吳文慶 羅明誠(chéng) 劉佳靖 唐鵬毅 王 堅(jiān)

（核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系，安徽省物理電子學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230026）

FAST主動(dòng)反射面控制系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)控制器記錄的設(shè)計(jì)

吳文慶 羅明誠(chéng) 劉佳靖 唐鵬毅 王 堅(jiān)

（核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系，安徽省物理電子學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230026）

主動(dòng)反射面是FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)重大創(chuàng)新之一，其性能將直接關(guān)系到整個(gè)望遠(yuǎn)鏡的性能，因此主動(dòng)反射面的控制需要一個(gè)實(shí)時(shí)高效的控制系統(tǒng)。基于EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System)的輸入輸出控制器(Input/Output Controller, IOC)框架，充分利用EPICS的實(shí)時(shí)性，根據(jù)FAST反射面的控制節(jié)點(diǎn)達(dá)2 000多個(gè)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了新的記錄類型——節(jié)點(diǎn)控制器記錄，以便于控制器節(jié)點(diǎn)IOC的管理以及提高代碼的復(fù)用，并針對(duì)FAST主動(dòng)反射面密云模型對(duì)實(shí)際裝置進(jìn)行了仿真、設(shè)計(jì)和部分測(cè)試。

500米單口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡(FAST)，EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System)，記錄設(shè)計(jì)，輸入輸出控制器(Input/Output Controller, IOC)

五百米單口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡(Fivehundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)[1]是我國(guó)正在建造的世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。利用貴州的喀斯特洼坑地形，在洼坑內(nèi)鋪設(shè)直徑500 m的球冠狀望遠(yuǎn)鏡反射面，反射面由三角形的反射面單元拼湊而成，通過主動(dòng)控制在反射面上形成局部拋物面以匯聚電磁波。

FAST反射面索網(wǎng)安裝在外圍圈梁(圖1)，原型有2300個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過節(jié)點(diǎn)在索網(wǎng)上安裝4600塊反射面單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)下方連接下拉索和促動(dòng)器裝置，促動(dòng)器再與地錨連接。這2300個(gè)節(jié)點(diǎn)將分為10-12個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)有一個(gè)區(qū)域控制柜，各分區(qū)之間采用以太網(wǎng)連接。

圖1 主動(dòng)反射面結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of active reflector.

主動(dòng)反射面控制系統(tǒng)的目標(biāo)是由反射面主控機(jī)和2300個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器組成高速、可靠的通信控制網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)反射面主機(jī)發(fā)出的指令沿球面法線方向調(diào)整到正確的位置，照明區(qū)域局部實(shí)現(xiàn)球面反射面擬合成瞬時(shí)拋物面。反射面形成拋物面的性能直接關(guān)系到整個(gè)望遠(yuǎn)鏡的工作性能。

EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System)[2]是開源軟件，用戶遍布全球，其優(yōu)良的性能在眾多用戶的使用中已得到驗(yàn)證。使用EPICS系統(tǒng)對(duì)FAST主動(dòng)反射面控制系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)架，如圖2所示，整個(gè)反射面控制分為三層：最上層為反射面主控層(Active Reflector System Master, ARS Master)；中間層為區(qū)域控制層(ACU-Area Control Unit)，即EPICS核心使用層；最底層為節(jié)點(diǎn)控制層(Control Node)。

節(jié)點(diǎn)控制層由智能節(jié)點(diǎn)控制器組成，一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)可以控制一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器都是一塊基于ARM的控制板，控制板上連接節(jié)點(diǎn)電機(jī)，這樣節(jié)點(diǎn)控制板就可以接收指令并控制電機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)、停止、狀態(tài)的反饋及自動(dòng)觀測(cè)等功能。

圖2 基于EPICS的反射面控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of EPICS based active reflector control system.

幾百個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器組成一個(gè)區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域由一個(gè)區(qū)域控制單元來控制。整個(gè)2300個(gè)節(jié)點(diǎn)，共分成10個(gè)區(qū)域，因此有10個(gè)區(qū)域控制單元，每個(gè)控制單元設(shè)計(jì)一個(gè)輸入輸出控制器(Input/Output Controller, IOC)來進(jìn)行控制，這樣一個(gè)IOC控制200多個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在基于EPICS的FAST望遠(yuǎn)鏡的反射面控制研究中[3]，采用官方設(shè)計(jì)的記錄(Record)類型，實(shí)際每個(gè)節(jié)點(diǎn)的PV(Process Variable)數(shù)目有23個(gè)。同時(shí)FAST原型中主動(dòng)反射面的節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，為了使每個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制PV量一致，因此設(shè)計(jì)一個(gè)適用于FAST項(xiàng)目的節(jié)點(diǎn)控制器記錄，減少PV量的數(shù)量，便于控制器節(jié)點(diǎn)IOC的管理以及提高代碼的復(fù)用。

1 節(jié)點(diǎn)控制器記錄設(shè)計(jì)

在EPICS的IOC設(shè)計(jì)[4]中，節(jié)點(diǎn)控制的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。區(qū)域控制器(ACU)是基于EPICS框架的節(jié)點(diǎn)IOC，通過以太網(wǎng)（現(xiàn)場(chǎng)總線/485總線）與節(jié)點(diǎn)控制器連接，通過EPICS CA總線與反射面主控通信。負(fù)責(zé)接收主控的指令及參數(shù)并發(fā)送給節(jié)點(diǎn)控制器，并接收節(jié)點(diǎn)控制器的反饋數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息。

IOC中需要修改的文件和程序包含數(shù)據(jù)庫文件、記錄支持、設(shè)備支持三個(gè)主要部分，因此設(shè)計(jì)一個(gè)新的記錄，首先需要設(shè)計(jì)記錄的定義和支持，然后根據(jù)記錄處理方式實(shí)現(xiàn)記錄支持。最后根據(jù)設(shè)備的通信協(xié)議和方式，定義設(shè)備支持加入到IOC軟件中。

圖3 節(jié)點(diǎn)控制器IOC結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of node controller IOC.

1.1 記錄定義

記錄的定義保存在nodeRecord.dbd文件中，其中包含記錄的名稱和記錄的域(field)，以及每個(gè)域的相關(guān)屬性。它的基本格式如下：

menu(name) {

choice(choice_name,"choice_value")

}

recordtype(record_type) {

include "filename"

field(field_name,field_type) {

#訪問安全級(jí)別

asl(asl_level)

#初始化的值

initial("init_value")

#對(duì)域分類

promptgroup(gui_group)

#對(duì)該域的描述

prompt("prompt_value")

#是否需要special函數(shù)處理

special(special_value)

#定義是否能夠通過CA來處理該域

pp(pp_value)

#只在shell命令行中用于指令dbpr

interest(interest_level)

#對(duì)整型數(shù)據(jù)的進(jìn)制說明

base(base_type)

#當(dāng)域?yàn)樽址愋蜁r(shí)，必須提供大小

size(size_value)

#只用于類型為DBF_NOACCESS的類型

extra("extra_info")

#需要定義相應(yīng)menu選項(xiàng)，選取相應(yīng)的值

menu(name)

}

record_type記錄類型是記錄的唯一的名字，在節(jié)點(diǎn)控制器記錄中，定義為node。EPICS的記錄一般都會(huì)包含“dbCommon.dbd”，此文件包含一些適用于所有記錄類型的域。

記錄的定義需要為記錄設(shè)計(jì)有用的域，而且域需要選擇相應(yīng)的參數(shù)，以便在IOC工程中處理記錄的相關(guān)域，node記錄的域如表1所示。節(jié)點(diǎn)控制器記錄將節(jié)點(diǎn)控制器的控制量全部轉(zhuǎn)化為其相應(yīng)的域，且包含報(bào)警所需要的域。

表1 域列表Table1 Field table of node record.

每個(gè)域中都定義asl為ASL0，因?yàn)槎伎赡軙?huì)在運(yùn)行時(shí)改變其值，并且pp設(shè)置為TRUE，這樣在Channel Access中能夠觸發(fā)PV量的域。另外需要將Special設(shè)置為SPC_MOD，當(dāng)節(jié)點(diǎn)域被觸發(fā)時(shí)，會(huì)調(diào)用記錄支持程序中的Special函數(shù)，在Special函數(shù)中解析出哪個(gè)域觸發(fā)后，將其標(biāo)志位域置為相應(yīng)的標(biāo)識(shí)量。

1.2 記錄支持

記錄支持主要用于記錄被觸發(fā)時(shí)，包含初始化函數(shù)和觸發(fā)處理函數(shù)。記錄支持程序保存在nodeRecord.c文件中。該支持定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體RSET (record support entry table)，名字必須是RSET。結(jié)構(gòu)體中定義一系列的記錄處理函數(shù)，其中包含重要的記錄處理函數(shù)(process)，process是IOC中的核心函數(shù)，其他不需要的函數(shù)可以直接定義為NULL或直接不定義。

在記錄支持中還會(huì)定義一個(gè)與設(shè)備交互的結(jié)構(gòu)體DSET (device support entry table)，定義了在記錄支持中被調(diào)用的一些函數(shù)，需要在設(shè)備支持文件中實(shí)現(xiàn)。如下所示：

rset nodeRSET={

RSETNUMBER,

report,

initialize,

init_record,

process,

special,

};

epicsExportAddress(rset,nodeRSET);

typedef struct nodedset { /* node record dset */

long number;

DEVSUPFUN dev_report;

DEVSUPFUN init;

DEVSUPFUN init_record;

DEVSUPFUN get_ioint_info;

DEVSUPFUN write;

}nodedset;

記錄支持結(jié)構(gòu)體中init_record函數(shù)會(huì)在IOC工程初始化中被調(diào)用兩次，參數(shù)pass為0是第一次調(diào)用，pass為1時(shí)是第二次。初始化函數(shù)中檢查記錄的DSET是否定義，且DSET的參數(shù)項(xiàng)是否正確，包括DSET結(jié)構(gòu)體的數(shù)目和操作I/O的函數(shù)。最后會(huì)調(diào)用設(shè)備支持的init_record函數(shù)。

Special函數(shù)[5]也會(huì)被調(diào)用兩次。根據(jù)after的值來識(shí)別為第幾次調(diào)用。第一次調(diào)用在域值被改變之前，第二次調(diào)用則在之后。

Process函數(shù)在記錄被觸發(fā)時(shí)會(huì)被調(diào)用。該函數(shù)首先需要判斷DSET是否定義，然后檢驗(yàn)標(biāo)志位PACT查看該記錄是否正在被處理，否則調(diào)用記錄設(shè)備支持的I/O函數(shù)——write/read函數(shù)來和設(shè)備交互。最后檢查記錄的各個(gè)警報(bào)域查看記錄的模擬輸入量是否有報(bào)警，以及通知監(jiān)聽PV量的客戶端記錄的值是否有變化。如果記錄的報(bào)警位處于報(bào)警狀態(tài)或者記錄的值有變化，那么需要將消息發(fā)送給客戶端。域處理主要流程如圖4所示。

當(dāng)域的Special設(shè)置為SPC_MOD時(shí)，客戶端（如反射面主控）如果改變記錄的域值，IOC在記錄支持Special函數(shù)中解析哪一個(gè)域被觸發(fā)，然后將FLAG域置為相應(yīng)的標(biāo)識(shí)，設(shè)備支持根據(jù)FLAG值識(shí)別哪個(gè)域被觸發(fā)，然后將相應(yīng)的指令通過物理總線（以太網(wǎng)/現(xiàn)場(chǎng)總線）發(fā)送給控制板。

圖4 PV量域處理過程Fig.4 Field’s process of PV.

1.3 設(shè)備支持

設(shè)備支持文件devNode.c是對(duì)記錄支持文件中定義的DSET結(jié)構(gòu)體的實(shí)現(xiàn)。主要定義了初始化函數(shù)——NodeInitRecord和I/O操作函數(shù)——NodeWriteRead。DSET結(jié)構(gòu)體定義為：

struct DevARSLCUNode devARSLCUNode =

{

6,

NULL,

NodeInit,

NodeInitRecord,

NULL,

NodeWriteRead,

};

epicsExportAddress(dset, devARSLCUNode);

此結(jié)構(gòu)體定義需要與記錄支持文件定義的前后一致。NodeInit函數(shù)沒有任何操作，直接返回0；在NodeInitRecord函數(shù)中，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)記錄的ip地址和port端口域賦值。然后將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始化的域值存儲(chǔ)起來，作為節(jié)點(diǎn)的歷史信息。

在記錄支持處理域的流程中，最后一步是調(diào)用設(shè)備支持聲明的NodeWriteRead函數(shù)和設(shè)備進(jìn)行通信，因此，設(shè)備支持中最重要部分就是NodeWriteRead函數(shù)。

在NodeWriteRead函數(shù)中，首先通過記錄名字識(shí)別哪個(gè)節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)，然后再查看其標(biāo)志位域值FLAG，這樣就可以知道是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)的哪個(gè)域值改變了。然后生成對(duì)應(yīng)的控制板指令通過設(shè)備支持，如物理總線（以太網(wǎng)/現(xiàn)場(chǎng)總線）或USB驅(qū)動(dòng)等發(fā)送給控制板；也會(huì)接受設(shè)備上傳的信息并保存在IOC的PV量中，以便客戶端獲取設(shè)備的最新狀態(tài)值。

設(shè)備支持中處理域被觸發(fā)的具體流程如圖5所示。首先在設(shè)備支持文件NodeWriteRead函數(shù)中，根據(jù)觸發(fā)PV量的名稱及PV量的FLAG域，識(shí)別出被觸發(fā)的域及相應(yīng)節(jié)點(diǎn)；然后在發(fā)送命令的函數(shù)SendCmd()中轉(zhuǎn)化為需要發(fā)送給設(shè)備的指令以及參數(shù)；最后根據(jù)不同的指令通過不同的處理函數(shù)()函數(shù)調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，將不同的設(shè)備命令發(fā)送給設(shè)備或控制器。不同的部分位于不同的文件，增加了程序的擴(kuò)展性及可讀性。

圖5 設(shè)備支持域處理過程Fig.5 Field process of device support.

2 節(jié)點(diǎn)控制器記錄的應(yīng)用

在上述修改的基礎(chǔ)上，還需為IOC添加其他的程序，如：以太網(wǎng)連接socket的創(chuàng)建和連接、socket的消息發(fā)送和接收等。IOC編寫完成后，即可編譯生成IOC程序可執(zhí)行文件。

在IOC工程中的Db目錄下創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫文件。記錄的名字采用宏的方式，這樣就可以在運(yùn)行時(shí)替換宏來控制不同節(jié)點(diǎn)，也可以在運(yùn)行文件中替換多次宏，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的控制。定義FAST的node記錄如下所示。

record(node, "ARS:$(NODE)")

{

#record描述信息

field(DESC, "node record")

#定義設(shè)備的類型

field(DTYP,"nodeRecordDevice")

#電機(jī)狀態(tài)初始化為NONE

field(MTOR,"NONE")

#Record的掃描方式，這里為0.5觸發(fā)一次

field(SCAN,".5 second")

}

根據(jù)密云的主動(dòng)反射面控制系統(tǒng)的研究，建立如圖2所示的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在區(qū)域控制器內(nèi)建立分支IOC，一個(gè)分支IOC控制一個(gè)分區(qū)內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)物理層的區(qū)分。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，利用IOC與節(jié)點(diǎn)模擬器通信，進(jìn)行功能測(cè)試，在終端中直接利用EPICS的CA命令來寫/讀/監(jiān)聽記錄的域，在反射面主控程序中利用EPICS的CA庫函數(shù)操作記錄的域。使用EPICS的擴(kuò)展庫EPCIS Qt[6]開發(fā)了反射面的主動(dòng)控制的用戶圖形界面(Graphical User Interface, GUI)，其中單節(jié)點(diǎn)調(diào)試界面由主界面輸入節(jié)點(diǎn)編號(hào)創(chuàng)建，可以使用該圖形界面友好的進(jìn)行單節(jié)點(diǎn)的調(diào)試和整體的測(cè)試運(yùn)行，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了與FAST密云模型的節(jié)點(diǎn)控制器仿真程序的互聯(lián)，進(jìn)行了單節(jié)點(diǎn)與整體的仿真測(cè)試和功能性測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的目的，能夠正確穩(wěn)定地發(fā)送和接受信息。運(yùn)行界面圖如圖6、圖7所示。

圖6 主動(dòng)反射面運(yùn)行界面Fig.6 GUI of ARS Master.

圖7 單節(jié)點(diǎn)調(diào)試界面Fig.7 Debug GUI of FAST node.

3 結(jié)語

在EPICS構(gòu)架的FAST反射面控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于FAST反射面的EPICS節(jié)點(diǎn)控制器記錄，應(yīng)用到原有的FAST控制系統(tǒng)中，便于控制器節(jié)點(diǎn)IOC的管理以及提高代碼的復(fù)用，根據(jù)密云模型的物理結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室的仿真和測(cè)試，測(cè)試表明節(jié)點(diǎn)控制器記錄能夠正常運(yùn)行，且可以滿足FAST望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)反射面的需求。

1 南仁東. 500 m球反射面射電望遠(yuǎn)鏡FAST[J]. 中國(guó)科學(xué)G輯: 物理學(xué)、力學(xué)、天文學(xué), 2005, 35(5): 449-466

NAN Rendong. Five-hundred-meter aperture spherical radio telescope[J]. Science in CHINA (Series G), 2005, 35(5): 449-466

2 Johnson A. EPICS[EB/OL]. 2012-12-17. http://www.aps. anl.gov/epics/

3 Deng X C, Wu W Q, Luo M C, et al. Real time control system of active reflector of FAST[A]. 2012 18thIEEE-NPSS Real Time Conference, 2012

4 Kraimer M. EPICS application developer's guide[EB/OL]. EPICS Base Release 3.14.12, 2012-12-17

5 Mooney T, Sullivan J, Sluiter R. Motor record[EB/OL]. 2003-06-25. http://www.aps.anl.gov/bcda/synApps/motor/ R6-7/motorRecord.html

6 Jackson G, Owen A, Rhyder A, et al. EPICS QT framework[EB/OL]. 2010-05-26. http://sourceforge.net/ projects/epicsqt/

CLCTP273.5

Design of node record for the control system of FAST active reflector

WU Wenqing LUO Mingcheng LIU Jiajing TANG Pengyi WANG Jian
(State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Department of Modern Physics of University of Science and Technology of China, Anhui Key Laboratory of Physical Electronics, Hefei 230026, China)

Background: Active reflector is the one of the crucial innovations of Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) whose performance touches on that of the overall telescope. Purpose: A real time control system is needed for the active reflector system. Experimental Physics and Industrial Control System (EPICS) is a well-used framework over the world which has good performance in real time control. Methods: Based on Input/Output Controller (IOC) frame of EPICS, a new node record was designed to simplify the node management of IOC and improve the reusability of IOC codes by making full use of the excellent real-time performance of EPICS and large number of controlled nodes (more than 2 000) on FAST reflector. Results: The record type was used in design of active reflector control system of FAST Miyun model. And the new IOC controller was experimentally tested in laboratory together with the real node’s hardware board. Conclusion: Experimental results show that this new node record can be adapted to FAST control system to enhance the convenience of code reusability.

Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST), Experimental Physics and Industrial Control System (EPICS), Record design, Input/Output Controller (IOC)

TP273.5

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.010401

國(guó)家大科學(xué)工程FAST項(xiàng)目(FASTHT-013-2011-CK-004)、國(guó)家自然科學(xué)基金(11178020、11275197)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助

吳文慶，男，1989年出生，2011年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué)

王堅(jiān)，E-mail: wangjian@ustc.edu.cn

2013-10-29，

2013-12-02