據新華社報道，3月31日0時起，500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）正式向全球開放申請。自2020年初通過國家驗收啟動運行以來，中國天眼FAST設施運行穩定可靠，發現的脈衝星數量已超過300顆，並在快速射電暴等研究領域取得了重大突破。
這隻「觀天巨眼」的成功運行同樣離不開自動化技術的支持，今天小編將分享其反射面控制系統的現場總線光纖網絡是怎樣設計的，敬請閱讀~
概述
500米口徑射電天文望遠鏡FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）是世界最大的單孔徑射電天文望遠鏡。FAST作為一個多學科基礎研究平台，有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣，觀測暗物質和暗能量，探索宇宙的起源與演化；能用一年時間發現數千顆脈衝星，研究極端狀態下的物質結構與物理規律；有希望發現奇異星和夸克星物質；發現中子星——黑洞雙星，無需依賴模型精確測定黑洞質量；通過精確測定脈衝星到達時間來檢測引力波；作為最大的台站加入國際甚長基線網，為天體超精細結構成像；還可能發現高紅移的巨脈澤星系，實現銀河系外第一個甲醇超脈澤的觀測突破；用於搜尋識別可能的星際通訊信號，尋找地外文明等。
FAST還可以把我國空間測控能力由地球同步軌道延伸至太陽系外緣，將深空通訊數據下行速率提高100倍。脈衝星到達時間測量精度由目前的120納秒提高至30納秒，成為國際上最精確的脈衝星計時陣，為自主導航這一前瞻性研究製作脈衝星鍾。進行高分辨率微波巡視，以1Hz的分辨率診斷識別微弱的空間訊號，作為被動戰略雷達為國家安全服務。作為「子午工程」的非相干散射雷達接收系統，提供高分辨率和高效率的地面觀測；跟蹤探測日冕物質拋射事件，服務於太空天氣預報等。其效果如圖1所示。
圖1 FAST效果圖
FAST基本結構
FAST的主要基本結構之一是利用天然喀斯特地貌窪地修建一個500米口徑的圈樑，依託圈樑用6725根鋼纜編織出一個球形索網，如圖2所示，在4600個網孔上滿鋪邊長約12米的三角形鋁製面板用於反射電磁波。2225個索網節點用電液執行機構「促動器」以一定張力下拉，使索網張成基準球面。在進行天文觀測時，根據計算對部分節點進一步拉緊而另一些則進行放鬆以便在500米口徑球面上形成一個口徑300米，焦比0.47的拋物面，該拋物面的焦點恰位於用鋼纜懸掛在天空的饋源（接收裝置）處，以對所接收的宇宙射電信號進行聚焦。通過控制系統使反射面焦點和饋源裝置隨時間同步移動以便跟蹤或主動觀測某一天體。從大尺度來看，索網鋼纜就等效於彈簧，在促動器拉力下產生變形，構成了焦點指向可控移動的拋物面，從而達到聚焦微弱宇宙電磁信號的作用，FAST的工作頻段在70MHz~3GHz（波長0.1~4.3米）。
圖2 索網結構示意圖
FAST控制系統
根據FAST對反射面控制的需求，採用工業成熟的PLC控制器搭建控制系統如圖3所示。FAST總控系統根據天文學家觀測的要求向各子系統編製並下發觀測命令，反射面控制系統解析這個觀測命令並轉化為2225個節點促動器的位置控制指令。
圖3 FAST反射面控制系統框圖
從控制內容看，反射面控制不是一個高速控制系統（節點掃描周期0.5秒，節點位置精度RMS 20mm）。但有兩個特點是通常工業控制系統所沒有的。一是節點數量大對可靠性要求很高，而且促動器節點分佈在地形不十分規則的窪地上（沒有以工業裝置為依託的規則布線橋架通道），更嚴峻的是極苛刻的電磁兼容要求。因為FAST用於接收極微弱的宇宙射電信號，因此國際電信聯盟ITU對射電天文背景的電磁輻射要求比國軍標限制還要嚴苛10000倍（80dB）以上。圖4上面蘭線是GJB151A對軍用設備電磁敏感度要求，下面紅實線為減去80dB，紅虛線為減去94dB後限制，下面藍線則為ITU推薦的連續和譜線觀測限制值RA769。在常規工業控制系統里基本沒有這樣嚴苛的要求。同時貴州是多雷害地區，野外大面積防雷是必須重點考慮的問題。防浪涌器SPD可以將感應雷電壓限制在1.5kV以下，如果配合EMI濾波器，對於瞬間過電壓將有更好的抑制作用，通常可以限制在幾百伏以下。
圖4 GJB151A標準與ITU-R RA769限值要求對比
為滿足電磁屏蔽的要求，所有進入屏蔽空間的電源都必須通過「過壁」式電源濾波器，它的進出線是互不可見的，以防電磁干擾通過線間感應耦合。而信號光纖則通過波導管進出屏蔽空間。電磁密封和水、氣介質密封不同，電磁波理論上厚度約為0，屏蔽導體連接處如果存在不導電的連續長窄縫，雖然縫窄到甚至可以不漏水、氣，但電磁波仍可以順暢通過，而且通過的波長和縫隙的最長連續長度成比例。對於有深度的孔，低於截止頻率的電磁波通過時卻將產生極大的衰減。所以水、氣介質容易通過的深孔電磁波卻難於通過。注意光纜通過波導管時必須將其中可能的金屬加強線去掉，因為金屬線可能有天線作用將屏蔽室內電磁信號發射到外面從而破壞了屏蔽功能，如圖5所示。
圖5 光纖和電源通過屏蔽空間界面過壁示意圖
園波導管簡易設計方法如下：
截止頻率：fc=17.6/D（GHz）式中D為波導管內徑，單位：cm。
FAST使用頻段70MHz~3GHz，應選fc﹥3GHz，例如fc=15GHz 則近似有：
插入損耗：A=32L/D（dB）式中L為波導管長度，單位：cm。
基於這些特點，反射面控制系統採取下列措施：
（1）分散PLC控制器風險，在窪地分佈建設12個120db屏蔽效能的中繼室，每中繼室內安裝一台西門子PCS7-300控制器和4塊Profibus-DP現場總線接口卡，每條DP總線邏輯上掛50台左右節點促動器，共負責控制附近約200台促動器。共12×4=48條DP總線連接全部2225台促動器。為解決信號濾波和線纜屏蔽的困難及避免雷擊的風險，Profibus-DP現場總線採用光纖傳輸。這12套PCS7-300控制器通過單模光纖雙環網Profinet和觀測樓通信服務器連接。主環網任何單點故障，環網自愈功能立即改變信息流向保證通信正常。但如果兩點同時發生故障或某交換機發生故障，則系統自動將通信從主環切換到後備環，可以同樣保證通信正常。從反射面現場到主觀測樓的距離有1000米，而中繼室之間的距離約幾百米，中繼室到就近的促動器距離在50~300米範圍。這對單模光纖而言都不是遠的距離。
（2）促動器採用光接口的智能電液執行器，除執行功能外具有本地閉環、診斷、保護和健康管理功能，因此只能通過Profibus-DP現場總線數字通信和系統實現多信息雙向傳輸。
系統和2225台促動器連接需要2225個總線光接口，如果採用常規的光電轉換模式將使設備數量龐大，佔用機櫃體積大、發熱量大，複雜程度升高將導致系統可靠性降低。Profibus-DP通信協議是單主從協議，系統對促動器是廣播式通信，任何時刻最多只可能有一台促動器在回答主系統，同時作為從站的促動器之間並沒有通信要求。根據這些技術特點我們採用了互聯網技術里已經成熟使用的無源光網絡技術PON（Passive Optical Network）以大大簡化光網絡結構，減少設備數量及相應的設備佔用空間和功耗發熱。
由於以太網和光纖技術的發展及對互聯網傳輸距離、速度和帶寬的追求，光纖入戶勢必涉及光網絡接入的性能和成本問題。以太網交換機光纖接口的價格對千家萬戶網絡接入是難於承受的，因此導致以太網無源光網絡EPON技術在上世紀90年代提出經20年發展現已臻成熟並得到廣泛應用。典型PON系統構成如圖6所示。
圖6 無源光網絡（PON）系統圖
PON系統中關鍵部件之一是分光器（Optical splitter）。它是一個無源純光學元件，有熔融拉錐和平面波導兩種製造工藝方法。它不需要電源，不產生熱量且價格低廉。主路光被分配到各分支光路，反之各分支回光在主光路中有光波「矢量和」的運算功能。PON的數據傳輸的技術特點基本符合Profibus-DP通信協議要求，但也有下列兩個特點：
· OLT發出的一束光被分成多份，每束光的能量將被按比例衰減。每分一倍，光衰減約-3dB（即10log0.5）。這種損耗需要由發光功率或接收靈敏度補償。
· 所有沒有在通信狀態的ONU不能是光邏輯1狀態（即有光）。
我們選擇國內生產的光電收發模塊的技術指標是：
速率0~2Mbps；發光強度≥-5dBm；靈敏度優於-25dBm；發射波長1550nm；接收波長1310nm。
光路能量平衡計算公式如下：
發光功率-所有損耗-備用餘量≥接收靈敏度
通常考慮光纖接頭損耗0.15~0.2dB；光纖熔接損耗0.1dB；光纖距離損耗和波長有關，粗略可選0.25~0.4dB/km；備損能量餘量通常按5~8dB考慮。有計算示例如下：
-5dBm（發光功率）=-25dBm（接收靈敏度）+2dB（各處接頭損耗和）+11dB（1:8分光器損耗）+5dB（備用餘量）+L×0.4dB/km（光纖距離損耗）
可以計算出能可靠傳輸的距離
L=（25-5-2-11-5）/0.4=2/0.4=5km＞0.3km
有趣的是不要簡單認為將分光器輸入輸出反過來使用就成為所謂「光合成器」。即使來自同一光源的兩個支路的光再通過一個分光器合成後也得不到一個穩定的強度加倍的合成光。因為單色激光有頻率相位矢量和的因素，得到的將是峰值，雖然加倍但卻存在無規則的全幅度的跳動的不穩定光信號。
無源光網絡只能使用在沒有網絡衝突的串口通信類型，例如Modbus和Profibus-DP等主流通信網絡都符合這個規定。但存住網絡衝突的通信協議，例如CAN就無法使用。
由於採用了1分8路分光器，系統節省了7/8=87.5%的傳統光電轉換器，使功耗發熱、佔用空間和成本大幅度減少，同時Profibus-DP網絡的電節點數量也同比例減少，可以少用或不用重複器，因此本方案有明顯的優越性。問題是使用1分16路分光器豈不是效果更好嗎？的確是，但限制的因素是目前低頻光電收發模塊產品的接收靈敏度尚不足以補償更高的分光損耗。傳輸沒有直流分量的以太網信號的光電收發模塊的接收靈敏度就可達-35dB，因此甚至可以使用1分64路分光器。圖7是從中繼室PLC櫃到促動器內電子板的光路連接示例。
圖7 1/4條DP總線到促動器的16路光路連接圖
RS485收發器有兩種用法，一是在CPU控制下使用，作為「智能」設備的通信端口，它的收髮狀態全部在CPU有計劃的控制之中。二是作中繼器使用，這時它完全不知道信號的來向和波特率。有兩類方法來解決方向和波特率識別控制。一類是使用CPU或FPGA類芯片，通常認為這種方法比較複雜且難於適應高速通信。第二是基於硬件的方法，這種方法比較簡單但需要通信協議的鏈路層遵守一定的規則，即構成信息幀的每個「位元組」的第一位一定是1到0的負跳變開始，所有節點空閑狀態是監聽，總線停留在邏輯「1」。例如Modbus和Profibus-DP等主流通信協議都符合這一規定。這就可以這樣設計RS485收發器：
空閑態：監聽狀態/RE=DE=0，總線狀態為1，RO輸出為1；
接收態：監聽狀態/RE=DE=0，總線接收信息，RO按接收信息輸出；
發送態：當DI=0時/RE=DE=1即發送態，總線狀態為0，RO為高阻，由外加電阻上拉為邏輯1和空閑態一致。這是一次名副其實的真正發送。
當DI=1時/RE=DE=0，這時芯片名義是發送態，實為接收。總線是高阻，和空閑態一樣，也由外加電阻上拉為邏輯1，僅恰恰「像」發送了1。
因此我們可以認為所謂發送過程實際上只發送了邏輯0，而邏輯1是靠總線偏置自然形成的結果。中繼器對數據沒有做任何額外的工作，從而實現了協議無關，波特率自適應，數據透明傳輸。RO上拉電阻是為保證在這樣的「發送」過程中RO保持邏輯1不變化。而接收態/RE=DE=0是常規使用，沒有什麼特殊之處。
Profibus-DP通信物理層採用RS485規範，主站空閑時間停留在邏輯「1」狀態，這對從站接收並沒有什麼影響。但促動器從站空閑時間也停留在邏輯「1」狀態是不符合PON要求的。為此需要將從站發送信號反相，使之在空閑狀態是在邏輯「0」即不發光。在主站光電收發器接收後再反相進行恢復，以便符合通信的原有要求。主站一個極簡單的信號反向方法就是將485芯片的總線端A、B反接，同時將原來上拉電阻RO改為接地即下拉。這樣發送接收同時反向，從站促動器側也需要類似改變以保持雙方一致。主站RS485收發器組態圖如圖8，注意其中4個偏置匹配電阻R1\2\3\RO是必需不可缺少的。
圖8 主站協議無關、波特率自適應、信號反向RS485收發器
★ 國家自然科學基金資助項目《FAST主動反射面整網變形控制策略與自適應建模研究》（項目號：11273001）
作者簡介
朱麗春（1964-），女，內蒙赤峰人，研究員，博士，博導，國家天文台500米口徑球面射電望遠鏡FAST測控系統總工，1986年畢業於北京郵電大學電信工程系，中國科學院研究生院博士畢業，射電天文技術與方法專業，主要從事測量控制技術方法的研究。
張維傑（1963-），北京人，高級工程師，太極計算機股份有限公司項目經理，1987年畢業於北京工業大學，主要從事工業自動化等相關行業的設計、施工、安裝、管理現場調試等相關工作。
斯可克（1945-），男，浙江東陽人，教授級高級工程師，冶金自動化研究設計院副總工程師（退休），1970年畢業於清華大學無線電系，從事工業自動化測量控制技術方法和設備的研究、產品研發和工程承包等工作。
摘自《自動化博覽》
