BSRF鏡箱遠程可視化控制實驗平臺的設計與實現(xiàn)

周愛玉 石 泓

（中國科學院高能物理研究所 北京 100049）

北京同步輻射裝置(BSRF)束線有反射、準直和聚焦等功能不同的大量鏡箱，它們的工作方式均為通過電機運動改變鏡箱內(nèi)鏡子位置和姿態(tài)，從而改變出射光束。同步輻射軌道發(fā)生改變時須作鏡箱調(diào)整，常用方法是用攝像頭觀察熒光靶光斑變化，并手動調(diào)整鏡子位置和姿態(tài)，直至獲得位置、形狀合適的光斑。但是，每條束線均有幾個鏡箱，用此法調(diào)整它們耗時費力，且須在束線現(xiàn)場完成。國外同步輻射光源束線采用的EPICS[1]、TANGO[2,3]等標準控制系統(tǒng)均可實現(xiàn)遠程控制，控制系統(tǒng)功能強大，但非常復雜，對人員或設備要求很高。根據(jù) BSRF實際情況，我們開發(fā)了一種簡單實用的遠程可視化控制方法，實現(xiàn)直觀、任意地點鏡箱調(diào)整，節(jié)省束線調(diào)光人員的精力和時間。

1 硬件結構設計

1.1 模擬反射鏡箱結構設計

反射鏡箱常用于調(diào)整同步輻射出射角度，是一種束線常用部件。我們模擬反射鏡箱工作模式，用兩個一維轉(zhuǎn)臺調(diào)整反射鏡姿態(tài)，實現(xiàn)反射鏡箱功能。模擬反射鏡箱實物見圖1。由X和Z轉(zhuǎn)臺分別實現(xiàn)反射鏡繞X軸和Z軸的轉(zhuǎn)動。反射鏡中心點位于轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動中心軸交點處，并定義為O(0,0,0)，光源中心點位于(0,0,Zl)，采集反射光斑用 CCD位于y=Yc平面處。X軸轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動使反射光在YOZ平面上與OY軸夾角改變，Z軸轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動使反射光在XOY平面上與OY軸夾角改變，分別引起反射光斑在CCD平面上Z軸和X軸位置的相應改變，二者相互獨立。根據(jù)光斑位置信息可準確推知當前出射光角度和鏡子位置姿態(tài)。用LED光源(PJ- 1050-2CA，日本CCS公司)模擬束線入射光，用編碼顯示器顯示兩個轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角度。

圖1 模擬反射鏡箱實物圖Fig.1 Picture of simulated reflect mirror box.

1.2 控制實驗平臺硬件結構設計

在控制方法設計方面上，綜合考慮現(xiàn)有束線鏡箱控制和未來束線整體控制應滿足：支持遠程控制、采用BSRF常用設備、穩(wěn)定性好、設備接入簡單、驅(qū)動開發(fā)容易、多種類接口和功能擴展方便等需求。因此該平臺在控制結構上采用兩層網(wǎng)絡，具體如圖2所示。通用局域網(wǎng)(LAN)為上層控制層，負責命令發(fā)送和數(shù)據(jù)查詢顯示等，是客戶端允許接入層；通過控制專用局域網(wǎng)(Control Network)接入設備服務器，非網(wǎng)絡設備通過相應接口接入服務器；控制專用局域網(wǎng)、設備及相應接口構成底層設備層，客戶端只能通過設備服務器訪問設備層，保證底層設備安全。所用設備均為BSRF束線常用設備，脈沖輸出型步進電機控制器(Motor Controller)為PM16C[4,5](日本Tsuji公司)，編碼數(shù)顯器為GS9304[6](北京中科恒業(yè)中自技術有限公司)，二者均通過 RS232協(xié)議接入設備服務器；CCD為工業(yè)攝像機AM1403[7](北京嘉恒中自圖像技術有限公司)，通過 PCI接口圖像采集卡接入服務器；設備服務器為BSRF通用工業(yè)控制計算機IPC-610-H(研華科技)。

2 軟件設計

2.1 軟件結構設計

平臺軟件在結構上包括設備服務器端程序和客戶端程序。服務器部分負責執(zhí)行客戶端命令，并反饋相應數(shù)據(jù)。圖 3(a)為服務器端程序結構。設備服務器進入層負責客戶端及任務等的審核、登記和通訊等；信息處理層負責命令解析傳達和數(shù)據(jù)編碼；記錄層負責記錄各設備狀態(tài)、任務類型和登錄客戶端地址等信息；設備驅(qū)動層負責各底層設備實際運行。圖3(b)為客戶端程序結構。根據(jù)設備操作權限可分為用戶層(User Layer)和管理員層(Administrator Layer)，用戶層對所有人開放，管理員層僅對設備管理人員開放；信息處理層負責命令和信息編解碼及相應處理；通訊層負責信息通訊等。

圖2 鏡箱遠程可視化控制實驗平臺結構圖Fig.2 Structure illustration of mirror box remote control platform.

圖3 設備服務器端(a)和客戶端(b)程序結構Fig.3 Program structure of the device server (a) and the clients (b).

2.2 軟件設計關鍵點

除軟件結構外，客戶端/設備服務器間通訊協(xié)議設計、客戶端合法性審核及可視化控制法設計是影響該平臺長時間穩(wěn)定安全運行的三個技術關鍵點。

2.2.1 客戶端/設備服務器通訊協(xié)議設計

客戶端與設備服務器間通訊協(xié)議設計是影響軟件運行效率和可靠性，及后續(xù)功能擴展復雜程度的關鍵點。本平臺自行設計了一種基于TCP/IP的簡單文本通訊協(xié)議(Simple Ascii Message Protocol,SAMP)，描述了命令和信息反饋行為，分別對應于執(zhí)行器和傳感器，束線上所有硬件均可歸入這兩類。如運動控制器，執(zhí)行客戶端運動命令時屬執(zhí)行器類，返回狀態(tài)信息給客戶端時屬傳感器類。

命令設計格式為“命令字名稱；后續(xù)參數(shù)個數(shù)；參數(shù)1；參數(shù)2；…”，所有命令見表1。反饋信息格式是“信息標識符；后續(xù)參數(shù)個數(shù)；參數(shù) 1；參數(shù)2；…”，所有反饋信息見表2。

表1 鏡箱遠程可視化控制實驗平臺命令列表Table 1 Commands list of mirror box remote control platform .

表2 鏡箱遠程可視化控制實驗平臺反饋信息列表Table 2 Information identifiers list of mirror box remote control platform.

2.2.2 客戶端合法性審核

為保證底層設備安全，服務器端對登陸客戶端進行合法性審核，本設計主要從客戶端訪問權限和時效方面考慮。根據(jù)對底層設備訪問權限的不同，客戶端分為管理員和用戶，管理員經(jīng)密碼驗證登陸后對設備有完全控制權限，用戶無需驗證但對設備只能進行有限操作。服務器端還采用文檔方式對允許登錄客戶端采取時效控制，包括IP地址核查和允許登錄時間確認，該文檔由管理員遠程或服務器本地維護，僅IP地址范圍內(nèi)客戶端在允許時間內(nèi)可合法登陸服務器，其余均為非法，服務器自動拒絕。

2.2.3 可視化控制

可視化控制體現(xiàn)在客戶端。由圖 1，模擬反射鏡箱結構，鏡子三維平面方程為：

其中，α為X軸轉(zhuǎn)臺平面法線與OX軸夾角，β為鏡子平面法線在YOZ面投影與OZ軸夾角。所以反射光斑中心點在CCD平面X軸和Z軸方向的位移為：

其中，fc為CCD鏡頭焦距。

根據(jù)上述方程，在客戶端界面上可以三維實時顯示鏡子位置姿態(tài)；也可通過在 CCD采集光斑圖像上指定目的地方式實現(xiàn)鏡子姿態(tài)位置自動調(diào)整，實現(xiàn)可視化控制。

3 實驗室測試

目前該控制實驗平臺已完成硬軟件設計開發(fā)，并在實驗室用LED點光源進行了長時間運行測試，客戶端和設備服務器間網(wǎng)絡速度為 100 Mbit/s。服務器端本地執(zhí)行所有命令中運動命令訪問設備最多，耗時最長。分別對服務器端本地執(zhí)行運動命令時間和客戶端發(fā)送運動命令至服務器端執(zhí)行完畢耗時進行 21次測試，結果如圖 4所示。其中間隔 1表示服務器本地執(zhí)行時間，間隔 2表示客戶端發(fā)送至服務器執(zhí)行完畢時間。可見服務器本地執(zhí)行運動命令時間為0.13 s，客戶端發(fā)送運動命令至服務器端執(zhí)行完畢時間最長為0.3 s。

客戶端接收位置狀態(tài)信息更新時間是一項重要參數(shù)，共進行71次測試，結果見圖5。更新時間最長為 0.2 s?？梢暬刂葡?，在α= –7.5o～10.6o、β=41.9o～47.4o范圍內(nèi)，位置調(diào)整誤差小于 5%。BSRF束線鏡箱控制均為異步慢速調(diào)整，該平臺滿足束線控制速度和位置精度要求。

圖4 運動命令執(zhí)行時間測試結果Fig.4 Test results of running the “move” command.

實驗中發(fā)現(xiàn)運動命令執(zhí)行時間較長，經(jīng)分析，本平臺運動命令涉及設備為運動控制器和編碼器數(shù)顯表，二者均通過RS232協(xié)議接入設備服務器，在位置獲取和運動控制器訪問方面耗時較長。改變設備接入服務器方式，提高訪問速度，將大大縮短命令執(zhí)行時間。對信息進行壓縮，提高信息傳輸效率，縮短信息網(wǎng)絡傳輸時間，會進一步縮短命令執(zhí)行時間。位置調(diào)整誤差主要來源于鏡子、光源和 CCD相對位置安裝誤差，減小該誤差，并在可視化控制中考慮誤差影響，將會進一步提高位置調(diào)整精度。

圖5 客戶端位置狀態(tài)信息更新時間測試結果Fig.5 Test results of position status updating time.

客戶端控制界面見圖 6(a)，左框?qū)崟r顯示鏡子三維姿態(tài)，右框顯示 CCD采集的光斑圖像；位置狀態(tài)顯示界面見圖6(b)。本平臺鏡箱運動模型設計為三維平動、三維轉(zhuǎn)動通用模型，位置反饋信息在編碼器等反饋部件有效情況下來自反饋部件，無效情況下則來自運動控制器脈沖數(shù)換算值。本平臺中，“1 Mirror Rotation X”信息表示X軸轉(zhuǎn)臺狀態(tài)，“5 Mirror Rotation Z”信息表示Z軸轉(zhuǎn)臺狀態(tài)，位置信息來自轉(zhuǎn)臺編碼器。其它軸顯示信息暫且無效。

圖6 客戶端控制界面(a)和位置狀態(tài)顯示界面(b)Fig.6 Display of the control status and the mirror positions at the clients.

4 結語

本文介紹了一種BSRF鏡箱遠程可視化控制實驗平臺的設計與實現(xiàn)。該平臺基于客戶端/設備服務器結構，以模擬反射鏡箱為控制對象，通過自行設計SAMP協(xié)議和鏡子三維運動模型，實現(xiàn)了鏡箱的遠程可視化控制。該平臺底層設備訪問由設備服務器負責，通過客戶端合法性審核和訪問時效管理等安全策略應用，保證了底層設備的遠程多用戶安全訪問。該平臺在實驗室內(nèi)進行了長時間測試，結果表明，該平臺命令中運動命令執(zhí)行時間最長，為0.3 s；客戶端位置狀態(tài)信息更新時間為 0.2 s；可視化控制下位置調(diào)整誤差小于 5%；滿足當前 BSRF鏡箱控制實際需求。根據(jù)束線所調(diào)鏡箱結構及位置，調(diào)整所用部件及參數(shù)，該平臺控制結構和方法可應用至束線實際調(diào)光。該平臺采用BSRF束線常用設備，結構簡單，功能和驅(qū)動設計模塊化，在服務器端增加束線內(nèi)其他設備驅(qū)動模塊，并開發(fā)相應客戶端程序，該結構可應用至束線整體遠程控制。

1 Overview of the Experimental Physics and Industrial Control System: EPICS[OL], 1998, http://www.epics.org

2 Science and Technology Programme 2008–2017.European Synchrotron Radiation Facility. 2007, 1:113–114

3 Experiments at the ESRF Tango at beamlines. Tango Workshop at DESY, 2007

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5 16Ch Stepping Motor Controller PM16C-04,04S Remote Control User’s Manual (Rev 1.). Tusji Electronics Co.,LTD

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