CN105450726B - 一种基于c/s模式的光源性能监测控制系统 - Google Patents

一种基于c/s模式的光源性能监测控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于C/S模式的光源性能监测控制系统，包括设备层、设备控制层和前端监控层，设备控制层通过网络层和前端监控层相连；所述设备层包括多个依次连接构成脉冲光纤激光器的光路的被控设备，每个被控设备接收并执行设备控制层下发的指令，同时监测被控设备的状态信息，并上传给设备控制层；所述设备控制层作为主控设备对设备层的设备完成本地监控，同时作为被控设备接收从前端监控层下发的控制或查询指令，转发给设备层，并将监控数据通过网络层发送给前端监控层；所述前端监控层采用数据库模块存储监控数据，通过GUI模块对设备层进行远程监控。本发明能够方便地对任意波长的光源进行整形调制，易于实现光源性能的远程监控。

Description

一种基于C/S模式的光源性能监测控制系统
技术领域
本发明涉及一种光源监测控制系统，尤其涉及一种基于C/S模式的光源性能监测控制系统。
背景技术
激光的出现是20世纪最重大的科学技术成就之一，它的发展将人类从电子时代推向了光子时代，并在工业与科学研究中发挥了巨大的作用。与传统的激光器相比，光纤激光器的光束质量、光传递特性、散热、可靠性和体积功耗等都有很大的优势，此外，由于光纤制造成本的降低和易于实现流水化及大批量生产等特点，光纤激光器越来越受到人们的重视。对于连续工作的光纤激光器，光纤作为增益介质，可采用结构简单的F-P腔光路结构，但其输出的功率密度和峰值功率相对脉冲光纤激光器较低，脉冲工作的光纤激光器将会更为实用。相比于连续输出的光线激光器，脉冲光纤激光器具有峰值功率高、重复频率高、能更好的与物质相互作用等优点，广泛的应用于激光印刷、激光打标、非线性频率变换、激光雷达、光时域反射计(OTDR)以及激光测距等领域。
目前市面上的脉冲光纤激光器，其脉宽、带宽以及重复频率等较为单一，无法实现连续可调，并不具备脉冲任意整形的能力。此外，为了要达到一定的脉冲能量，在放大过程中就造成了信号的信噪比降低和畸变，并且热功耗增大。同时，一些脉冲光纤激光器的特殊应用场合，如在惯性约束核聚变装置中等电磁辐射较为严重的场所，操作人员必须要在机房远程操作脉冲光纤激光器，实现安全隔离。另外，作为高功率系统，要实时进行监测，在出现异常情况时，要能自动关断输出，防止出现意外。
由上可见，现有的脉冲光纤激光器，不具备脉冲任意整形的能力；传输放大过程中，信号易发生畸变；不能对激光器参数进行实时监测和控制，安全性没有保障；不能进行远程操作，应用场合受到限制。因此，研制出一种解决上述问题的脉冲光纤激光器具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于C/S模式的光源性能监测控制系统，能够方便地对任意波长的光源进行整形调制，易于实现光源性能的远程监测及控制。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种基于C/S模式的光源性能监测控制系统，包括设备层、设备控制层和前端监控层，其中，所述设备层通过串行总线和设备控制层相连，所述设备控制层通过网络层和前端监控层相连；所述设备层包括多个被控设备，所述多个被控设备依次连接构成脉冲光纤激光器的光路，每个被控设备接收并执行设备控制层下发的指令，同时监测被控设备的状态信息，并上传给设备控制层；所述设备控制层作为主控设备对设备层的设备完成本地监控，同时作为被控设备接收从前端监控层下发的控制或查询指令，转发给设备层，并将监控数据通过网络层发送给前端监控层；所述前端监控层采用数据库模块存储监控数据，通过GUI模块对设备层进行远程监控。
上述的基于C/S模式的光源性能监测控制系统，其中，所述设备层包括通过RS-485总线依次相连的单纵横激光器、幅度调制器、相位调制器、第一宽带放大器、第一声光开关、第二宽带放大器、第二声光开关和功率放大器，所述设备层各设备与上层设备控制层构成RS-485网络。
上述的基于C/S模式的光源性能监测控制系统，其中，所述设备控制层包括上位机控制命令收发模块、设备层数据采集模块、设备层数据解析模块和可视化操作界面模块；所述上位机控制命令收发模块接收来自前端监控层的数据采集和参数设置命令，对指定的设备层设备进行数据采集和参数设置，并将结果及时反馈给前端监控层；所述设备层数据采集模块分为广播采集设备基本信息和轮询采集设备数据信息，采集指令采用485协议，采集回来的信息保存在本地的HashTable里，本地的HashTable分为基本信息和数据信息两大类；所述设备层数据采集模块还将来自可视化操作界面模块的设置指令，从本地的HashTable中取出来，并通过RS-485总线发送给设备层各设备；所述设备层数据解析模块对采集到的在线设备的数据信息进行解析，并与标准数据进行比对，判断数据是否正常，当出现越界情况时，发送对应告警消息给前端监控层；所述可视化操作界面模块在本地对设备层设备进行监测和控制，定时从数据信息HashTable中取出对应设备的参数信息进行显示，并通过触摸屏接收对各设备的设置命令。
上述的基于C/S模式的光源性能监测控制系统，其中，所述广播采集设备基本信息包括：以预定的周期对各个设备发送广播消息，设备收到广播消息后，应答对应设备类型编码、设备出厂信息，将此信息与HashTable中的设备信息进行比对，并将数据封装成KeepAlive心跳包发送给前端监控层；若HashTable中不存在某设备信息，则判断该设备为新接入设备，并将其设备类型和出厂信息存入HashTable中；若HashTable存在该设备信息，则判断该设备依旧在线；若HashTable本来存在该设备，但是重发几次广播采集命令仍未收到设备回复信息，则判断该设备已经掉线并删除HashTable中该设备的信息，同时由可视化操作界面模块显示掉线告警信息；在将定期采集的数据信息和HashTable中的信息进行比对的同时，所述上位机控制命令收发模块用KeepAl ive心跳包的形式，将设备在线信息发送给设备控制层。
上述的基于C/S模式的光源性能监测控制系统，其中，所述轮询采集设备数据信息包括：采用轮询的方式对基本信息HashTable中已有的前端设备进行参数查询，并将这些数据存于本地的数据信息HashTable中；由上位机控制命令收发模块从此HashTable中取数据，并将其封装成Json串，定期发送给前端监控层。
上述的基于C/S模式的光源性能监测控制系统，其中，所述前端监控层包括GUI模块、网关功能模块、数据库模块、Json数据处理模块以及TCP/IP协议栈模块，所述Json数据处理模块位于网关功能模块和网络层之间，将各种监控信息转换为Json串，并通过TCP/IP协议栈模块进行传输；所述网关功能模块对上分别与GUI模块和数据库模块交换数据，对下与设备控制层交换数据实现对设备层的性能监控、故障监控和拓扑发现；所述GUI模块定期与数据库模块交换数据，实现多种历史信息的查询与显示。
上述的基于C/S模式的光源性能监测控制系统，其中，所述数据库模块包含：“当前在线设备表”、“当前在线设备参数表”、“当前在线设备告警表”、“历史告警表”和“历史设备参数表”，所述网关功能模块监测到新设备上线，则向“当前在线设备表”写入新的设备类型和出厂号，并将设备参数信息定时写入“当前在线设备参数表”，若发现告警，则将告警信息写入“当前在线设备告警表”；所述网关功能模块监测到设备掉线，则将“当前在线设备表”里的该设备信息删除，并将该设备的各项参数信息写入“历史设备参数表”。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的基于C/S模式的光源性能监测控制系统，通过设置设备层、设备控制层和前端监控层，采用串行总线和以太网分层结构，能够方便地对任意波长的光源进行整形调制，易于实现光源性能的远程监测及控制。
附图说明
图1为本发明基于C/S模式的光源性能监测控制系统架构示意图；
图2为本发明设备控制层的数据流向示意图；
图3为本发明前端监控层各模块架构示意图；
图4为本发明设备控制层的控制界面示意图；
图5为本发明前端监控层控制界面示意图；
图6为本发明单个设备操作界面示意图；
图7为本发明调制出的高斯形光脉冲示意图；
图8为本发明调制出的马鞍形光脉冲示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明基于C/S模式的光源性能监测控制系统架构示意图。
请参见图1，本发明提供的基于C/S模式的光源性能监测控制系统，由设备层、设备控制层、网络层、前端监控层四部分构成，各层的主要功能及实现如下：
(1)设备层
设备层由被控设备组成，分别为DFB、幅度调制器、相位调制器、第一宽带放大器、第一声光开关、第二宽带放大器、第二声光开关和功率放大器，各设备之间顺序连接，构成脉冲光纤激光器的光路。每个设备都由一块C8051F005芯片控制，接收并执行设备控制层下发的指令，同时监测设备的状态信息，并上传给设备控制层设备。设备层各设备之间通过RS-485总线连接，与上层设备控制层构成RS-485网络。
(2)设备控制层
设备控制层由一个嵌入式控制器构成，其主控芯片是AMD Geode LX800处理器，外部支持RS-485、以太网、7寸LCD触摸屏，并挂载了WinCE 6.0操作系统。嵌入式控制器一方面是主控设备，另一方面也是被控设备。作为主控设备，嵌入式控制器通过RS-485与设备层设备构成485网络，并且可以通过触摸屏，对设备层设备完成本地监控，即进行状态信息查询和参数控制等操作。作为被控设备，嵌入式控制器接收从前端监控层下发的控制或查询指令，解析之后，再通过485网络，转发给设备层设备，同时，嵌入式控制器通过以太网，将监控数据通过网络层设备，发送给前端监控层。
嵌入式控制器使用.NET框架进行开发，采用c#语言实现，所以WinCE操作系统需要安装.NET2.0以上的版本。嵌入式控制器软件分为四大功能模块：上位机控制命令收发模块、设备层数据采集模块、设备层数据解析模块、可视化操作界面模块。
1)上位机控制命令收发模块
上位机控制命令收发模块可以接收来自前端监控层的数据采集和参数设置命令，对指定的设备层设备进行数据采集和参数设置，并将结果及时的反馈给前端监控层。此模块采用TCP/IP协议，传输内容采用Json字符串。
2)设备层数据采集模块
设备层数据采集模块分为广播采集设备基本信息和轮询采集设备数据信息，采集指令采用RS485协议，采集回来的信息都保存在本地的HashTable里，本地的HashTable分为基本信息和数据信息两大类。
a)广播采集设备基本信息
以一定的周期来对各个设备发送广播消息，设备收到广播消息后，应答对应设备类型编码、设备出厂信息，并将此信息与HashTable中的设备信息进行比对，并将数据封装成KeepAl ive心跳包发送给前端监控层。若HashTable中不存在某设备信息，则判断该设备为新接入设备，并将其设备类型和出厂信息存入HashTable中；若HashTable存在该设备信息，则判断该设备依旧在线。若HashTable本来存在该设备，但是重发几次广播采集命令仍未收到设备回复信息，则判断该设备已经掉线并删除HashTable中该设备的信息，同时，由可视化操作界面模块显示掉线告警信息。在将定期采集的数据信息和HashTable中的信息进行比对的同时，上位机控制命令收发模块用KeepAlive心跳包的形式，将设备在线信息发送给设备控制层。
b)轮询采集设备数据信息
采用轮询的方式对基本信息HashTable中已有的前端设备进行参数查询，并将这些数据存于本地的数据信息HashTable中。由上位机控制命令收发模块从此HashTable中取数据，并将其封装成Json串，定期发送给前端监控层。
设备层数据采集模块还将可视化操作界面和上位机的设置指令，从本地的HashTable中取出来，并通过RS-485总线发送给设备层各设备。
3)设备层数据解析模块
设备层数据解析模块对采集到的在线设备的数据信息进行解析，并与标准数据进行比对，判断数据是否正常，当出现越界情况时，发送对应告警消息给前端监控层。
4)可视化操作界面模块
可视化操作界面模块在本地对设备层设备进行监测和控制，定时从数据信息HashTable中取出对应设备的参数信息，显示到嵌入式控制器驱动的LCD触摸屏上，同时用户可以通过触摸屏对各设备进行设置。
通过以上四个模块，嵌入式控制器完成了对设备层的本地监控，并将485总线数据转换成标准TCP/IP数据帧，为远程监控打下了基础。嵌入式控制器的数据流方向如图2所示。
(3)网络层
网络层采用以太网交换机将网络划分为若干个网段。以太网交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生数据碰撞。同时交换机还可对网络上传输的数据进行包过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。
(4)前端监控层
前端监控层软件同样使用.NET进行开发，采用c#语言实现，操作系统需安装.NET2.0以上的版本；数据库采用开放的关系型数据库MySQL，使用结构化查询语言(SQL)进行数据库管理。
前端监控层软件由GUI模块(图形用户接口)、网关功能模块、数据库模块、Json数据处理模块及TCP/IP协议栈模块组成，各模块之间的关系如图3所示。
用户通过GUI模块与网关功能模块交换数据，对设备进行监测与控制；与数据库模块交换数据，实现多种历史信息的查询与显示。
网关功能模块，对上分别与GUI模块和数据库模块交换数据，对下与嵌入式控制器交换数据，从而实现对设备层的性能监控、故障监控和拓扑发现等功能。
数据库模块包含5张表单，分别为“当前在线设备表”、“当前在线设备参数表”、“当前在线设备告警表”、“历史告警表”、“历史设备参数表”。网关功能模块监测到新设备上线，就向“当前在线设备表”写入新的设备类型和出厂号，并将设备参数信息定时写入“当前在线设备参数表”，若发现告警，则将告警信息写入“当前在线设备告警表”；网关功能模块监测到设备掉线，则将“当前在线设备表”里的该设备信息删除，并将该设备的各项参数信息写入“历史设备参数表”。GUI模块定期与数据库模块交换数据，实现多种历史信息的查询与显示。
Json数据处理模块位于网关功能模块和网络层之间，将各种监控信息转换为Json串，通过TCP/IP进行传输。
TCP/IP协议栈模块，完成802.3以太网物理层、数据链路层功能、IP传输层功能、TCP/UDP网络层功能，实现IP通信处理能力，用于承载Json业务信息。
上述模块开发完成后，前端监控层就可以通过以太网与嵌入式控制器进行数据交互，这样用户就可以通过GUI软件实现对设备层的远程监控。在本系统里，设备层设备就是脉冲光纤激光器的各个部件。
本发明提供的光源性能监测控制系统，基于C/S模式，采用RS485总线和以太网分层结构，可以对任意波长的光源性能进行监测及控制的系统。不仅可以通过嵌入式控制器的触摸屏，进行本地监控，还可以通过前端监控层的软件界面实现远程监控。嵌入式控制器控制界面如图4所示，前端监控层控制界面如图5所示，单个设备的操作界面如图6所示。
本发明在单纵模激光器后，采用幅度调制器进行时域的整形，然后经过相位调制器进行单频光展宽，再通过两级预放和两级声光开关进行信号预放大和信噪比提升，最后经过功率放大器进行能量提升。由于此过程中，每个部件都是可以单独通过嵌入式控制器和前端监控层进行监测和控制的，所以本本系统具备了任意整形的能力。在传输放大过程中，系统加入了稳功率反馈控制、温度反馈控制，并用声光开关进行了信噪比提升，系统的各个参数都可以进行监控和实时调整，出现异常情况会及时告警通知用户，所以信号不会发生畸变，而且热功耗不大。另外，由于基于RS-485总线和以太网分层结构，所以本发明的应用范围大大拓展，安全性也得到了保障，不仅可以进行本地操作，还可以进行远程操作。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种基于C/S模式的光源性能监测控制系统，包括设备层、设备控制层和前端监控层，其特征在于，所述设备层通过串行总线和设备控制层相连，所述设备控制层通过网络层和前端监控层相连；
所述设备层包括多个被控设备，所述多个被控设备依次连接构成脉冲光纤激光器的光路，每个被控设备接收并执行设备控制层下发的指令，同时监测被控设备的状态信息，并上传给设备控制层；
所述设备控制层作为主控设备对设备层的设备完成本地监控，同时作为被控设备接收从前端监控层下发的控制或查询指令，转发给设备层，并将监控数据通过网络层发送给前端监控层；所述设备控制层包括上位机控制命令收发模块、设备层数据采集模块、设备层数据解析模块和可视化操作界面模块；其中：
所述上位机控制命令收发模块接收来自前端监控层的数据采集和参数设置命令，对指定的设备层设备进行数据采集和参数设置，并将结果及时反馈给前端监控层；
所述设备层数据采集模块分为广播采集设备基本信息子模块和轮询采集设备数据信息子模块，采集指令采用485协议，采集回来的信息保存在本地的HashTable里，本地的HashTable分为基本信息和数据信息两大类；所述设备层数据采集模块还将来自可视化操作界面模块的设置指令，从本地的HashTable中取出来，并通过RS-485总线发送给设备层各设备；
所述设备层数据解析模块对采集到的在线设备的数据信息进行解析，并与标准数据进行比对，判断数据是否正常，当出现越界情况时，发送对应告警消息给前端监控层；
所述可视化操作界面模块在本地对设备层设备进行监测和控制，定时从数据信息HashTable中取出对应设备的参数信息进行显示，并通过触摸屏接收对各设备的设置命令；
所述前端监控层采用数据库模块存储监控数据，通过GUI模块对设备层进行远程监控。
2.如权利要求1所述的基于C/S模式的光源性能监测控制系统，其特征在于，所述设备层包括通过RS-485总线依次相连的单纵横激光器、幅度调制器、相位调制器、第一宽带放大器、第一声光开关、第二宽带放大器、第二声光开关和功率放大器，所述设备层各设备与上层设备控制层构成RS-485网络。
3.如权利要求1所述的基于C/S模式的光源性能监测控制系统，其特征在于，所述广播采集设备基本信息包括：以预定的周期对各个设备发送广播消息，设备收到广播消息后，应答对应设备类型编码、设备出厂信息，将此信息与HashTable中的设备信息进行比对，并将数据封装成KeepAlive心跳包发送给前端监控层；若HashTable中不存在某设备信息，则判断该设备为新接入设备，并将其设备类型和出厂信息存入HashTable中；若HashTable存在该设备信息，则判断该设备依旧在线；若HashTable本来存在该设备，但是重发几次广播采集命令仍未收到设备回复信息，则判断该设备已经掉线并删除HashTable中该设备的信息，同时由可视化操作界面模块显示掉线告警信息；在将定期采集的数据信息和HashTable中的信息进行比对的同时，所述上位机控制命令收发模块用KeepAlive心跳包的形式，将设备在线信息发送给设备控制层。
4.如权利要求1所述的基于C/S模式的光源性能监测控制系统，其特征在于，所述轮询采集设备数据信息包括：采用轮询的方式对基本信息HashTable中已有的前端设备进行参数查询，并将这些数据存于本地的数据信息HashTable中；由上位机控制命令收发模块从此HashTable中取数据，并将其封装成Json串，定期发送给前端监控层。
5.如权利要求1所述的基于C/S模式的光源性能监测控制系统，其特征在于，所述前端监控层包括GUI模块、网关功能模块、数据库模块、Json数据处理模块以及TCP/IP协议栈模块，所述Json数据处理模块位于网关功能模块和网络层之间，将各种监控信息转换为Json串，并通过TCP/IP协议栈模块进行传输；所述网关功能模块对上分别与GUI模块和数据库模块交换数据，对下与设备控制层交换数据实现对设备层的性能监控、故障监控和拓扑发现；所述GUI模块定期与数据库模块交换数据，实现多种历史信息的查询与显示。
6.如权利要求5所述的基于C/S模式的光源性能监测控制系统，其特征在于，所述数据库模块包含：“当前在线设备表”、“当前在线设备参数表”、“当前在线设备告警表”、“历史告警表”和“历史设备参数表”，所述网关功能模块监测到新设备上线，则向“当前在线设备表”写入新的设备类型和出厂号，并将设备参数信息定时写入“当前在线设备参数表”，若发现告警，则将告警信息写入“当前在线设备告警表”；所述网关功能模块监测到设备掉线，则将“当前在线设备表”里的该设备参数信息删除，并将该设备的各项参数信息写入“历史设备参数表”。
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