网络化显控终端系统的软件设计 ・８７・ 网络化显控终端系统的软件设计 范晖，曹俊武，徐谨，汪旭东 （安徽四创电了哎份有限公川，安徽合肥２３００８８） 摘要：天气雷达业务运行时连续数月不间断开机的工作模式，决定了终端显控系统的稳定、可靠的重要 性。根据天气雷达显控系统的组成与软件体系结构，在运用成熟的网络技术的基础上，提出了控制传输 软件、监控终端软件、产品终端软件的设计要点，同时也实现了雷达远程显控功能，为天气雷达的应用提 供了新的平台 关键词：天气雷达；网络；显控终端；ＦＰＧＡ；Ｗｉｎｄｏｗｓ；软件设计 中图分类号：ＴＰ３１１．５２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８８２９（２０１１）０８—００８７—０４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ ＦＡＮ Ｈｕｉ，ＣＡ（）Ｊｕｎ—ＷＵ，ＸＵ Ｊｉｎ，ＷＡＮＧ Ｘｕ—ｄｏｎｇ （Ａｎｈｕｉ Ｓｕｎ Ｃｒｅａｌｅ Ｅｌｅｃｈ‘ｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌ ．，Ｈｅ ｉ ２３００８８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｃｅｓｓａｎｔ ｗｏｒｋ ｐａｔｔｅｒｎ ｉｎ ｓｅｖｅｒａｌ ｍｏｎｔｈｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｂｕｓｉｎｅｓｓ ｏｆ ｗｅａｔｈｅｒ ｒａｄａｒ ｉｓ ｏｐｅｒａｔｅｄ，ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｒｍｉｎａ１．Ａｃｃｕｓｅ ｏｆ ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｐｐａｒｅｎｔｌｙ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｗｅａｔｈｅｒ ｒａｄａｒ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒｉｐｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｏｉｎｔ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｐｒｏｄｕｃｔ’Ｓ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｓｏ＇ｗａｒｅ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｔ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｒｅｍｏｔｅ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｒａｄａｒ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｏｆｆｅｒｅｓ ｔｈｅ ｎｅｗ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅａｔｈｅｒ ｒａｄａｒ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｅａｔｈｅｒ ｒａｄａｒ；ｎｅｔｗｏｒｋ；ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｒｍｉｎａｌ；ＦＰＧＡ；Ｗｉｎｄｏｗｓ；ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ 天气雷达是气象探测的有力工具，脉｝Ｉｆｌ多普勒天 进了天气雷达终端技术向信息化、软件化、网络化方向 气雷达的出现，为强风暴的探测、云雾物理过程的研究 发展，为雷达显控终端技术的发展创造了条件。天气 及人工影响天气等气象工作开创了新的局面，对提高 雷达的业务运行模式由最初的操作员定时值班逐渐转 灾害性天气监测和预测水平起到了较大的作Ｈｊ。 变为尤人值守和远程监控，可以很好地改善操作员的 Ｈ前，我国的组网天气雷达主要是数 化天气雷 工作环境，管理方便。同时，各种天气雷达的探测信息 达和脉间相干多普勒天气雷达，要求终端处婵系统既 及时地传输到气象预报中心，为预报员及时准确地获 要符合我 天气雷达系统和网络通信业务的特点，又 取掌握气象信息提供了．Ｉ可靠的保证。冈此，实现天气 要与雷达探测技术的发展相一致 。为更好地进行 雷达网络化显控终端，对于提高大气雷达网的工作效 气象观测，大多数同定式天气霄达都架没在 ｑ刷没有 率和气象预报准确性和及时性具有重大意义。 遮挡的较高的塔台上，本地终端讨 算机安装存距离雷 达机柜较远的楼下的雷达操控窀，同样机动式雷达在 １ 显控终端系统 结构设计上也用屏蔽网将雷达操控区与雷达机柑分割 １．１ 概要 开，这样可以减弱雷达工作时微波辐射和噪卢ｆ 扰。 大气雷达网络化显控终端的涵义是：运用现代信 随着现代计算机技术和网络技术的 断发展，促 息将天气雷达的所有的时变信息（实时探测回波数 据、雷达工作状态参数信息、白检ＢＩＴ信息、操控信息 收稿日期：２０１０～０９—０８ 和网络通信信息等）按照时 顺序全部格式化为信息 作者简介：范晖（１９６９一），女，安徽合肥人，本科，高级工程师， 包序列的形式。终端的信息处理方式由传统的基于电 主要研究方向为天气雷达数据和图像处理等；曹俊武 气信号全部转化为宿主计算机通过功能软件对信息包 （１９７１－－），男，安徽全椒人，博士，高级工程师，主要研究方向为 的处理，实现 示和控制功能。 天气雷达数据处理和气象产品算法分析等。 首先，它基于通用计算机平台，利用计算机强大的 ・８８・ 《测控技术））２ｏｌ１年第３０卷第８期 数据处理和图形处理能力，实现终端系统的软件化和网 络化。其次，利用现有计算机所提供的丰富的多种外部 数据通信接口，可以很方便地实现雷达终端之间的通信 以及相应的功能扩展。第三，雷达信息包为实现雷达终 息等，雷达控制信息经解析后再打包发送给监控分机。 产品终端放置在气象保障室，以ＲＪ４５接入以太 网。产品终端具有监控终端一样的实时回波显示功 能、雷达扫描方式的控制，并自动生成物理量产品、风 场产品、识别产品。其中，识别产品判断的危险天气区 端的信息共享和多终端显示提供了得天独厚的条件 。 显控终端系统是雷达直接面向用户的窗口，它承 担了对雷达获取的数据进行数据采集、数据质量控制 及数据预处理、实时回波显示、实时状态参数显示、故 域信息通过网络传送给监控终端，并同时在监控终端、 产品终端的实时画面上标出，给出声音报警，提醒雷达 操作员、预报员重点关注这些区域，在监控终端上实现 一障声光报警、雷达各分系统参数控制、扫描模式控制、 次、二次产品的综合显示功能，满足航空气象保障高 标定控制、二次产品生成及数据的存储、历史数据回放 和传输等功能 Ｊ。 １．２系统功能实现 网络化显控终端的系统设备组成如图ｌ所示。雷 达机柜内的监控分机插件上有３个全双工串口，分别 用于实现监控与发射分机、接收分机、伺服分机之问的 通信，一个差分信号串口实现监控与信号处理之间的 互联通信，一个ｌ６位并行数据采集实现雷达探测到的 回波数据高速采集，所有的回波数据和各分系统状态 参数以数据信息包的方式通过ＲＪ４５接入以太网，完成 了雷达系统的监控状态发送和回波数据通信功能。同 时，通过ＲＪ４５网口接收监控终端、产品终端等对雷达 各分系统的控制参数信息包，拆包解析后通过串口分 别发送到各分系统，实现对雷达整机的控制。 ｒ一一一一。一一一一’一’一一。一一一一・显示系统 一一一一一一ｌ！ 匦ｌｌＩ 耋基ｌＪ ｌ 广国：圆 发射分机串口 监 ●］ 产品终端 Ｊ Ｉ气象保ｌ 台 接收分机串日 控 Ｉ分 ｌ 伺服分机串口 擂 机 、 ，信号处理分机串口 麟 黑鼍鬣蕊 １Ｌ 件 ｔ １６位回波数据 — ］雾Ｉ ； 监控终端 ｉ其他用户 ｔ一……一…．………，…ｌ 图１ 网络化显控终端系统框图 监控终端放置在雷达站，以ＲＪ４５接入以太网。主 要实现雷达主机控制、实时回波显示、自动标定、原始 数据文件保存、显示用户需要的识别产品，实时报警危 险天气。另外，根据需要自动向产品终端发送雷达配 置参数信息、标定结果数据信息、故障信息、ＧＰＳ数据 信息等以保证监控终端与产品终端的各参数完全一 致，实现两个终端实时扫描状态画面完全一致。同时， 接收产品终端发送的扫描参数配置信息、数据保存信 实时性的要求 。 气象保障工作台放置在气象保障室，以ＲＪ４５接人 以太网。雷达实时生成的基数据以空军数据格式进入 气象保障工作站。 其他用户以ＲＪ４５接入以太网，可以通过网络获取 雷达观测数据，可以安装数据浏览器处理软件浏览历 史数据。 ２显控终端系统软件设计 ２．１软件体系结构 天气雷达业务观测模式是连续数月一天２４ ｈ连 续开机，因此显控终端系统的可靠性和稳定性是设计 的重点与难点。 部分台站长期的观测运行发现监控分机原嵌入式 计算机模块不稳定性已开始随着时间的推移逐渐显现 出来。譬如：灰尘的淤积导致内存条的接触不良并死 机、电压不稳致使嵌人式计算机启动失败甚至死机、嵌 入式计算机板厂家升级接口芯片而导致编制的软件不 统一甚至不能运行等。经过进一步严格试验，采用极 高可靠性、环境适应性和抗外界干扰能力的高度集成 的ＦＰＧＡ芯片取代嵌入式计算机模块，从根本上解决 了监控分机插件运行不稳定的问题。 由于监控终端和产品终端都具备了实时控制和实 时显示功能，两台终端设备协调工作，在实时操控方面 以监控终端为主，产品终端相当于热备份，必要时可以 接管监控终端的实时控制功能。在网络传输软件设计 方面，将雷达回波数据、控制命令、状态回馈、用户消息 等分别归类，划分为５个端口进行网络接收或发送，确 保雷达的长期稳定、可靠地连续运行。 根据雷达设备布局及计算机硬件平台的不同，整 个显控终端软件可分为监控分机上的控制传输软件、 监控终端软件、产品终端软件３个模块。其中控制传 输软件运行在ＦＰＧＡ芯片上，监控终端和产品终端直 接面向用户，遵循人性化、友好性原则，运行在通用的 Ｗｉｎｄｏｗｓ平台上。 ２．２软件数据流程 监控分机上电复位后，控制传输软件立即在监控 网络化显控终端系统的软件设计 主板的取数时钟控制下采集回波数据，同时读取３个 全双工串口的发射分机、接收分机、伺服分机的状态参 数。当监视到有终端计算机卺录到控制传输软件的：Ｉ 作组后，便以组播方式向该终端发送回波数据和状态 参数数据。终端接收到数据后，先对数据进行有效性 判断，再进行相应处理并在画面上依据雷达扫描类型 实时显示回波图像。若有终端用户申请雷达控制权 时，控制传输软件则向有控制权的用户转发其他用户 的控制申请以协调雷达控制权，保证同一时刻只有一 个用户拥有控制权，来解决多用户状态下雷达控制权 混乱的问题。当拥有控制权的终端用户发送雷达控制 命令信息包时，控制传输软件拆包解析后，根据命令类 型将控制命令发送到相应串口，随后将状态参数回馈 转发给各用户，使各终端用户同步运行，界面上始终显 示最新的信息。 图２为雷达正常工作时雷达控制状态数据流程。 用户在监控终端界面上点击控制按钮后，监控终端软 件立即将此扫描模式所需控制指令分包发送到控制传 输软件。控制传输软件解包后按照控制指令类型分别 发送到各分系统端口，并将状态回馈和回波数据分包 发送到以太网。监控终端接收解包后，对数据做故障 信息、标定信息、监视参数、扫描控制、回波数据等类型 判断后进行数据处理显示并保存，同时将故障、标定的 结果数据分包发送到以太网供产品终端调用。产品终 端接收状态数据信息包解析后，只对数据做扫描控制、 回波数据类型判断处理后处理显示。 ２．３控制传输软件设计 控制传输软件运行在低成本、低功耗的ＦＰＧＡ 芷＝ 片上，网络接口采用韩国ＷＩＺＮＥＴ公司最新一代含硬 件ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的ＭＡＣ层１０／１００Ｍ以太网控制芯 片Ｗ５３００。为提高处理速度，ＦＰＧＡ软件采用ＶＨＤＬ （ｖｅｒｙ—ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｌａｎｇｕａｇｅ）编写，控制流程采用有限状念机实现 ｊ。 按照功能及处理流程，控制传输软什可划分为：初 始化单元、数据采集单元、串口数据收发单元、网络数 据收发单元和网络消息管理单元。 ①初始化单元：包括各个通信串口的初始化、网 络的初始化和控制参数的初始化等。 ②数据采集单元：监控分机插件在取数时钟控制 下高速采集接收分机发送的实时回波数据。 ③串口数据收发单元：３个全双工串口收发控 制、１个差分信号串口收发控制，用于控制雷达发射、 接收等分系统并接收其状态参数回馈信息。 ④网络数据收发单元：网络收发控制和数据解析 处理。 ⑤网络消息管理单元：处理用户登录、用户注销， ・８９・ 协调用户控制权。 监控终端软件 ‘ ＾ 数据预处理并显示 圆 军 ：品终端软十 ｝ 点击界面 ／／人 、， 数据预处 控制按钮 理并显示 ／ｊ、 ｌ指令参数ｌ、、 ／，一一 Ｌ ＿Ｊ 涸 ｌｌ 相分包发送 关扫描 至 模式的控 全产品 解析状态 制参数信 解析状态 终端 息包 数据信息包 数据信息包 十 、 ｔ ＲＪ４５网口 ＲＪ４５网口 、 控制请求＼ ／状态发送 ＲＪ４５网口 ｔ 解析扫描控制参数信息包 分包发送状态数据信息包 千 十 经串口发送命令至发射分机 经串口发送命令到信号处理分机 状 态 波 回 取数时钟 经串口发送命令到接收分机 馈 据 回 数 经串口发送命令到伺服分机 控制传输软件 图２正常工作时雷达状态数据流 ２．４监控终端软件设计 ２．４．１人机界面设计 监控终端软件运行在通用计算机上，ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ／ ２０００操作系统，编程语言Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０。 监控终端软件直接面向雷达操作员，界面设计上 本着简洁、友好、直观、操作简单的设计原则。 依据此原则，采用了基于对话框的设计，运用ＧＤＩ Ｐｌｕｓ技术来协调设备驱动和程序动作的交互，运用内 存直接操作技术实现了回波实时显示和识别告警产品 的综合显示。 ２．４．２ 实时扫描的实现 监控终端实时显示画面的稳定性和连续性是天气 雷达实时扫描的基本要求。由于天气雷达回波数据量 大，且对数据存储和读取速度要求较高。为满足实时 系统多任务的要求，采用多线程技术来实现图像的显 示并及时准确地响应用户的操作，运用双缓冲机制保 证图像数据的绘制和画面刷新交替有效地进行 。 ・９０・ 《测控技术））２０１１年第３０卷第８期 式设计，界面上用目录树对各类型气象产品进行归类， 以浮动工具栏实现雷达实时控制，并充分利用状态栏 图３为监控终端软件多线程实现流程图。多线程 技术即主线程负责整个系统的同步控制和启动从线 程，从线程负责数据处理、雷达状态参数回馈、发送雷 达控制指令、回波数据的实时读取、显示和存储等。多 线程的应用提高了软件的并行性及高效、快速、安全的 数据处理能力。 主线程 从线程 —］Ｙ ／＾＼ 监视雷达运行状态，实现了在制作产品的同时实时监 控雷达扫描的信息 。 ３ 结束语 天气雷达网络化显控终端技术极大地满足了天气 雷达对显控终端系统的稳定、可靠的要求，开发的显控 开始 创建采集回波 数据线程 创建读状态 参数回馈线程 程终止 ＼／ 初始化 Ｎ —］Ｙ ／＾＼ 用＿＼户输入 ／ 响应输入 御建网络信息 线程 ●Ｎ １ １ —数Ｎ— 理一 圈圈 Ｎ— Ｎ— ｒ『Ｎ —一 存 ＝＝ｌ 一＼／ 程终止 系统软件具备人机交互性强、简单易用、功能强大等特 点，目前已经成功应用于多部天气雷达，提高了灾害性 天气的预警和气象预报水平的提高。 参考文献： ［１］梁海河，张沛源，牛防，等．全国天气雷达数据处理系统 ［Ｊ］．应用气象学报，２００２，１３（６）． 端的构建与实现［Ｊ］．现代雷达，２００７，２９（１２）． 、 ［２］王德生，赵利民，孙立国，等．信息化、软件化、通用雷达终 ｊ程终止 ＼／ ＾＼ ］／Ｙ 创建读ＧＰＳ 线程 程终止 ＼］／ Ｙ ［３］ 中国气象局．新一代天气雷达系统功能规格需求书［Ｍ］． 北京：中国气象局，１９９７． ／＾＼ 创建写控制 指令线程 程终止‘ ［４］ 曹俊武，高仲辉，方文贵，等．四创公司天气雷达新技术的 应用研究［Ａ］．中国气象学会雷达气象学委员会第三届 学术年会文集［Ｃ］．２００８． 创建数据保存 线程 写回波 ｌ数据文件 ［５］范晖，曹俊武．天气雷达数据浏览器的设计［Ａ］．中国气 象学会雷达气象学委员会第三届学术年会文集［Ｃ］． 图３监控终端软件多线程实现流程图 ２００８． ２．５产品终端软件设计 ［６］Ｓｈｅｐｈｅｒｄ Ｇ，Ｗｉｎｇｏ ｓ．深入解析ＭＦＣ［Ｍ］．北京：中国电力 出版社，２９０３． 产品终端软件运行在通用计算机上，ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ／ ２０００操作系统，编程语言Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０。 ［７］ 王廷尧．以太网技术与应用［Ｍ］．北京：人民邮电出版社， ２００５． 产品终端软件主要面向预报员，除完成实时显示 界面功能外，还担负着二次产品制作的工作。为全面、 直观地管理气象产品和操控实时扫描，采用多文档方 ［８］郭书君，王玉花，葛纫秋．嵌入式处理器原理及应用［Ｍ］． 北京：清华大学出版社，２００４． 口 （上接第８２页） （上接第８６页） 参考文献： ［１］ 王亚晓．飞机电源地面试验测试系统的设计与实现［Ｄ］． 西安：西北工业大学，２００４：２０—２２． 参考文献： 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