[发明专利]天文望远镜控制系统中采集与传输大量数据的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动化控制技术领域的方法，具体是一种天文望远镜控制系统中采集与传输大量数据的方法。

背景技术

在现代的测量、监测、控制、诊断、科学试验等各个领域中，数据采集系统都是必不可少的组成部分。在天文观测系统中常用数据采集系统，实现观测数据(图像、光谱等)从望远镜到控制计算机的传输。根据不同的应用需求，可以选择不同的数据采集方案：如数据采集卡方案、USB采集方案和网络采集方案等。一般来说，天文数据采集除了要求一定的传输速率外，较长的传输距离是很重要的，因为在天文观测过程中，控制采集计算机经常离望远镜比较远，所以只有网络采集方案能够实现较长距离的数据传输，并且由于网络本身的灵活性，可以实现更多的特性。

目前国家天文台天文探测器实验室研发的电子耦合组件相机控制器就是使用以太网进行数据采集的NIOS II(美国阿尔特拉公司生产的一种嵌入式处理器)嵌入式系统。它通过以太网接口从控制计算机接收指令，控制电子耦合组件进行曝光，并将图像数据从电子耦合组件读出到控制器内部的同步动态存储器中，最后通过以太网将图像数据送回控制计算机。为了实现对多台电子耦合组件相机的集群控制以及多通道并行传输，此系统采用以太网替代传统的数据采集卡实现图像数据的采集。这就对网络的传输速度提出了比较严格的要求，即要求网络传输速度至少应该达到数倍于电子耦合组件的读出速度；另一方面，由于未来的天文望远镜都将配备较大面阵的电子耦合组件，为了提高系统的整体性能，这些相机大都采用多通道读出。例如，若采用两通道读出，每通道512kp/s，总速率就是2MB/s；若采用4通道读出，每通道1Mp/s，总速率就是8MB/s。由此可见，如果要用快速以太网实现数据采集，就必须尽量发挥100Mb/s快速以太网的潜力。但是自从引入了Nios II嵌入式中央处理器以来，以太网的数据传输速率就一直是整个系统性能的瓶颈。

经对现有技术的文献检索发现，韩立昌、徐欣圻在《计算机工程》2006年第6期发表的“大型天文望远镜环境温度数据采集系统的设计”中，在我国大科学工程项目大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜LAMOST的环境监控系统的设计上，采用USB技术进行数据的快速传输与控制，尽管采取了很多措施(例如使用UDP取代TCP、禁用UDP校验等)，在Cyclone 1C20的开发板上，网络传输速度也只能达到大约1.21MB/s，这远远不能满足大量天文数据采集应用的需要。此外，尽管有很多厂家都针对Nios II嵌入式系统开发了千兆甚至是万兆以太网的TP核，但这些TP核不仅售价昂贵，编程复杂庞大，很多还需要配合专用的硬件或TCP/IP协议栈才能工作。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种天文望远镜控制系统中采集与传输大量数据的方法，使其通过自定义的网络协议头，绕开性能瓶颈LWTP协议栈，实现从嵌入式系统到数据采集计算机高达90Mb/s以上的数据传送速率。本发明不必对系统硬件做任何改动，而且丝毫不影响uCOS II操作系统和LWIP协议栈所提供的一切功能，并可以和任何嵌入式操作系统一起工作，没有操作系统时也能工作，最大限度的保护了用户原有的智力投资。

本发明是通过如下技术方案实现的，包括如下步骤：

步骤一，在天文数据采集的应用中，Nios II嵌入式系统与用于控制和数据采集的计算机运行在一个点对点的简单网络环境中，在天文数据采集的程序启动时预先准备好各层协议的协议头，利用Mason Express(“直接信使”或“直通车”)函数通过人工产生所需的协议头，绕开Nios II嵌入式系统中所运行的LWIP协议栈，实现数据发送，实现从嵌入式系统到数据采集计算机之间的直接传输；

所述实现从嵌入式系统到数据采集计算机之间的直接传输，具体为：将接收到的以太网帧的首地址以及帧长度作为参数传递给Mason Express函数，Mason Express函数将直接调用Nios II嵌入式系统配备的LAN91C111以太网控制器的驱动程序中汇编级的寄存器读写指令，将以太网帧迅速转移到芯片的内部缓存中，并将其加入到发送队列中，由PHY硬件接口完成发送。