专利名称：大型天文望远镜无线局域网控制方法
技术领域：
本发明涉及大型天文望远镜的控制方法，特别涉及大型天文望远镜无线 局域网控制方法。
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，包含有望远镜 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语天文望远4竟(以下筒称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、 受控对象抗千扰能力差，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j氐通信及响应速度；
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；
6、 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，克服现有技术的缺陷，提供一种基于无线局域网 (Wireless Local Network-WLAN)的TCS(简称WTCS)控制方法，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方法，大型 天文望远镜无线局域网控制方法由主控制系统、本地控制系统和无线局域网 系统组成，所述无线局域网系统采用802.1 la协议，所述无线局域网和有线 局域网构架采用无线接入点(AP)加网卡形式。
所述的802.11a无线网络协议采用OFDM技术，工作在5GISM频段，
共有12个信道，目前本国开放4个信道，传输速率可高达54Mbps，抗干扰 能力强。采用802.11a无线网络协议，能够满足系统的稳定性、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 5.35GHz 4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，故将其中二个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无线网络。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。
作为本发明的进一步改进，AP (无线接入点)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，服务器端主要发送的 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，满足大数量受控对象访问的需要。
作为本发明的进一步改进，网络通信模式釆用异步非阻塞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才喿作，aio—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方法还包括以下步骤
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/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。
本发明具有如下的有益效果采用802.11a无线网络协议，设定AP工 作信道及SSID,其中位移及力促动器控制对象多，分配二个信道，并且采 用定向天线，调制成条状覆盖范围，避免相互干扰；采用PCF访问方式， 设置网络分配向量(NAV)对介质进行控制，创建无竟争的轮询访问方式， 满足大数量受控对象访问的需要；同时采用异步非阻塞I/0网络通信，提高 网络通信性能。
图l是本发明实施例1大型天文望远镜无线局域网控制架构图2是本发明实施例1中服务器采用异步非阻塞I/O向每个LCU (客 户端)发送数据的流程图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
如图1所示， 一种大型天文望远镜无线局域网控制方法，控制系统包括 主控制系统、本地控制系统和无线局域网系统，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；无线局域网系统采用802.Ua网路协 议，无线局域网和有线局域网构架采用无线接入点(AP)加网卡形式。
IEEE 802.1 la，共有12非重叠的信道，信道分别为5.15~5.25GHz 4 个信道；5.25 5.35GHz 4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方法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/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。
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4仑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I/O (AIO)模型如下服务器 请求在成功发起后，请求会即返回，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/o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—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方法，大型天文望远镜无线局域网控制方法由主控制系统、本地控制系统和无线局域网系统组成，其特征是所述无线局域网系统采用802.11a网路协议，所述无线局域网和有线局域网构架采用无线接入点(AP)加网卡形式。
2、 根据权利要求1所述的无线局域网控制方法，其特征是该方法还 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/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。
3、 根据权利要求1所述的无线局域网控制方法，其特征是在频道段 中选用5.725-5.825 4个信道，其中二个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无线网络。
4、 根据权利要求1所述的无线局域网控制方法，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方法，其特征是所述服务 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2所述的无线局域网控制方法，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。7、根据权利要求2所述的无线局域网控制方法，其特征是所述服务 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 服务器端1) 服务器创建TCP套接字；2) 绑定端口号(57卯)；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方法，目的在于提供一种基于无线局域网的TCS控制方法，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方法，大型天文望远镜无线局域网控制方法由主控制系统、本地控制系统和无线局域网系统组成，所述无线局域网系统采用802.11a协议，所述无线局域网和有线局域网构架采用无线接入点(AP)加网卡形式。
文档编号G05B19/418GK101106493SQ20071002617
公开日2008年1月16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