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(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

0 引言

激光波長高實時集中控制研制項目來源于科技部國家重大科學儀器設備開發(fā)專項-激光共振電離質(zhì)譜關鍵技術研究。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間有著非常重要關系，所以，要求某一激光波長的到達時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行快速獲取，波長的單步掃描周期應小于250 ms，從而實現(xiàn)與電離過程中電離量的多少進行實時的對比。所以，迫切需要進行激光波長的高實時集中控制技術研究，滿足激光共振電離質(zhì)譜系統(tǒng)的研究需求。

1 激光波長高實時集中控制的研究目標

根據(jù)電離質(zhì)譜對染料波長的研究需求，實現(xiàn)激光波長的大范圍、小范圍和精細掃描的需求，實現(xiàn)與電離質(zhì)譜信號的同步，需要遠程實現(xiàn)對激光波長的高實時采集。根據(jù)以上要求，設計目標如下：

1)實現(xiàn)對任一路多模激光波長的調(diào)節(jié)，大范圍、小范圍及精細范圍的掃描，及波長閉環(huán)的本地/遠程控制;對單模激光波長進行穩(wěn)頻、連接、同步、輸出電壓設定，實現(xiàn)粗調(diào)波長的步長及調(diào)節(jié)個數(shù)的設定，微調(diào)波長的細分數(shù)和步數(shù)的設定，掃描波長的掃描長度和電壓補償?shù)脑O定以及確定長波和短波的掃描方式。

2)實現(xiàn)遠程對波長的設定、標定功能，實現(xiàn)波長掃描的起始、終止波長及掃描步長的設定，能夠選擇觸發(fā)模式，自行設定掃描延時、是否同步反饋波長值等，實現(xiàn)與電離信號的同步。

3)對單模染料激光器實現(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/遠程設定功能。

4)對單模染料激光器進行穩(wěn)頻、連接、同步、輸出電壓設定，實現(xiàn)粗調(diào)波長的步長及調(diào)節(jié)個數(shù)的設定，微調(diào)波長的細分數(shù)和步數(shù)的設定，掃描波長的掃描長度和電壓補償?shù)脑O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實時波長值，通知質(zhì)譜信號測量。

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

7)激光波長數(shù)據(jù)采集周期小于250 ms。

8)實現(xiàn)對某一路激光波長的自動關斷，控制同位素電離開始的時間。

2 激光波長高實時集中控制的實現(xiàn)原理

2.1 系統(tǒng)的硬件結構

系統(tǒng)的硬件平臺由波長計、光開關、步進電機、波長掃描控制裝置和質(zhì)譜分析機等設備組成，系統(tǒng)硬件結構如圖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)的步進電機從而實現(xiàn)多縱模染料激光器不同波長光的輸出，波長計是標準的激光波長測量裝置，當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，則需要波長計實時測量這路激光波長值作為標準波長值，當波長值產(chǎn)生波動或掃描時，波長掃描調(diào)節(jié)裝置則調(diào)節(jié)相應的步進電機進而調(diào)節(jié)激光波長值滿足激光波長的閉環(huán)需求，或控制步進電機達到波長穩(wěn)步掃描的目的。當單模染料激光被要求閉環(huán)或掃描時，波長掃描裝置則調(diào)節(jié)步進電機實現(xiàn)波長的掃描，同時調(diào)節(jié)壓電陶瓷保證頻率不變實現(xiàn)此單模染料激光的掃描。當質(zhì)譜分析機需要對某一路波長進行采集控制時，將采集控制命令通過交換機發(fā)送給本地集中控制機，然后傳輸給波長掃描裝置，波長掃描裝置進行相應的控制輸出，實現(xiàn)質(zhì)譜分析機對染料激光波長的遠程實時控制[2-3]。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結構圖

2.2 系統(tǒng)的軟件結構

系統(tǒng)軟件由設備控制、設備維護和用戶管理模塊組成。激光波長控制的軟件結構如圖2所示。設備控制模塊主要實現(xiàn)對染料激光器波長參數(shù)的采集、延時設定、觸發(fā)方式的控制及波長的標定、設定和閉環(huán)等指令控制，實現(xiàn)對波長的高實時閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的主要功能是對3臺多模染料激光器實現(xiàn)遠程波長調(diào)節(jié)、掃描范圍及外觸發(fā)模式的設定以及波長閉環(huán)；對一臺單模染料激光器實現(xiàn)掃頻范圍、波長調(diào)節(jié)、波長閉環(huán)及外觸發(fā)方式的設定功能，對單模及多模染料泵實現(xiàn)遠程開關及頻率設定功能；設置故障的維護功能主要集中在設備維護模塊，通過數(shù)據(jù)查詢功能查詢設備運行時期的參數(shù)性能數(shù)據(jù)從而分析設備的工作狀態(tài)變化情況以及報警記錄信息等，有效確定設備的故障所在。用戶管理模塊對用戶提供了不同的權限進行不同級別的管理，管理員用戶具有最高權限可以修改其他用戶的使用功能權限，可以添加新用戶及刪除老用戶。系統(tǒng)通過SQL SERVER數(shù)據(jù)庫存儲每路波長的參數(shù)設定值及相關的設定信息，實時存儲所有波長數(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，同時存儲所有用戶信息。實驗人員通過人機交互界面進行控制指令的下發(fā)與監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集顯示。

圖2 系統(tǒng)軟件結構圖

3 關鍵技術

3.1 串口通訊技術

串行接口是一種可以將接受來自CPU的并行數(shù)據(jù)字符轉換為連續(xù)的串行數(shù)據(jù)流發(fā)送出去，同時可以將接受的串行數(shù)據(jù)流轉換為并行的數(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。串口通訊是指外設和計算機間，通過數(shù)據(jù)信號線、地線、控制線等，按位進行傳輸?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才能實現(xiàn)對波長的控制及采集。根據(jù)激光波長的控制實時性要求，每路波長的采集時間必須很短，不能影響整個的波長掃描周期，同時，一方在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時可以接收收據(jù)，因此，系統(tǒng)采用了全雙工的RS232串口通訊方式，可以同時對數(shù)據(jù)進行采集和控制，進行不同方向的數(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校驗保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠傳輸。指令發(fā)送分為遠程端和本地端，采用主從式進行指令交互，即遠程作為指令發(fā)送主命令服務器端，本地作為指令接收客戶端，遠程端發(fā)送任何指令，本地端都進行相應的數(shù)據(jù)或指令回復，形成指令閉環(huán)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在系統(tǒng)運行過程中，遠程端主動發(fā)送數(shù)據(jù)請求指令，當本地端接收到指令后，首先通過CRC校驗計算所收到指令的CRC校驗碼，與接收到的CRC校驗碼進行匹配，如果匹配成功表明接收到的指令正確，然后進行識別功能碼和對應的波長路數(shù)，執(zhí)行相應的請求功能或發(fā)送相應的請求數(shù)據(jù)，完成一次指令的遠程控制過程。

表1 染料激光波長串口通訊協(xié)議格式

3.2 多線程技術

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時性要求，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)采集控制的實時性，采用多線程技術實現(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現(xiàn)多個線程并發(fā)執(zhí)行的技術，即同時執(zhí)行多個任務。多線程是為了同步完成多項任務，從而提高資源使用效率來提高系統(tǒng)的效率。多個線程同時運行，必須保證多個線程之間的同步，從而不競爭硬件資源，因此需要對空閑線程進行掛起、活動線程進行喚醒等[5,15]。

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

為了減少等待時間，采用線程池(TreadPool)來實現(xiàn)對多個波長數(shù)據(jù)的控制。線程池允許在后臺運行多個工作，而不需要為每個任務頻繁地創(chuàng)建和銷毀單獨的線程，從而減少了開銷。線程池通過為應用程序提供一個由系統(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，把對每個激光波長的監(jiān)控封裝成一個任務，每個任務包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)控制、變量顯示等工作。把這些有執(zhí)行需求的任務放在隊列里，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。采用線程機制將4個波長控制任務并行執(zhí)行，解決了串口任務順序輪詢執(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時性。

圖3 線程池工作原理圖

3.3 數(shù)據(jù)庫技術

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、關系數(shù)據(jù)庫模型、面向對象數(shù)據(jù)庫模型、對象關系數(shù)據(jù)庫模型等，關系數(shù)據(jù)庫是應用數(shù)學方法來處理數(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關系數(shù)據(jù)庫[9-10]。

關系數(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)庫進行了改進，這些改進簡化了數(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)庫中表之間的關聯(lián)結構，并且不再需要用戶完全掌握數(shù)據(jù)庫結構。由于關系數(shù)據(jù)庫模型提供了完整性約束條件以及數(shù)據(jù)標準化等特性，因此對數(shù)據(jù)庫結構的修改也變得非常容易。

數(shù)據(jù)庫的定義是由蘊含著一定意義的數(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)結構就是二維表，每一張二維表對應著一種聯(lián)系。表的每一行稱為紀錄；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識[11-12]。

激光波長的控制主要是對所有波長數(shù)據(jù)進行管理，所以數(shù)據(jù)庫是必不可少的部分。數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)的設計主要包括數(shù)據(jù)庫設計和系統(tǒng)功能模塊設計，如果數(shù)據(jù)庫設計不合理，不但會造成數(shù)據(jù)冗余和不一致，而且還會引起數(shù)據(jù)的操作異常，所以數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)結構設計的好壞直接影響數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的執(zhí)行效率[13-14]。

本系統(tǒng)采用關系數(shù)據(jù)庫對所有的激光波長相關數(shù)據(jù)進行管理，數(shù)據(jù)結構采用二維表進行設計，每張二維表對應著一種聯(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)結構定義如表2所示。

系統(tǒng)設置了6個二維表，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，通過關聯(lián)四個波長數(shù)據(jù)表進行歷史波長數(shù)據(jù)的查詢和對比分析，形成一張波長數(shù)據(jù)表進行展示與輸出，通過系統(tǒng)故障表進行系統(tǒng)故障的查詢與分析，查找出現(xiàn)異常時相關設備數(shù)據(jù)的對應關系，通過用戶信息表進行查詢實驗人員的登錄信息、操作信息及相關人員信息等，為系統(tǒng)分析提供了數(shù)據(jù)支持。

4 研制結果及驗證

激光波長高實時控制系統(tǒng)包含了波長計、光開關、波長測量裝置及波長掃描裝置等，波長計實現(xiàn)對激光波長的測量、光開關實現(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)對激光波長進行掃描控制。本系統(tǒng)對多臺多模染料激光鏈的波長控制進行了測試，驗證了激光波長的大范圍、小范圍及精細掃描。以小范圍掃描為例，將選擇使用波長計，遠程、外觸發(fā)、反饋、精細掃描和顯示實時波長值，將波長值設定到掃描的起始波長值，掃描波長過程中將看到當掃一步波長后給出反饋信號及實時波長值，當掃描結束時給出掃描完成提示，掃描過程中可以進行暫停、繼續(xù)或結束掃描，掃描過程中給出連接設備故障或波長計故障等故障信息。通過多次驗證，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)相應時間在250 ms以內(nèi)，對激光波長的采集數(shù)據(jù)相應時間進行了考核，經(jīng)過十幾小時的試驗測試及考核，數(shù)據(jù)相應時間基本都在要求的范圍內(nèi)，部分數(shù)據(jù)如圖4所示，數(shù)據(jù)相應時間在250 ms以內(nèi)，并且相當穩(wěn)定，通訊網(wǎng)絡及現(xiàn)場設備沒有出現(xiàn)通訊錯誤，驗證了激光波長高實時控制的穩(wěn)定性及實時性要求。

圖4 激光波長采集實時性分析圖

5 結論

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

經(jīng)過以上分析得出如下結論：

1)成功研制了激光波長高實時控制系統(tǒng),能夠實現(xiàn)對波長的多種方式的掃描，實現(xiàn)與同位素電離過程的同步。

2)采用了多線程技術實現(xiàn)了對激光波長的實時控制。

3)實現(xiàn)了單步波長掃描周期小于250 ms的實時性要求。

參考文獻：

[1] 彭 杰,劉 力.工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全性分析[J].自動化儀表,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)展與工程科學問題[J].中國工程科學,2001(3):33-37.

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

[4] 吳智龍,李偉彤.基于事件驅動方式的高速串口通信方案的設計[J].工業(yè)控制計算機,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)設計[J].吉首大學學報(自然科學版) ,2011(4):50-55.

[6] 姚 榮,吳 寧,任 亮.基于Windows CE的嵌入式GIS設計與應用[J].電子測量技術,2008(7):52-57.

[7] 劉 域.基于Windows CE的嵌入式供暖熱計量管理系統(tǒng)[J].吉林大學學報(信息科學版),2007(6):56-60.

[8] 李 滿,田 一.嵌入式系統(tǒng)的遠程控制研究[J].黑龍江大學自然科學學報,2005(1):73-76.

[9] 李 濤,孫 方,孫 翱.Windows CE流接口驅動程序設計方法[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)議轉換器設計[J].微計算機信息,2008(35):45-48.

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

[12] 湛文濤,王 樂,孫靖國.一種多串口和以太網(wǎng)轉換方法的研究[J].航空計算技術,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)的設計與實現(xiàn)[J].科學技術與工程,2013(1):34-38.

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

[15] 陳淑貞,石 波.基于多線程技術的串行通信[J].武漢大學學報自然科學版,2000,5(3):325-328.