提高氢原子钟监控系统性能的设计

李锡瑞，漆溢



提高氢原子钟监控系统性能的设计

李锡瑞1，漆溢2

（1. 中国科学院 上海天文台，上海 200030；2. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600）

提供了一种能有效提高氢原子钟监控系统性能的设计。该设计由上位机软件平台、下位机硬件电路和故障诊断专家系统组成。其中，对上位机软件平台进行了设计实现，对原有下位机硬件电路进行了简化；同时深入研究了故障诊断专家系统模块，给出了主要故障的诊断流程图，用于故障的快速识别和处理，进一步提高监控系统的性能。

氢原子钟；电路设计；上位机；故障诊断专家系统

0 引言

随着现代化军事战争对卫星导航定位的迫切需求和国民经济对导航定位的日趋依赖，卫星导航定位已成为现代社会不可或缺的重要组成部分。然而我们的北斗卫星导航系统并非一流，专家称北斗一期面临两大难题，一是难以在全球布设监测站，二是原子钟技术发展相对滞后。从这里可以看出卫星导航系统的核心时频基准即原子钟的重要性[1]。

氢原子钟作为一种最稳定的频率标准，是许多科学实验室和生产部门广泛使用的一种精密时钟。我国自1972年研制成功第1台实验室型氢原子钟，经过近半个世纪的不断改进，氢原子钟频率稳定性指标从初期的10-12量级水平已经迈进到了10-16量级的行列，可以说，取得了长足的进步。但对氢原子钟监控系统的性能而言，目前还有很大的改进空间，主要包括以下几个方面：①氢原子钟腔内温度变化引起的腔频率变化对钟频率的牵引效应是目前直接影响氢原子钟频率稳定度的主要因素，而现有的氢原子钟温控设计还是沿用老式的模拟电位器控温模式，即通过人工计算，手动调节电阻的方式来调整腔泡系统的温度，显然这种模式对温度的控制是很难精确把握的；②现有氢原子钟的频率综合器数值是经过多级电路板间数据处理然后输出数据的，因而在任何一级出现故障都会造成输出数据错误；③就现有上位机平台监控方面而言，仅能实现对氢原子钟的运行参数数据进行采样，并具有对历史数据进行绘图、查询的功能。出现故障后，并不能快速定位和诊断故障并给出解决方案，也不能对各个参数间的变化关系进行分析统计。

下面就从硬件设计，软件监控两大平台的改进来提高氢原子钟监控系统的性能。

1 硬件电路设计实现

设计大体分为32位处理器ARM[2]和FPGA[3-4]控制部分两大模块来实现，分别实现用户界面管理、内部各个模块的逻辑控制，硬件框图如图1所示。

图1 硬件电路框图

1.1 ARM处理部分

针对ARM内核的高速可顺序执行特性，更适合处理复杂协议信息。ARM处理部分在设计中主要负责协议层处理工作，包括通信信息、人机交互设定、系统工作参数监测、报警数据设定、监测以及系统数据分析处理等多方面的工作，整体采用抢占式进行多任务分配，提高CPU利用率以及系统鲁棒性（rubustness）。

1.2 FPGA控制部分

总体来看，FPGA主要负责外围硬件设备底层驱动的读写，作为ARM的一个外部扩展RAM进行外设数据交换，所有FPGA采集、输出的数据均可通过ARM的可变静态存储控制器（flexiblestaticmemorycontroller，FSMC）总线读写。利用FPGA独特的可多任务并行执行特性，在下位机的电路设计中，主要负责外部通信模式的选择，外部模拟信号的采集、输出温度的控制、时钟同步、时钟移相、数码管计数显示等多项功能的处理。

1.3 主要模块的设计实现

本文通过对温控、频率综合器的数字化设计可以全面提高氢原子钟的监控性能。

1.3.1 温控部分的设计实现

温度对于氢原子钟来说是很重要的因素，原先的温度控制系统采用模拟控制多块电路板，各温度区域独立控制的模式，其缺点是需要人为调整电路板的电位器，即人为改变电阻的模式来达到调整温度的目的，因此给氢原子钟的性能调节带去诸多不便。

在数字化智能温控设计中采用AD7792，AD7792内置16位ADC，采用SPI串行接口，容易实现光耦隔离，有3路差分模拟输入，可以满足设计中分别对内炉顶、上、底3部分温度进行采集的设计要求。温度控制效果示意于表1。

表1 温度控制效果

对热敏电阻进行电阻/电压转换，然后经过16位差分模数转换器进行数字量化，再经过滤波，过滤前端模拟信号传输过程中的瞬间扰动成分。

1.3.2 DDS模块的设计实现

之前在控制板中综合器输出设计方面，采用AT89C52驱动三片74LS595串入并输出6位8421码共24位数据信息经25芯弯角插座（DR-25）将数据传输至接收机控制，再由CPLD处理后输出所需的频率信号。而目前设计中选取AD9956，使用直接数字式频率合成器（direct digital synthesizer，DDS）技术直接从监控板输出所需的频率信号，本设计DDS输出频率信号可以根据键盘键入的频率值不同而输出不同的频率值，为监控综合器频率信号提供便利。输出信号波形如图2所示。

图2 输出信号波形

2 上位机监控平台设计实现

氢原子钟智能监控平台（hydrogen clock monitor system，HCMS）不同于传统监控软件，整个系统架构参照软件规范化、标准化和平台化的标准开发，从而增强了软件的可扩展性、可集成性和二次开发能力，确保了氢钟监控的稳定性、安全性和良好的运行性能。

在氢原子钟智能监控平台的设计研究中，主要实现了一套功能完善，运行可靠，故障智能监测，并且能对数据高效存储的软件平台系统，能有效并真实地监测氢原子钟运行状态，并且对出现的问题提出及时有效且合理的解决方案，不仅能提高氢钟的监控水平，而且能在一定程度上节约维护的成本，上位机软件整体框图如图3所示。

图3 上位机软件的整体框图

上位机软件的主要工作目的是显示并处理由专家系统输出的数据，随后送入特有的数据分析模块进行处理，数据分析模块是一种认知系统，它封装了氢原子钟系统中所有可能的问题，并可以通过接收到的实时数据分析而得到不断的丰富，当数据送入并分析输出后，用户能最直接并最真实地了解到氢原子钟系统的实时工作状态；当氢原子钟出现问题时，能够及时给予用户以最合理的解决方案，并将分析处理的数据重新反馈入专家处理系统，从而丰富专家处理系统的认知能力，继而加强对氢原子钟系统的数据处理能力。

当开启上位机软件并配置好工作状态后，上位机将会开启两条数据处理通路，即自动定时监听通信线程和手动调试数据处理通路，并开始等待专家系统数据的到来。当上位机自动定时通信线程正确接收到实时数据并校验成功后，会及时更新显示界面并给予正确的提示，另外用户也可手动发送命令调试当前硬件系统以达到系统的最优工作状态，随后数据会进入数据分析模块，当数据在分析模块中进行解析并分析后，上位机会提示用户氢原子钟系统的工作状况并对可能的系统问题给予最合理的解决方案，并将处理的数据反馈给专家处理系统，丰富专家系统的数据处理能力。图4为上位机界面图。

图4 上位机界面图

3 故障诊断专家系统的组建

建立氢原子钟故障诊断专家系统，可以实时分析氢原子钟监控数据，对氢原子钟运行状态进行推理，预警运行异常状态，定位运行故障并推断解决办法。文中拟通过建立一个故障诊断专家系统的平台[5-6]，探寻并整理氢原子钟所有的故障以及故障的产生过程。氢原子钟专家系统拟采用方案如图5所示。

图5 氢原子钟专家系统设计方案

首先，根据专家知识建立知识库，针对产生式规则构建故障特征库、结论库、规则库、排除故障知识库、全局数据库和范例库，通过数据库方式对知识库进行管理。

其次，模拟氢原子钟故障排查过程建立专家系统推理机，包括建立故障的搜索方向，规则的匹配原则和求解的结束条件等。在推理机的推理策略上，根据氢原子钟故障特点，采用正向推理策略来实现故障诊断。推理机还需要加入冲突求解和不确定性推理机制，加强推理机的完备性。此外，推理机还应具备基于故障诊断流程的自学习功能。

在最终软件实现上，还应增加事件获取模块，通过对氢原子钟数据进行抽象分析，从而节省维护时间；增加知识库管理模块对知识库进行管理；增加解释器模块和人机界面友好交互。

在故障诊断专家系统的一个优选实施例中，知识库包含事件库和规则库。事件库存储基于氢原子钟的运行参数的故障事件，规则库存储根据故障事件诊断氢原子钟故障状态的诊断规则。其中，事件库中至少包括以下事件：事件B（P），表示氢原子钟的第个运行参数正常传输；事件O（P），表示氢原子钟的第个运行参数超出合理范围；事件M（P），表示氢原子钟的第个运行参数发生突变；事件R（P），表示氢原子钟的第个运行参数发生大范围波动。而根据氢原子钟的工作原理和故障原因，可以生成不同的规则存储于规则库，从而为诊断推理提供依据。依据诊断规则，可以通过运行参数的实测值直接诊断出故障，或通过推理得到诊断结果。例如，若氢原子钟的离子泵电流IONI突然增大，即发生事件M（IONI），且离子泵电压IONV突然减小，即发生事件M（IONV），则可诊断出氢原子钟发生离子泵打火，该打火现象表示为F，这种方式即是由数据直接产生规则：M（IONI）∧M（IONV）－＞F；若氢原子钟的打火次数大幅度增加，即发生事件M（F），则诊断为氢原子钟的离子泵抽气单元（C（TI））需要更换，这种方式即是由推理产生规则：M（M（IONI）∧M（IONV））－＞C（TI）。通过这两种方式即可建立较为全面的知识库，也可以在使用过程中让知识库不断充实。

另外，本上位机系统中的故障诊断专家系统模块还可以实现如下现象的诊断：

①通过检测频率综合器参数信息及氢原子钟频率稳定度的采样数据，来判断数据信息是否丢失，当数据信息丢失即弹出对话框，提示监测人员如何重新置入频率综合器的数值；专家系统可以简易地通过检测时间参数的变化来检测串口通信是否正常，并给出相关可行的维护方案。图6为检测流程图。

图6 串口故障诊断流程图

②如果监控装置检测到的离子泵电流IONI数值突然变大且长时间不回复至原始数值，则诊断为微漏气现象；如果同时存在IONV数值变小的情况，且IONI数值变化幅度较大，那么可诊断为钛泵的偶发打火现象。图7为检测流程图。

图7 打火、漏气故障诊断流程图

③在氢原子钟使用过一段时间后，可能会存在电离泡变暗的情况，那么通过如下流程的分析诊断可以判别是否存在电离泡的故障问题。具体的检测流程如图8所示。

图8 电离源故障诊断流程图

4 结语

本文通过组建含故障诊断专家系统的上位机系统，并提高下位机硬件的集成度、性能和自动化程度，可及时、智能地诊断出氢原子钟发生故障的部位和原因并给出相应的解决方案，从而大大提高氢原子钟监控系统的性能。

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[4] 王金明. 数字系统设计与Verilog HDL[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005.

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A design for improving performance of hydrogen maser monitor system

LI Xi-rui1, QI Yi2

(1. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China;2. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

This paper provides a design, which can effectively improve the performance of the hydrogen maser monitor system. The design includes software platform, hardware circuit and fault diagnosis expert system. Among them, the software platform has been implemented, and the hardware circuit has been simplified. Meanwhile, the fault diagnosis expert system modules has been studied in-depth and the diagnosisflowchart of the major fault is given. The fault diagnosis expert system modules can be used for fault identification and treatment, so as to further improve the performance of hydrogen maser monitor system.

hydrogen maser; circuit design; upper-computer; fault diagnosis expert system

TM935.11

A

1674-0637（2016）04-0266-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2016-04-0266-08

2016-04-16

李锡瑞，男，硕士，主要从事氢原子钟智能控制，故障诊断研究。