CN102508472A - 光束准直和能量测量远程测控装置 - Google Patents

Abstract

一种用于高功率激光装置的光束准直控制和能量测量模块的远程集成测控装置，其装置由基于EPICS的软件部分和硬件测控设备部分组成。EPICS的分布式软件部分主要由IOC和OPI两部分组成，硬件测控设备由计算机监控平台、服务器、核心交换机、主干交换机、光纤光缆、以太网连接线、步进电机、步进电机控制器、网络CCD、能量计、网口转串口协议转换器组成。本装置采用基于EPICS的分布式控制方式，在统一的软件架构下，能够实现光束准直控制和能量测量模块的远程测量和控制，集成化和自动化程度高。具有运行稳定、系统结构灵活、很好的可扩展性和数据共享等优点。

Description

光束准直和能量测量远程测控装置

技术领域

本发明涉及高功率激光装置，特别是一种用于高功率激光装置的光束准直和能量测量的远程测控装置。

背景技术

随着高功率激光装置的快速发展和运行能力的不断提升，所涉及的设备种类、仪器数量、底层网络连接的数量也会非常庞大。尤其是目前的测量系统和准直系统会涉及几十乃至上百台步进电机、能量计和网络CCD。而目前对于测量系统和准直系统的控制技术却比较落后，主要是基于集中控制的方式，测量和控制设备通过电缆连接到计算机上，布线复杂，维护非常不便，网络化、集成化和自动化程度很低，装置的整体可靠性、安全性和灵活性都有待于提高，装置规模的扩展受到了限制。因此，需要一种远程测控系统满足高功率激光装置中测量系统和准直系统不断发展的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有的技术问题和不足，提供一种用于高功率激光装置的基于实验物理与工业控制软件(Experimental Physics andIndustrial Control System，以下简称为EPICS)的光束准直控制和能量测量模块的远程集成测控装置，该装置应能实现光束准直控制和能量测量模块的远程测量和控制的集成，应具有运行稳定、系统灵活、良好的可扩展性、自动化程度高的特点。

本发明解决的技术方案如下：

一种基于实验物理与工业控制软件(Experimental Physics and Industrial ControlSystem，以下简称为EPICS)分布式系统的高功率激光装置中光束准直和能量测量远程测控装置，特点在于其构成包括：EPICS的软件和测控设备两部分。

所述的EPICS软件部分包含EPICS主程序和监控软件，所述的EPICS主程序主要是运行于计算机的IOC，运行IOC需要启动脚本文件(.cmd文件)，包括：载入数据库文件(.dbd文件)、载入数据记录文件(.db文件)、载入数据协议文件(.protocol文件)、配置文件(IP、端口号等)、初始化IOC、运行IOC。所述.db文件是所需要的所有数据变量，包括能量计的显示值、能量计开关状态等；步进电机的正反运动状态、运动步数、速度、限位开关状态等；网络CCD的采集状态、采集模式、图像数据等。所述.protocol文件是所述IOC和硬件测控设备通信的协议文件，所述.cmd文件是IOC的启动文件。监控软件是OPI(Operator Interface)，由报警程序(Alarm Handler，简称为ALH)、数据处理程序和界面监控程序(ExtensibleDisplay Manager，简称为EDM)组成，所述的报警程序完成对能量计显示值和步进电机限位状态的报警、自动处理和数据保存，所述的数据处理程序，EPICS提供了Matlab对它的数据访问接口，在Matlab中进行图像数据的处理和保存，处理过程包括，对CCD图像进行阈值处理，计算偏移量，最后得到步进电机的运动步数和方向，从而驱动电机进行运动，界面监控程序EDM完成对能量计示数、网络CCD图像和步进电机运动状态的监控。

所述的测控设备由安装Linux操作系统的计算机监控平台、服务器、核心交换机、主干交换机、光纤光缆、以太网连接线、步进电机、步进电机控制器、网络CCD、能量计控制器、能量计、RS232串口转网口协议转换器组成。所述的核心交换机和主干交换机之间采用万兆的光纤光缆连接，所述光纤光缆有效连接长度在300米以内，满足远程控制和数据交互的要求。所述监控计算机和服务器之间通过千兆的以太网连接，主干交换机和步进电机和网络CCD组通过千兆的以太网连接，主干交换机和能量计组通过百兆的以太网连接，以太网有效连接长度在100米以内，满足实际连接需要。

所述步进电机和网络CCD组负责光束的准直，所述步进电机和网络CCD组的每一个子设备模块包括4台以上步进电机、2台网络CCD，以及步进电机控制器，设置所述步进电机和网络CCD组中每个步进电机控制器、网络CCD的IP地址。所述步进电机和网络CCD组能够根据准直系统的发展，扩展和增加子设备模块，达到可扩展的要求。

所述能量计组负责光束能量的采集，所述能量计组的每一个子设备模块包括能量计、能量计控制器和协议转换器，协议转换器为网口转RS232串口转换器，设置能量计组每个能量计控制器的IP地址和每个能量计的端口号，所述能量计组能根据测量系统的需要，扩展和增加子设备模块，达到可扩展的要求。

所述步进电机和网络CCD组、能量计组的各种数据均进入以太网，在主干交换机和核心交换机之间进行传输和处理，最终到达监控计算机里进行监控。所述监控计算机根据数据处理和测量的结果，进行相应的响应，对于报警信号，有选择终止运行、继续运行功能，对于步进电机的运动方向和步数，可以设置为自动监控和手动监控，自动监控是通过图像处理和计算驱动步进电机进行自动调整，直到准直，手动监控是通过选择等待使用者进行输入设置操作，同时能够监控网络CCD的采集状态和图像。

本发明的优点在于：

1、可实现远程测量和控制，集成化、自动化程度高。

2、系统运行稳定，可以对实时数据进行监测和报警，可扩展性好。

3、可实现数据的共享和交互

附图说明

图1是本发明光束准直和能量测量远程测控装置的软件结构图

图2是本发明光束准直和能量测量远程测控装置的硬件测控设备结构图

图3是IOC的启动脚本文件内容和执行顺序(.cmd文件)

图4是能量计组(27)模块的设备图

图5是步进电机和网络CCD组(29)模块的设备图

图6是能量计报警流程图

图7是步进电机限位状态报警流程图

图8是数据处理总流程图

图9是远场调节步骤

图10是近场调节步骤

图11是远场判断步骤

图1中：1-输入输出实时数据库IOC；2-能量计；3-能量计示数报警；4-能量计示数监控；5-能量计开关状态监控；6-步进电机；7-步进电机限位状态报警；8-步进电机的正反运动状态，运动步数和速度监控；9-网络CCD图像数据；10-图像监控；11-阈值处理；12-计算偏移量；13驱动步进电机运动。

图2中：20-能量计监控计算机；21-步进电机和网络CCD监控计算机；22-服务器；23-核心交换机；24-光纤光缆；25-主干交换机；26-主干交换机；27、28等-能量计组；29、30等-步进电机和网络CCD组。

图3中：14-载入.dbd文件(数据库文件)；15-载入.db文件(数据记录文件)；16-载入.protocol文件(数据协议文件)；17-配置参数(IP、端口号等)；18-初始化IOC；19-运行IOC。

图4中：31-协议转换器(RS232串口转网口转换器)；32-能量计控制器；33、34、35、36、37、38-能量计。

图5中：39、40等-网络CCD；41-步进电机控制器；42、43、44、45等-步进电机。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先请参阅图1、图2和图3，图1是本发明光束准直和能量测量远程测控装置的软件结构图，图2是本发明光束准直和能量测量远程测控装置的硬件测控设备结构图，图3是本发明IOC的启动脚本文件的内容和执行顺序，由图可见，本发明基于EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System实验物理与工业控制软件)分布式系统的高功率激光装置中光束准直和能量测量远程测控装置，其构成包括：基于EPICS软件部分和测控设备部分。

所述的EPICS的软件部分包含EPICS主程序和监控软件，整个软件运行环境均在Linux操作系统中完成，在服务器22中安装EPICS主程序，所述的EPICS主程序包括bas3.14.11、ExtensionsTop_20070703、synApps_5_4_1三个部分，其中，ExtensionsTop_20070703包括了多个OPI监控软件，本监控软件主要使用其中的报警程序ALH和界面监控程序EDM。安装完EPICS主程序，再安装Matlab程序(Mathworks.Matlab.R2010a.LINUX.ISO-TBE.iso)，EPICS提供与Matlab的数据访问接口，图像数据的处理在Matlab中完成。

IOC是EPICS的运行核心，最关键的是步进电机、网络CCD和能量计的.db文件(数据记录文件)、.protocol文件(数据协议文件)和.cmd文件(启动脚本文件)，所述.db文件是涉及到的所有的数据变量，能量计包括能量显示值、开关运行状态值和数据存档；步进电机包括正反运动状态、运动步数、速度、限位开关状态；网络CCD包括采集状态、采集模式、图像数据。.db文件中数据变量包括数据名称、类型、特性和特性值，数据名称为自定义命名，不能重复。类型和特性名称参照.dbd文件(数据库文件)，.dbd文件给出所有类型和特性名称，特性值需要根据不同的数据变量而随时改变)。数据变量定义如下：能量计的示数类型为ai(模拟输入)，设定它的扫描方式、设备描述、输入路径、示数的报警上下限等特性，能量计开关运行状态类型为ao(模拟输出)，设定它的扫描方式、设备描述、输出路径等特性，数据存档类型为ar(存档)，设定它的扫描方式、输入路径、存入路径等特性，所有的特性值根据具体设备而确定。步进电机运动速度和步数类型为ao(模拟输出)，设定它们的扫描方式、设备描述、输出路径、步数上下限等特性，运动方向和限位开关状态类型为bo(二进制输出)，设定它们的扫描方式、设备描述、输出路径等特性，所有的特性值根据具体设备而确定。网络CCD的采集状态和模式类型为bo(二进制输出)，设定它们的扫描方式、设备描述、输出路径等特性，图像数据类型为subArray(数组类型)，设定它们的扫描方式、设备描述、输出途径等特性，所有的特性值根据具体设备而确定。所述.protocol文件是所述IOC和硬件测控设备通信的协议文件，通信协议根据能量计、步进电机、网络CCD厂家提供的协议而定。所述启动脚本文件是IOC的启动文件，包括能量计、步进电机、网络CCD启动脚本文件，.cmd文件的内容和顺序是：载入.dbd文件，使用dbLoadDatabase命令；载入.db文件，使用dbLoadRecords命令；载入.protocol文件，使用STREAM_PROTOCOL_PATH设置路径；配置参数，配置环境变量、设备IP、端口号等；使用iocInit命令初始化IOC；运行IOC。此时IOC已经可以开始运行，数据已经在IOC中开始交互和处理。

监控平台的软件部分包括报警程序ALH、数据处理程序和界面监控程序EDM，所述报警程序ALH主要是能量计示数报警3和步进电机限位状态报警7，ALH文件以.alhConfig为后缀，在文件中加入能量计示数变量名称和能量计示数值上下限、步进电机限位状态变量名称和限位状态上下限，使用命令alh+alh文件名，ALH便可以自动生成报警程序，对所监测的值进行报警，报警程序ALH在运行过程中对所监测的数据和数据变化值始终自动进行保存，保存文件以.alhAlarm为后缀，保存文件名可以自命名，所述能量计示数报警3的处理过程如图6，能量计2读取的能量计示数值M，进入ALH所设定的上(max)下(min)限，如果超过上(max)下(min)限，立即进行报警，报警之后选择终止运行或者继续运行，如果在设定范围之内，不进行报警，ALH对能量计示数值M和变化值始终进行自动保存。所述步进电机限位状态报警7的处理过程如图7，步进电机6的限位状态值进入比较程序，如果大于限位值(L)，则进行报警，如果在范围之内，表明正常运行，ALH对步进电机限位值和变化值始终进行自动保存。

所述数据处理程序是对网络CCD图像数据9进行处理，EPICS提供与Matlab的数据接口，Matlab的数据处理总流程如图8所示，先进行远场调节，然后进行近场调节，再进行远场判断，得到偏离量(ΔX2，ΔY2)，将ΔX2、ΔY2与准直精度μ做比较，如果ΔX2、ΔY2均小于μ，则准直结束，如果至少有一个大于等于μ，则继续进行第二次准直，如此反复直到光束准直。

图8中远场调节如图9所示，包括下列步骤：

①、使用mcaget()命令(括号内是网络CCD图像数据9的名称，)从IOC中得到远场图像数据，保存远场图像数据。

②、设定基准(X0，Y0)、图像的阈值数Z、光斑的准直精度μ个像素。

③、然后对远场图像进行阈值处理，对于亮度大于等于阈值Z的点，设定亮度为0，即白色，并保存这个点的位置，对于亮度小于阈值Z的点，设定亮度为255，即黑色，不保存这个点的位置。处理后记录图像亮度为0处每个像素的位置为(X1，Y1)、(X2，Y3)、(X3，Y3)......共N个点，然后通过公式X＝(X1+X2+X3+......)/N，Y＝(Y1+Y2+Y3+......)/N，求得图像的中心(X，Y)。

④、将图像中心(X，Y)和基准(X0，Y0)比较，求差值(ΔX0＝X-X0，ΔY0＝Y-Y0)得到光束的偏移量(ΔX0，ΔY0)。

⑤、根据偏移量(ΔX0，ΔY0)确定步进电机的运动步数，正负确定运动方向，ΔX0为正，向X轴正方向运动，ΔX0为负，向X轴负方向运动，ΔY0为正，向Y轴正方向运动，ΔY0为负，向Y轴负方向运动，使用命令mcaput()分别设置步进电机的运动方向、步数，驱动步进电机运动。

图8中近场调节如图10所示，包括下列步骤：

①、使用mcaget()命令(括号内是网络CCD图像数据9的名称，)从IOC中得到近场图像数据，保存近场图像数据。

②、设定基准(X0°，Y0°)。

③、然后对近场图像进行阈值处理，对于亮度大于等于阈值Z的点，设定亮度为0，即白色，并保存这个点的位置，对于亮度小于阈值Z的点，设定亮度为255，即黑色，不保存这个点的位置。处理后记录图像亮度为0处每个像素的位置为(X1’，Y1’)、(X2’，Y3’)、(X3’，Y3’)......共N’个点，然后通过公式X’＝(X1’+X2’+X3’+......)/N’，Y’＝(Y1’+Y2’+Y3’+......)/N’，求得图像的中心(X’，Y’)。

④、将图像中心(X’，Y’)和基准(X0°，Y0°)比较，求差值(ΔX1＝X’-X0°，ΔY1＝Y’-Y0°)，得到光束的偏移量(ΔX1，ΔY1)。

⑤、根据偏移量(ΔX1，ΔY1)确定步进电机的运动步数，正负确定运动方向，ΔX1为正，向X轴正方向运动，ΔX1为负，向X轴负方向运动，ΔY1为正，向Y轴正方向运动，ΔY1为负，向Y轴负方向运动，使用命令mcaput()分别设置步进电机的运动方向、步数，驱动步进电机运动。

图8中远场判断如图11所示，包括以下步骤：

①、使用mcaget()命令(括号内是网络CCD图像数据9的名称，)从IOC中得到远场图像数据，保存远场图像数据。

②、设定基准(X0，Y0)。

③、然后对远场图像进行阈值处理，对于亮度大于等于阈值Z的点，设定亮度为0，即白色，并保存这个点的位置，对于亮度小于阈值Z的点，设定亮度为255，即黑色，不保存这个点的位置。处理后记录图像亮度为0处每个像素的位置为(X1″，Y1″)、(X2″，Y3″)、(X3″，Y3″)......共N″个点，然后通过公式X″＝(X1″+X2″+X3″+......)/N″，Y″＝(Y1″+Y2″+Y3+″......)/N″，求得图像的中心(X″，Y″)。

④、将图像中心(X″，Y″)和基准(X0，Y0)比较，求差值(ΔX2＝X″-X0，ΔY2＝Y″-Y0)得到光束的偏移量(ΔX2，ΔY2)。

所述数据处理程序中使用的mcaget()和mcaput()命令是EPICS和Matlab的交互命令，由EPICS本身提供，其余的数据处理过程均是在Matlab下的编程。

所述界面监控程序EDM包括能量计显示、开关控制和数据存档界面，能量计显示使用EDM的moniotr→text update控件来显示值，能量计的开关使用control→message button控件来控制，数据存档使用control→shell command控件来保存数据到指定位置，每个控件通过设置变量名和每个能量计联系起来，这时能量计显示、开关控制界面完成；网络CCD开关控制、图像显示界面，CCD的开关使用control→message button控件来控制，图像显示使用动态图像显示控件，每个控件通过设置变量名和每个网络CCD联系起来，这时网络CCD开关控制、图像显示界面完成；步进电机开关控制、运动步数、方向、速度界面，有自动和手动控制界面两种选择方式，自动控制中，使用control→shell command控件调用所编写的Matlab数据处理程序，完成自动控制和图像数据保存，手动控制是粗调节，手动控制中，步进电机开关使用control→message button控件来控制，运动步数、方向、速度均使用control→text control控件来设置参数，每个控件也是通过设置变量名和每个步进电机联系起来，这时步进电机的控制界面完成。

所述的硬件设备由多台能量计监控计算机20、多台步进电机和网络CCD监控计算机21、服务器22、核心交换机23、光纤光缆24、第一主干交换机25和第二主干交换机26、多个步进电机和网络CCD组29、30等、多个能量计组27、28等组成。所述能量计监控计算机20、步进电机和网络CCD监控计算机组21与服务器22之间通过千兆以太网连接，核心交换机23和第一主干交换机25、第二主干交换机26之间通过万兆的光纤光缆连接，第二主干交换机26和多个步进电机和网络CCD组29、30等之间通过千兆的以太网连接，第一主干交换机25和多个能量计组27、28等之间通过百兆的以太网连接。所述光纤光缆24有效连接长度在300米以内，所述以太网有效连接长度在100米以内，均满足远程控制和数据交互的要求。

所述的多个步进电机和网络CCD组29、30等负责光束的准直，包括十个以上的步进电机和网络CCD组，例如第一步进电机和网络CCD组29，如图5，包括两台以上网络CCD39、40等和步进电机控制器41，该步进电机控制器41控制四台以上步进电机42、43、44、45等，步进电机均与步进电机控制器连接，设置所述步进电机和网络CCD组29、30等中每个步进电机控制器、网络CCD的IP地址，所述步进电机和网络CCD组29、30等能够根据准直系统的发展，扩展和增加子设备模块，达到可扩展的要求。

所述能量计组27、28等负责光束能量的采集，包括八个以上的子模块，这里只列举其中一个子设备模块27(如图4)，包括协议转换器31、能量计控制器32和能量计33～38，协议转换器为RS232串口转网口转换器，每个能量计控制器32连接六个能量计33～38，设置所述能量计组27、28等中每个能量计控制器的IP地址和每个能量计的端口号，所述能量计组能根据测量系统的需要，扩展和增加子设备模块，达到可扩展的要求。

所述的EPICS主程序和监控软件安装已经成功，EPICS的运行环境已经建立，IOC已经开始进行数据交换和处理，监控平台已经能够对网络CCD、步进电机和能量计进行监控和报警处理，所述的硬件设备连接完成之后，整个装置的软件和硬件配置均已完成，所述一种基于EPICS(Experimental Physics and Industrial ControlSystem实验物理与工业控制软件)分布式系统的高功率激光装置中光束准直控制和能量测量模块的远程集成测控装置的运行，包括如下步骤：

①首先，打开所有计算机监控平台、打开服务器22，开始运行Linux系统，所有的硬件设备均接通电源；

②打开服务器22中的所有步进电机、网络CCD和能量计的启动脚本文件，初始化步进电机和网络CCD组29、30等、能量计组22、28等中的每一个子模块，打开能量计监控计算机20、步进电机和网络CCD监控计算机21，开始运行报警程序、数据处理程序和界面监控程序，这时输入输出实时数据库已经开始运行，数据库文件中的所有数据变量开始根据数据协议文件和底层的步进电机、网络CCD、能量计开始数据交互；

③能量计监控计算机20中监控所有的能量计的采集数据，并提供报警和数据保存功能，同时可以自动控制能量计的开关状态；

步进电机和网络CCD组监控计算机21监控所有的网络CCD采集的图像，步进电机运行方向、速度、步数、状态等，有自动控制和手动控制功能，点击自动控制，可以根据CCD的图像处理结果，得到光束偏移量，计算出步进电机的运动方向和步数，驱动步进电机进行调整直到准直；点击手动控制，可以通过手动设置步进电机的运动方向、步数和速度初步调整光束；同时对步进电机的限位开关状态进行报警功能。

综上所述，本装置能够实现光束准直模块和能量测量模块的远程测量和控制，集成化和自动化程度高。具有运行稳定、系统结构灵活、很好的可扩展性和数据共享等优点。

Claims (3)

1.一种用于高功率激光装置的光束准直和能量测量的远程测控装置，由EPICS软件和测控设备两部分组成，其特征在于：

所述的EPICS的软件包含计算机的EPICS主程序和监控软件，所述的EPICS主程序是运行于服务器(22)的核心程序，包括实现与测控设备的通讯控制，负责所有的数据管理、数据处理和数据连接的文件；包括IOC的启动脚本文件(.cmd文件)，载入数据库文件.dbd文件(14)、载入数据记录文件.db文件(15)、载入数据协议文件.protocol文件(16)、配置参数(17)、初始化IOC(18)、运行IOC(19)，所述.db文件(15)是所需要的所有数据变量：包括能量计的显示值、能量计开关状态；步进电机的正反运动状态、运动步数、速度、限位开关状态；网络CCD的采集状态、采集模式、图像数据，数据变量的名称；所述protocol文件(16)是所述IOC和硬件设备通信的协议文件，所述的步进电机、网络CCD和能量计均有各自的.db文件、.protocol文件和.cmd文件；监控软件主要是OPI，由报警程序、数据处理程序和界面监控程序组成：所述的报警程序包括对能量计(2)的能量计示数报警(3)和步进电机(6)的步进电机限位状态报警(7)；所述的数据处理程序，EPICS提供了Matlab的数据访问接口，图像数据的处理和保存都在Matlab中进行，图像处理过程包括对网络CCD图像数据(9)进行阈值处理(11)得到图像中心位置，再计算偏移量(12)得到步进电机的运动步数和方向，最后驱动步进电机运动(13)；所述的界面监控程序包括对能量计(2)的示数监控(4)、对能量计(2)的开关状态监控(5)、对步进电机(6)的正反运动状态，运动步数和速度监控(8)、对网络CCD图像数据(9)的监控(10)；所述的测控设备由能量计监控计算机(20)、步进电机和网络CCD监控计算机(21)、服务器(22)、核心交换机(23)、光纤光缆(24)、2个以上主干交换机(25、26)、2个以上步进电机和网络CCD组(27、28)、2个以上能量计组(29、30)组成，所述的2个以上主干交换机分别与步进电机和网络CCD组(29、30)和所述的能量计组(29、30)相连，所述的能量计监控计算机(20)、步进电机和网络CCD监控计算机(21)与所述的服务器(22)之间通过千兆以太网连接，所述的核心交换机(23)和所述的2个以上主干交换机(25、26)之间通过万兆的光纤光缆(24)连接，第一主干交换机(25)与所述的2个以上能量计组(27、28)之间和第二主干交换机(26)与所述的2个以上步进电机和网络CCD组(29、30)之间均通过千兆的以太网连接；

所述的步进电机和网络CCD组(29、30)执行光束准直任务，所述多个能量计组(27、28)，执行光束能量测量任务。

2.根据权利要求1所述的光束准直和能量测量的远程测控装置，其特征在于：每个步进电机和网络CCD组(29)，包括一个步进电机控制器(41)和2个以上的网络CCD(39、40)，所述的步进电机控制器(41)控制多台步进电机(42、43、44、44)的运动。

3.根据权利要求1所述的光束准直和能量测量的远程测控装置，其特征在于：每个能量计组(27)，包括一个RS232串口转网口协议转换器(31)连接一台能量计控制器(32)，该能量计控制器(32)连接并控制多台能量计(33、34～38)的工作。

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