【深度】中国天眼FAST，反射面控制系统的现场总线光纤网络设计

中国自动化学会

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据新华社报道，3月31日0时起，500米口径球面射电望远镜（FAST）正式向全球开放申请。自2020年初通过国家验收启动运行以来，中国天眼FAST设施运行稳定可靠，发现的脉冲星数量已超过300颗，并在快速射电暴等研究领域取得了重大突破。

这只“观天巨眼”的成功运行同样离不开自动化技术的支持，以下文章分享其反射面控制系统的现场总线光纤网络是怎样设计的，敬请阅读~

概述

500米口径射电天文望远镜FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）是世界最大的单孔径射电天文望远镜。FAST作为一个多学科基础研究平台，有能力将中性氢观测延伸至宇宙边缘，观测暗物质和暗能量，探索宇宙的起源与演化；能用一年时间发现数千颗脉冲星，研究极端状态下的物质结构与物理规律；有希望发现奇异星和夸克星物质；发现中子星——黑洞双星，无需依赖模型精确测定黑洞质量；通过精确测定脉冲星到达时间来检测引力波；作为最大的台站加入国际甚长基线网，为天体超精细结构成像；还可能发现高红移的巨脉泽星系，实现银河系外第一个甲醇超脉泽的观测突破；用于搜寻识别可能的星际通讯信号，寻找地外文明等。

FAST还可以把我国空间测控能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘，将深空通讯数据下行速率提高100倍。脉冲星到达时间测量精度由目前的120纳秒提高至30纳秒，成为国际上最精确的脉冲星计时阵，为自主导航这一前瞻性研究制作脉冲星钟。进行高分辨率微波巡视，以1Hz的分辨率诊断识别微弱的空间讯号，作为被动战略雷达为国家安全服务。作为“子午工程”的非相干散射雷达接收系统，提供高分辨率和高效率的地面观测；跟踪探测日冕物质抛射事件，服务于太空天气预报等。其效果如图1所示。

图1：FAST效果图

FAST基本结构

FAST的主要基本结构之一是利用天然喀斯特地貌洼地修建一个500米口径的圈梁，依托圈梁用6725根钢缆编织出一个球形索网，如图2所示，在4600个网孔上满铺边长约12米的三角形铝制面板用于反射电磁波。2225个索网节点用电液执行机构“促动器”以一定张力下拉，使索网张成基准球面。在进行天文观测时，根据计算对部分节点进一步拉紧而另一些则进行放松以便在500米口径球面上形成一个口径300米，焦比0.47的抛物面，该抛物面的焦点恰位于用钢缆悬挂在天空的馈源（接收装置）处，以对所接收的宇宙射电信号进行聚焦。通过控制系统使反射面焦点和馈源装置随时间同步移动以便跟踪或主动观测某一天体。从大尺度来看，索网钢缆就等效于弹簧，在促动器拉力下产生变形，构成了焦点指向可控移动的抛物面，从而达到聚焦微弱宇宙电磁信号的作用，FAST的工作频段在70MHz~3GHz（波长0.1~4.3米）。

图2：索网结构示意图

FAST控制系统

根据FAST对反射面控制的需求，采用工业成熟的PLC控制器搭建控制系统如图3所示。FAST总控系统根据天文学家观测的要求向各子系统编制并下发观测命令，反射面控制系统解析这个观测命令并转化为2225个节点促动器的位置控制指令。

图3：FAST反射面控制系统框图

从控制内容看，反射面控制不是一个高速控制系统（节点扫描周期0.5秒，节点位置精度RMS 20mm）。但有两个特点是通常工业控制系统所没有的。一是节点数量大对可靠性要求很高，而且促动器节点分布在地形不十分规则的洼地上（没有以工业装置为依托的规则布线桥架通道），更严峻的是极苛刻的电磁兼容要求。因为FAST用于接收极微弱的宇宙射电信号，因此国际电信联盟ITU对射电天文背景的电磁辐射要求比国军标限制还要严苛10000倍（80dB）以上。图4上面兰线是GJB151A对军用设备电磁敏感度要求，下面红实线为减去80dB，红虚线为减去94dB后限制，下面蓝线则为ITU推荐的连续和谱线观测限制值RA769。在常规工业控制系统里基本没有这样严苛的要求。同时贵州是多雷害地区，野外大面积防雷是必须重点考虑的问题。防浪涌器SPD可以将感应雷电压限制在1.5kV以下，如果配合EMI滤波器，对于瞬间过电压将有更好的抑制作用，通常可以限制在几百伏以下。

图4：GJB151A标准与ITU-R RA769限值要求对比

为满足电磁屏蔽的要求，所有进入屏蔽空间的电源都必须通过“过壁”式电源滤波器，它的进出线是互不可见的，以防电磁干扰通过线间感应耦合。而信号光纤则通过波导管进出屏蔽空间。电磁密封和水、气介质密封不同，电磁波理论上厚度约为0，屏蔽导体连接处如果存在不导电的连续长窄缝，虽然缝窄到甚至可以不漏水、气，但电磁波仍可以顺畅通过，而且通过的波长和缝隙的最长连续长度成比例。对于有深度的孔，低于截止频率的电磁波通过时却将产生极大的衰减。所以水、气介质容易通过的深孔电磁波却难于通过。注意光缆通过波导管时必须将其中可能的金属加强线去掉，因为金属线可能有天线作用将屏蔽室内电磁信号发射到外面从而破坏了屏蔽功能，如图5所示。

图5：光纤和电源通过屏蔽空间界面过壁示意图

园波导管简易设计方法如下：

截止频率：fc=17.6/D（GHz）式中D为波导管内径，单位：cm。

FAST使用频段70MHz~3GHz，应选fc﹥3GHz，例如fc=15GHz 则近似有：

插入损耗：A=32L/D（dB）式中L为波导管长度，单位：cm。

基于这些特点，反射面控制系统采取下列措施：

（1）分散PLC控制器风险，在洼地分布建设12个120db屏蔽效能的中继室，每中继室内安装一台西门子PCS7-300控制器和4块Profibus-DP现场总线接口卡，每条DP总线逻辑上挂50台左右节点促动器，共负责控制附近约200台促动器。共12×4=48条DP总线连接全部2225台促动器。为解决信号滤波和线缆屏蔽的困难及避免雷击的风险，Profibus-DP现场总线采用光纤传输。这12套PCS7-300控制器通过单模光纤双环网Profinet和观测楼通信服务器连接。主环网任何单点故障，环网自愈功能立即改变信息流向保证通信正常。但如果两点同时发生故障或某交换机发生故障，则系统自动将通信从主环切换到后备环，可以同样保证通信正常。从反射面现场到主观测楼的距离有1000米，而中继室之间的距离约几百米，中继室到就近的促动器距离在50~300米范围。这对单模光纤而言都不是远的距离。

（2）促动器采用光接口的智能电液执行器，除执行功能外具有本地闭环、诊断、保护和健康管理功能，因此只能通过Profibus-DP现场总线数字通信和系统实现多信息双向传输。

系统和2225台促动器连接需要2225个总线光接口，如果采用常规的光电转换模式将使设备数量庞大，占用机柜体积大、发热量大，复杂程度升高将导致系统可靠性降低。Profibus-DP通信协议是单主从协议，系统对促动器是广播式通信，任何时刻最多只可能有一台促动器在回答主系统，同时作为从站的促动器之间并没有通信要求。根据这些技术特点我们采用了互联网技术里已经成熟使用的无源光网络技术PON（Passive　Optical Network）以大大简化光网络结构，减少设备数量及相应的设备占用空间和功耗发热。

由于以太网和光纤技术的发展及对互联网传输距离、速度和带宽的追求，光纤入户势必涉及光网络接入的性能和成本问题。以太网交换机光纤接口的价格对千家万户网络接入是难于承受的，因此导致以太网无源光网络EPON技术在上世纪90年代提出经20年发展现已臻成熟并得到广泛应用。典型PON系统构成如图6所示。

图6：无源光网络（PON）系统图

PON系统中关键部件之一是分光器（Optical splitter）。它是一个无源纯光学元件，有熔融拉锥和平面波导两种制造工艺方法。它不需要电源，不产生热量且价格低廉。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”的运算功能。PON的数据传输的技术特点基本符合Profibus-DP通信协议要求，但也有下列两个特点：

· OLT发出的一束光被分成多份，每束光的能量将被按比例衰减。每分一倍，光衰减约-3dB（即10log0.5）。这种损耗需要由发光功率或接收灵敏度补偿。

· 所有没有在通信状态的ONU不能是光逻辑1状态（即有光）。

我们选择国内生产的光电收发模块的技术指标是：

速率0~2Mbps；发光强度≥-5dBm；灵敏度优于-25dBm；发射波长1550nm；接收波长1310nm。

光路能量平衡计算公式如下：

发光功率-所有损耗-备用余量≥接收灵敏度

通常考虑光纤接头损耗0.15~0.2dB；光纤熔接损耗0.1dB；光纤距离损耗和波长有关，粗略可选0.25~0.4dB/km；备损能量余量通常按5~8dB考虑。有计算示例如下：

-5dBm（发光功率）=-25dBm（接收灵敏度）+2dB（各处接头损耗和）+11dB（1:8分光器损耗）+5dB（备用余量）+L×0.4dB/km（光纤距离损耗）

可以计算出能可靠传输的距离

L=（25-5-2-11-5）/0.4=2/0.4=5km＞0.3km

有趣的是不要简单认为将分光器输入输出反过来使用就成为所谓“光合成器”。即使来自同一光源的两个支路的光再通过一个分光器合成后也得不到一个稳定的强度加倍的合成光。因为单色激光有频率相位矢量和的因素，得到的将是峰值，虽然加倍但却存在无规则的全幅度的跳动的不稳定光信号。

无源光网络只能使用在没有网络冲突的串口通信类型，例如Modbus和Profibus-DP等主流通信网络都符合这个规定。但存住网络冲突的通信协议，例如CAN就无法使用。

由于采用了1分8路分光器，系统节省了7/8=87.5%的传统光电转换器，使功耗发热、占用空间和成本大幅度减少，同时Profibus-DP网络的电节点数量也同比例减少，可以少用或不用重复器，因此本方案有明显的优越性。问题是使用1分16路分光器岂不是效果更好吗？的确是，但限制的因素是目前低频光电收发模块产品的接收灵敏度尚不足以补偿更高的分光损耗。传输没有直流分量的以太网信号的光电收发模块的接收灵敏度就可达-35dB，因此甚至可以使用1分64路分光器。图7是从中继室PLC柜到促动器内电子板的光路连接示例。

图7：1/4条DP总线到促动器的16路光路连接图

RS485收发器有两种用法，一是在CPU控制下使用，作为“智能”设备的通信端口，它的收发状态全部在CPU有计划的控制之中。二是作中继器使用，这时它完全不知道信号的来向和波特率。有两类方法来解决方向和波特率识别控制。一类是使用CPU或FPGA类芯片，通常认为这种方法比较复杂且难于适应高速通信。第二是基于硬件的方法，这种方法比较简单但需要通信协议的链路层遵守一定的规则，即构成信息帧的每个“字节”的第一位一定是1到0的负跳变开始，所有节点空闲状态是监听，总线停留在逻辑“1”。例如Modbus和Profibus-DP等主流通信协议都符合这一规定。这就可以这样设计RS485收发器：

空闲态：监听状态/RE=DE=0，总线状态为1，RO输出为1；

接收态：监听状态/RE=DE=0，总线接收信息，RO按接收信息输出；

发送态：当DI=0时/RE=DE=1即发送态，总线状态为0，RO为高阻，由外加电阻上拉为逻辑1和空闲态一致。这是一次名副其实的真正发送。

当DI=1时/RE=DE=0，这时芯片名义是发送态，实为接收。总线是高阻，和空闲态一样，也由外加电阻上拉为逻辑1，仅恰恰“像”发送了1。

因此我们可以认为所谓发送过程实际上只发送了逻辑0，而逻辑1是靠总线偏置自然形成的结果。中继器对数据没有做任何额外的工作，从而实现了协议无关，波特率自适应，数据透明传输。RO上拉电阻是为保证在这样的“发送”过程中RO保持逻辑1不变化。而接收态/RE=DE=0是常规使用，没有什么特殊之处。

Profibus-DP通信物理层采用RS485规范，主站空闲时间停留在逻辑“1”状态，这对从站接收并没有什么影响。但促动器从站空闲时间也停留在逻辑“1”状态是不符合PON要求的。为此需要将从站发送信号反相，使之在空闲状态是在逻辑“0”即不发光。在主站光电收发器接收后再反相进行恢复，以便符合通信的原有要求。主站一个极简单的信号反向方法就是将485芯片的总线端A、B反接，同时将原来上拉电阻RO改为接地即下拉。这样发送接收同时反向，从站促动器侧也需要类似改变以保持双方一致。主站RS485收发器组态图如图8，注意其中4个偏置匹配电阻R1\2\3\RO是必需不可缺少的。