR(1PPS)的一致性；③设备切换时，输出脉冲信号的相位变化；④输出B码测试(100m线缆末端)；⑤网络时间、服务器时间与BDT-ZR的同步精度测试。

1.1 数据处理流程

系统数据处理流程如图2所示。

图2 系统数据处理流程图

数据处理流程说明如下。

①数据接收及预处理。该流程包括时频信号的采集、串口数据转换、预处理、UDP数据传输等，确保采集到的不同种类时频信号经过串口服务器转换后传输给上位机。

②数据综合分析。监测评估测试软件对接收的时频信号数据进行解析、存储、绘制实时曲线、告警，从而实现对监测信号的分析与评估；根据系统总体设计方案中的时频信号指标，对时频信号性能指标进行评估计算；将当前时频信号与历史时频信号进行趋势比对，从而判断当前时频信号是否异常。

③数据分析报告生成。将综合分析结果以数据表格、曲线的形式生成分析报告，将实时数据和最终结果存储到SQLSERVER2005数据库，以便管理和查询分析。

1.2 硬件平台组成与功能

监测系统信号采集设备包括通用计数器、时间间隔计数器、频稳测试仪、相位噪声测试仪、时间校准仪、同步精度实时测量仪等计量设备。

1.2.1 时频信号测试设备

采用通用计数器(53230A)、频稳测试仪(HT5360)、相位噪声测试仪(TSC5125A)完成频标信号常规检定，通过多个时间间隔计数器(SR620)，实现多通道时差测量；通过时间校准仪(HT5332D)、同步精度实时测量仪(HT61801)，实现秒同步精度、B时间码检定等功能。

为满足系统设计需求，时间间隔计数器选用性价比较高的SR620。SR620正常工作时不会主动上报数据,需要通过上位机周期性地向其发送规定格式的十六进制数据查询指令(具体指令请查阅相应文档)。SR620收到查询指令才会响应，并通过对应的通信端口向上位机发送数据，从而实现数据的不间断采集[4-5]。

1.2.2 串口设备联网服务器

本文所选择的时频信号采集设备基本都带有串口。为了实现多通道数据的实时采集，使时频信号采集设备便捷地接入到以太网，同时又能确保网络的可拓展性[6-7]，本文选用MOXA的串口设备联网服务器(型号为NPORT5600-16，简称串口服务器)。该设备采用10/100MB自适应以太网，可提供TCPServer/Client、UDP、REALCOM等模式，实现串口和以太网接口数据的转换与传输。

串口服务器工作前，需要根据系统设计需求，合理选择工作模式。UDP协议相较于TCP/IP协议具有更快、更高效的特点，适合实时数据监控系统的数据通信，故本文使串口服务器工作在UDP协议模式。串口服务器的配置是通过NportAdministration软件来完成的。配置前，务必使上位机与串口服务器处于同一个IP网段。

1.3 软件设计与实现

上位机软件主要实现三大功能：监测功能、查询及比对功能、分析评估预警功能。监测功能根据采集到的被测信号的频率、时差数据自动绘制曲线；历史数据查询以及时频信号趋势比对功能主要用于更快地获知时频信号是否发生异常，获得异常信号所对应的时刻；分析评估预警功能是参考标准时频计量检测的各项指标，对采集的数据进行数学分析计算，得到被测信号的各项指标。

软件设计遵循模块化、通用化原则，确保系统的可移植性和可扩展性。软件开发充分利用多线程技术，以确保系统的实时性。

软件工作流程如图3所示。

图3 软件工作流程图

软件开发平台选用MicrosoftVisualStudio2010,编程语言采用C#。C#是微软开发的面向.NETFramework的应用程序而量身开发的编程语言，继承了C/C++的优良特质，又吸收借鉴了VisualBasic的快速开发能力和JAVA的高效灵活性[8]。以下着重对软件设计所涉及的重点和难点进行介绍。

1.3.1UDP数据通信的实现

UDP的优点是占用网络资源少，且能够同时向多个地址广播消息。UDP属于无连接协议，所以发送到远程目标结点的UDP数据包不一定能够到达，也不能保证以发送的顺序到达目标结点[9-10]。使用UDP进行开发时，必须及时、准确地处理丢失的和顺序有误的数据包。

C#通过UDPClient类实现UDP数据收发的网络服务通信。UDP模式将发送过来的串口数据封装为UDP包，在整个网络中广播。上位机只需工作于UDP模式，主动式时频信号计量设备通过直接监听即可完成数据接收；被动式时频信号计量设备需要向其预定端口发送查询指令，同时监听NPORT目标端口，以获得信号采集设备上报的数据。

在设计软件时，采用一个单独的线程完成数据的接收与校验；在主线程中，完成数据解析与曲线绘制。

1.3.2 实时曲线动态绘制功能的实现

上位机需友好地实现曲线实时绘制。Origin、Excel、Matlab等专用数据分析软件具有良好的图形报表分析功能，但在实时绘制动态曲线时，调用集成这些专业软件的局限性较大。而基于MFC或.NET的GDI程序设计量大、效率低，现有的大多数第三方控件，成本较高。开源绘图控件Zedgraph能够友好地实现实时曲线动态绘制，完全满足系统设计需求。在使用Zedgraph进行软件开发时，只要根据需求对其进行适当的定制和继承，大大缩短了研发周期。

1.3.3 评估分析功能的实现

鉴于Matlab优秀的数据分析以及绘图能力，软件评估与报告生成功能通过C#与Matlab、Word混合编程来实现。具体实现方法为:采用Matlab，以M文件形式编写本软件需要的数据分析及生成报告功能后，通过Deploytool平台编译成C#能够调用的DLL文件，本方法可操作性强、实用效果好。

2 系统测试

系统研制完成后，经过联调联试、拷机后，具备了正常监测评估测试工作的能力。现对系统的信号监测评估和测试这两项功能进行验证。

2.1 监测与评估功能验证

当处于监测评估模式时，系统能够实现多通道时频信号的实时采集、实时曲线动态绘制、数据存储及分析。当上报数据发生异常时，系统能够自动告警并生成告警日志；通过趋势查询功能，系统能够发现信号异常及其对应时刻；通过分析存储数据的最大值和最小值，系统可检测出信号异常跳变，经方差计算获得时频信号的稳定性。验证结果表明，系统实现了设计需求。

2.2 信号测试功能验证

通过以下两个实际应用，对本系统信号测试功能进行验证。应用一是时频系统某脉冲切换器主备切换前后，时频出线缆末端输出频率信号的相位变化,如图4所示；应用二是对某卫通设备某异常基准终端基准信号进行测试，监测分析图如图5所示。

图4 设备切换前后相位变化量示意图

图5 某异常基准终端基准信号监测分析图

由图4可知，脉切主备切换前后，检测到线缆末端频率信号相位变化小于0.5ns，满足设计要求。由图5所知，系统准确检测到了某异常基准终端产生的基准信号在某段时间内发生了异常跳变(横坐标周内秒为北斗时间)，能够为终端故障定位提供数据支持。

上述结果表明，本系统能够有效针对时频信号进行测监测评估、测试，证明了系统设计是成功的。

3 结束语

本系统借鉴某天文台先进的经验和理念，在不影响被测时频系统运行架构与信号指标的前提下，研发了采用UDP协议的多通道时频信号实时监测评估测试系统。该系统已成功应用于某导航装备的时频信号的监测、评估、测试。结果表明，系统具有较好的稳定性与可靠性。

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DesignandImplementationofMulti-ChannelMonitoringandEvaluatingTestingSystemforTime-FrequencySignals

ZHENGJianjun1,DUKefeng2,MENGHaitao1,YUANEnge3

(1.The61711GroupofPLA,Kashi844000,China；2.NidecKinetekElevatorTechnologyCorporation,Wuxi214000,China；3.ThermotechnicalInstitute，XinjiangUygurAutonomousRegionResearchInstituteofMeasurement&Testing,Urumuqi830000,China)

Inordertoeffectivelymonitor,evaluateandtestthemulti-channeltime-frequencysignals,themonitoring,evaluatingandtestingsystembasedonUDPprotocolformulti-channeltime-frequencysignalsisdesignedanddeveloped.Theprincipleofsystemoperationandthedesignofhardwareiselaboratedandsoftwarearegiven;someofthekeytechnologiesinacquisitionofmulti-channeltime-frequencysignalsareintroducedemphatically.ThesoftwareevaluationandreportgenerationfucitionsarerealizedbyC#andMatlab.Thesystemhasbeensuccessfullyappliedtomonitorandevaluatethetime-frequencysignalsofcertainnavigationfacility;itisalsousedtoprovidesupportingdataforanalyzing,locating,handlingfailuresofnavigationfacility.

Multi-channel;Time-frequencysignals;Beidousystem;Hostcomputer;Ethernet;Datacommunication

2016年军内装备科研项目(TZ-XBWZ-Y-A-2016-001)

郑建军(1988—)，男，硕士，助理工程师，主要从事智能控制系统开发、卫星导航技术的研究。E-mail:carl15809915306@163.com。

TH7;TP

ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701016

修改稿收到日期:2016-07-22