，，，，

(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

0 引言

激光波長高實(shí)時(shí)集中控制研制項(xiàng)目來源于科技部國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)-激光共振電離質(zhì)譜關(guān)鍵技術(shù)研究。由于激光共振電離質(zhì)譜系統(tǒng)中，不同范圍的激光波長和某一同位素電離過程以及激光作用與電離開始的時(shí)間有著非常重要關(guān)系，所以，要求某一激光波長的到達(dá)時(shí)間必須在同位素的電離周期內(nèi)，因此，需要對多種激光波長值進(jìn)行快速獲取，波長的單步掃描周期應(yīng)小于250 ms，從而實(shí)現(xiàn)與電離過程中電離量的多少進(jìn)行實(shí)時(shí)的對比。所以，迫切需要進(jìn)行激光波長的高實(shí)時(shí)集中控制技術(shù)研究，滿足激光共振電離質(zhì)譜系統(tǒng)的研究需求。

1 激光波長高實(shí)時(shí)集中控制的研究目標(biāo)

根據(jù)電離質(zhì)譜對染料波長的研究需求，實(shí)現(xiàn)激光波長的大范圍、小范圍和精細(xì)掃描的需求，實(shí)現(xiàn)與電離質(zhì)譜信號的同步，需要遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對激光波長的高實(shí)時(shí)采集。根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

1)實(shí)現(xiàn)對任一路多模激光波長的調(diào)節(jié)，大范圍、小范圍及精細(xì)范圍的掃描，及波長閉環(huán)的本地/遠(yuǎn)程控制;對單模激光波長進(jìn)行穩(wěn)頻、連接、同步、輸出電壓設(shè)定，實(shí)現(xiàn)粗調(diào)波長的步長及調(diào)節(jié)個(gè)數(shù)的設(shè)定，微調(diào)波長的細(xì)分?jǐn)?shù)和步數(shù)的設(shè)定，掃描波長的掃描長度和電壓補(bǔ)償?shù)脑O(shè)定以及確定長波和短波的掃描方式。

2)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對波長的設(shè)定、標(biāo)定功能，實(shí)現(xiàn)波長掃描的起始、終止波長及掃描步長的設(shè)定，能夠選擇觸發(fā)模式，自行設(shè)定掃描延時(shí)、是否同步反饋波長值等，實(shí)現(xiàn)與電離信號的同步。

3)對單模染料激光器實(shí)現(xiàn)掃頻范圍、波長調(diào)節(jié)、波長閉環(huán)及外觸發(fā)方式的本地/遠(yuǎn)程設(shè)定功能。

4)對單模染料激光器進(jìn)行穩(wěn)頻、連接、同步、輸出電壓設(shè)定，實(shí)現(xiàn)粗調(diào)波長的步長及調(diào)節(jié)個(gè)數(shù)的設(shè)定，微調(diào)波長的細(xì)分?jǐn)?shù)和步數(shù)的設(shè)定，掃描波長的掃描長度和電壓補(bǔ)償?shù)脑O(shè)定以及確定長波和短波的掃描方式。

5)滿足波長掃描過程中外觸發(fā)方式的需求，與質(zhì)譜系統(tǒng)形成同步，每掃一步波長給出反饋信號或?qū)崟r(shí)波長值，通知質(zhì)譜信號測量。

6)在掃描過程中可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)掃描和快速掃描，滿足用戶的自行設(shè)定要求。

7)激光波長數(shù)據(jù)采集周期小于250 ms。

8)實(shí)現(xiàn)對某一路激光波長的自動(dòng)關(guān)斷，控制同位素電離開始的時(shí)間。

2 激光波長高實(shí)時(shí)集中控制的實(shí)現(xiàn)原理

2.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由波長計(jì)、光開關(guān)、步進(jìn)電機(jī)、波長掃描控制裝置和質(zhì)譜分析機(jī)等設(shè)備組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。每路波長掃描裝置可以直接控制多縱模染料激光器內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)從而實(shí)現(xiàn)多縱模染料激光器不同波長光的輸出，波長計(jì)是標(biāo)準(zhǔn)的激光波長測量裝置，當(dāng)某路多縱模染料激光波長被要求穩(wěn)定在某一波長值或掃描某一范圍波長時(shí)，則需要波長計(jì)實(shí)時(shí)測量這路激光波長值作為標(biāo)準(zhǔn)波長值，當(dāng)波長值產(chǎn)生波動(dòng)或掃描時(shí)，波長掃描調(diào)節(jié)裝置則調(diào)節(jié)相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)而調(diào)節(jié)激光波長值滿足激光波長的閉環(huán)需求，或控制步進(jìn)電機(jī)達(dá)到波長穩(wěn)步掃描的目的。當(dāng)單模染料激光被要求閉環(huán)或掃描時(shí)，波長掃描裝置則調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)波長的掃描，同時(shí)調(diào)節(jié)壓電陶瓷保證頻率不變實(shí)現(xiàn)此單模染料激光的掃描。當(dāng)質(zhì)譜分析機(jī)需要對某一路波長進(jìn)行采集控制時(shí)，將采集控制命令通過交換機(jī)發(fā)送給本地集中控制機(jī)，然后傳輸給波長掃描裝置，波長掃描裝置進(jìn)行相應(yīng)的控制輸出，實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜分析機(jī)對染料激光波長的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制[2-3]。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件由設(shè)備控制、設(shè)備維護(hù)和用戶管理模塊組成。激光波長控制的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)備控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對染料激光器波長參數(shù)的采集、延時(shí)設(shè)定、觸發(fā)方式的控制及波長的標(biāo)定、設(shè)定和閉環(huán)等指令控制，實(shí)現(xiàn)對波長的高實(shí)時(shí)閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的主要功能是對3臺(tái)多模染料激光器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程波長調(diào)節(jié)、掃描范圍及外觸發(fā)模式的設(shè)定以及波長閉環(huán)；對一臺(tái)單模染料激光器實(shí)現(xiàn)掃頻范圍、波長調(diào)節(jié)、波長閉環(huán)及外觸發(fā)方式的設(shè)定功能，對單模及多模染料泵實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)及頻率設(shè)定功能；設(shè)置故障的維護(hù)功能主要集中在設(shè)備維護(hù)模塊，通過數(shù)據(jù)查詢功能查詢設(shè)備運(yùn)行時(shí)期的參數(shù)性能數(shù)據(jù)從而分析設(shè)備的工作狀態(tài)變化情況以及報(bào)警記錄信息等，有效確定設(shè)備的故障所在。用戶管理模塊對用戶提供了不同的權(quán)限進(jìn)行不同級別的管理，管理員用戶具有最高權(quán)限可以修改其他用戶的使用功能權(quán)限，可以添加新用戶及刪除老用戶。系統(tǒng)通過SQL SERVER數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)每路波長的參數(shù)設(shè)定值及相關(guān)的設(shè)定信息，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)所有波長數(shù)據(jù)值及波長狀態(tài)信息，提供用戶歷史數(shù)據(jù)查詢分析和故障分析，同時(shí)存儲(chǔ)所有用戶信息。實(shí)驗(yàn)人員通過人機(jī)交互界面進(jìn)行控制指令的下發(fā)與監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集顯示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 串口通訊技術(shù)

串行接口是一種可以將接受來自CPU的并行數(shù)據(jù)字符轉(zhuǎn)換為連續(xù)的串行數(shù)據(jù)流發(fā)送出去，同時(shí)可以將接受的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)字符供給CPU的器件。一般完成這種功能的電路，稱之為串行接口電路。串口通訊是指外設(shè)和計(jì)算機(jī)間，通過數(shù)據(jù)信號線、地線、控制線等，按位進(jìn)行傳輸?shù)囊环N通訊方式。這種通訊方式使用的數(shù)據(jù)線少，在遠(yuǎn)距離通訊中可以節(jié)約通信成本[4,6]。

根據(jù)波長掃描裝置以及波長測量裝置的特定需求，只能通過串口通訊技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)對波長的控制及采集。根據(jù)激光波長的控制實(shí)時(shí)性要求，每路波長的采集時(shí)間必須很短，不能影響整個(gè)的波長掃描周期，同時(shí)，一方在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)可以接收收據(jù)，因此，系統(tǒng)采用了全雙工的RS232串口通訊方式，可以同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和控制，進(jìn)行不同方向的數(shù)據(jù)傳輸[7-8]。串口波特率采用115200 bps，保證數(shù)據(jù)通道傳輸時(shí)間較小。染料激光波長的串口通訊部分協(xié)議格式如表1所示。染料激光波長的通訊協(xié)議采用兩次握手的協(xié)議格式，采用crc校驗(yàn)保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠傳輸。指令發(fā)送分為遠(yuǎn)程端和本地端，采用主從式進(jìn)行指令交互，即遠(yuǎn)程作為指令發(fā)送主命令服務(wù)器端，本地作為指令接收客戶端，遠(yuǎn)程端發(fā)送任何指令，本地端都進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)或指令回復(fù)，形成指令閉環(huán)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，遠(yuǎn)程端主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)請求指令，當(dāng)本地端接收到指令后，首先通過CRC校驗(yàn)計(jì)算所收到指令的CRC校驗(yàn)碼，與接收到的CRC校驗(yàn)碼進(jìn)行匹配，如果匹配成功表明接收到的指令正確，然后進(jìn)行識(shí)別功能碼和對應(yīng)的波長路數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的請求功能或發(fā)送相應(yīng)的請求數(shù)據(jù)，完成一次指令的遠(yuǎn)程控制過程。

表1 染料激光波長串口通訊協(xié)議格式

3.2 多線程技術(shù)

電離質(zhì)譜系統(tǒng)對激光波長的采集及控制具有非常高的實(shí)時(shí)性要求，但由于激光波長的掃描及調(diào)節(jié)裝置的限制，本地對激光波長的調(diào)節(jié)裝置只能采用串行通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及控制，為了提高激光波長數(shù)據(jù)采集控制的實(shí)時(shí)性，采用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)對多路激光波長的采集及控制。

多線程是指從軟件或者硬件上實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行的技術(shù)，即同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。多線程是為了同步完成多項(xiàng)任務(wù)，從而提高資源使用效率來提高系統(tǒng)的效率。多個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行，必須保證多個(gè)線程之間的同步，從而不競爭硬件資源，因此需要對空閑線程進(jìn)行掛起、活動(dòng)線程進(jìn)行喚醒等[5,15]。

系統(tǒng)共對四路波長值進(jìn)行采集和控制，將每個(gè)波長控制裝置通訊作為一個(gè)線程，四個(gè)線程并行執(zhí)行，大大提高通訊實(shí)時(shí)性。

為了減少等待時(shí)間，采用線程池(TreadPool)來實(shí)現(xiàn)對多個(gè)波長數(shù)據(jù)的控制。線程池允許在后臺(tái)運(yùn)行多個(gè)工作，而不需要為每個(gè)任務(wù)頻繁地創(chuàng)建和銷毀單獨(dú)的線程，從而減少了開銷。線程池通過為應(yīng)用程序提供一個(gè)由系統(tǒng)管理的輔助線程池使您可以更為有效地使用線程。

在本系統(tǒng)中，把對每個(gè)激光波長的監(jiān)控封裝成一個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)控制、變量顯示等工作。把這些有執(zhí)行需求的任務(wù)放在隊(duì)列里，由系統(tǒng)調(diào)度向線程池申請資源。其工作原理如3圖所示。采用線程機(jī)制將4個(gè)波長控制任務(wù)并行執(zhí)行，解決了串口任務(wù)順序輪詢執(zhí)行效率低的問題，提高了執(zhí)行速度，從而提高波長的控制實(shí)時(shí)性。

圖3 線程池工作原理圖

3.3 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

數(shù)據(jù)庫模型可分為平面文件數(shù)據(jù)庫模型、層次數(shù)據(jù)庫模型、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫模型、關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫模型、對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型等，關(guān)系數(shù)據(jù)庫是應(yīng)用數(shù)學(xué)方法來處理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù),目前各類數(shù)據(jù)庫中最重要、最流行的數(shù)據(jù)庫，如SQL SERVER、Access等。 本系統(tǒng)采用了微軟的Access關(guān)系數(shù)據(jù)庫[9-10]。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型是目前效率最高的數(shù)據(jù)庫模型，相對于以前的數(shù)據(jù)庫模型，關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型己經(jīng)在許多方面對以前的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了改進(jìn)，這些改進(jìn)簡化了數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)檢索等工作。通過利用完整性約束條件，數(shù)據(jù)更加容易管理。數(shù)據(jù)檢索也得到了很大的改善，它允許用戶使用可視化的工具來瀏覽數(shù)據(jù)庫中表之間的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，并且不再需要用戶完全掌握數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。由于關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型提供了完整性約束條件以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化等特性，因此對數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的修改也變得非常容易。

數(shù)據(jù)庫的定義是由蘊(yùn)含著一定意義的數(shù)據(jù)，一些按照一定的規(guī)律組織起來所組成的數(shù)據(jù)集合。在數(shù)據(jù)庫中除了用一些作為外部信息的數(shù)據(jù)之外，還有一些內(nèi)部信息數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是二維表，每一張二維表對應(yīng)著一種聯(lián)系。表的每一行稱為紀(jì)錄；表的每一列稱為屬性(字段)；而域就是屬性的取值范圍；主碼是對于這張表的唯一標(biāo)識(shí)[11-12]。

激光波長的控制主要是對所有波長數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，所以數(shù)據(jù)庫是必不可少的部分。數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)，如果數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)不合理，不但會(huì)造成數(shù)據(jù)冗余和不一致，而且還會(huì)引起數(shù)據(jù)的操作異常，所以數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的執(zhí)行效率[13-14]。

本系統(tǒng)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫對所有的激光波長相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用二維表進(jìn)行設(shè)計(jì)，每張二維表對應(yīng)著一種聯(lián)系，包括對象和屬性。通過對系統(tǒng)的需求分析，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如表2所示。

系統(tǒng)設(shè)置了6個(gè)二維表，λ1波長數(shù)據(jù)表、λ2波長數(shù)據(jù)表、λ3波長數(shù)據(jù)表、λ4波長數(shù)據(jù)表、系統(tǒng)故障表和用戶信息表，通過關(guān)聯(lián)四個(gè)波長數(shù)據(jù)表進(jìn)行歷史波長數(shù)據(jù)的查詢和對比分析，形成一張波長數(shù)據(jù)表進(jìn)行展示與輸出，通過系統(tǒng)故障表進(jìn)行系統(tǒng)故障的查詢與分析，查找出現(xiàn)異常時(shí)相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，通過用戶信息表進(jìn)行查詢實(shí)驗(yàn)人員的登錄信息、操作信息及相關(guān)人員信息等，為系統(tǒng)分析提供了數(shù)據(jù)支持。

4 研制結(jié)果及驗(yàn)證

激光波長高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)包含了波長計(jì)、光開關(guān)、波長測量裝置及波長掃描裝置等，波長計(jì)實(shí)現(xiàn)對激光波長的測量、光開關(guān)實(shí)現(xiàn)選擇測量哪路激光，波長掃描裝置在每路激光的出光范圍內(nèi)對激光波長進(jìn)行掃描控制。本系統(tǒng)對多臺(tái)多模染料激光鏈的波長控制進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了激光波長的大范圍、小范圍及精細(xì)掃描。以小范圍掃描為例，將選擇使用波長計(jì)，遠(yuǎn)程、外觸發(fā)、反饋、精細(xì)掃描和顯示實(shí)時(shí)波長值，將波長值設(shè)定到掃描的起始波長值，掃描波長過程中將看到當(dāng)掃一步波長后給出反饋信號及實(shí)時(shí)波長值，當(dāng)掃描結(jié)束時(shí)給出掃描完成提示，掃描過程中可以進(jìn)行暫停、繼續(xù)或結(jié)束掃描，掃描過程中給出連接設(shè)備故障或波長計(jì)故障等故障信息。通過多次驗(yàn)證，每鏈染料激光的波長調(diào)節(jié)及掃描都滿足了同位素電離的要求。

表2 λ1波長數(shù)據(jù)表

根據(jù)激光波長采集數(shù)據(jù)相應(yīng)時(shí)間在250 ms以內(nèi)，對激光波長的采集數(shù)據(jù)相應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了考核，經(jīng)過十幾小時(shí)的試驗(yàn)測試及考核，數(shù)據(jù)相應(yīng)時(shí)間基本都在要求的范圍內(nèi)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖4所示，數(shù)據(jù)相應(yīng)時(shí)間在250 ms以內(nèi)，并且相當(dāng)穩(wěn)定，通訊網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場設(shè)備沒有出現(xiàn)通訊錯(cuò)誤，驗(yàn)證了激光波長高實(shí)時(shí)控制的穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性要求。

圖4 激光波長采集實(shí)時(shí)性分析圖

5 結(jié)論

通過長時(shí)間考核，證明了此控制系統(tǒng)可以滿足對激光波長的大范圍、小范圍及精細(xì)掃描的要求，能夠以外觸發(fā)方式與同位素電離達(dá)到同步，滿足激光波長掃描的高實(shí)時(shí)性要求

經(jīng)過以上分析得出如下結(jié)論：

1)成功研制了激光波長高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)對波長的多種方式的掃描，實(shí)現(xiàn)與同位素電離過程的同步。

2)采用了多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對激光波長的實(shí)時(shí)控制。

3)實(shí)現(xiàn)了單步波長掃描周期小于250 ms的實(shí)時(shí)性要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 彭 杰,劉 力.工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全性分析[J].自動(dòng)化儀表,2012(12):54-59.

[2] 彭翰生,張小民,范滇元.高功率固體激光裝置的發(fā)展與工程科學(xué)問題[J].中國工程科學(xué),2001(3):33-37.

[3] 董衛(wèi)斌.強(qiáng)激光光束控制與參數(shù)診斷相關(guān)技術(shù)研究[D].北京：中國科學(xué)院研究生院,2008(4):26-31.

[4] 吳智龍,李偉彤.基于事件驅(qū)動(dòng)方式的高速串口通信方案的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2014(5):46-49.

[5] 張艷霞,胡雙炎.多串口多線程交通信號燈數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) ,2011(4):50-55.

[6] 姚 榮,吳 寧,任 亮.基于Windows CE的嵌入式GIS設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電子測量技術(shù),2008(7):52-57.

[7] 劉 域.基于Windows CE的嵌入式供暖熱計(jì)量管理系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2007(6):56-60.

[8] 李 滿,田 一.嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制研究[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2005(1):73-76.

[9] 李 濤,孫 方,孫 翱.Windows CE流接口驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方法[J].艦船電子工程,2006(6):65-69.

[10] 劉 輝,張 艷,王潛平.基于ARM的串口/以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008(35):45-48.

[11] 王海勇.基于ARM9的嵌入式多串口服務(wù)器設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2013(3):17-21.

[12] 湛文濤,王 樂,孫靖國.一種多串口和以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換方法的研究[J].航空計(jì)算技術(shù),2011(4):88-92.

[13] 陳 媛,王再英,彭 倩.基于嵌入式多串口數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013(1):34-38.

[14] 安娜賽德拉,斯塔夫.無線延時(shí)防火墻路由:無線延遲網(wǎng)絡(luò)的地理路由協(xié)議[J].無線通信與網(wǎng)絡(luò)雜志,2013,2013(1):45-62.

[15] 陳淑貞,石 波.基于多線程技術(shù)的串行通信[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,2000,5(3):325-328.