基于CompactRIO的激光電源遠(yuǎn)程監(jiān)控*

林思苗， 張艷榮， 郭麗萍, 劉 震

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

基于CompactRIO的激光電源遠(yuǎn)程監(jiān)控*

林思苗， 張艷榮， 郭麗萍, 劉 震

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

針對(duì)目前大功率激光電源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難度大的問題，設(shè)計(jì)了基于CompactRIO實(shí)時(shí)控制器的大功率激光電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。以LabVIEW實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境為開發(fā)平臺(tái)，由PC客戶端和實(shí)時(shí)(RT)控制器端組成，實(shí)時(shí)控制器端將激光電源的實(shí)時(shí)狀況經(jīng)過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)打包傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控端，遠(yuǎn)程控制端則將所收到的信息解包并顯示在監(jiān)控界面上，監(jiān)控系統(tǒng)即可對(duì)激光電源的各項(xiàng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控。經(jīng)反復(fù)測(cè)試，結(jié)果表明:系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足監(jiān)控要求。在遠(yuǎn)端的工作人員不用親臨現(xiàn)場(chǎng)，通過遠(yuǎn)端的控制端可以實(shí)時(shí)了解激光電源的工作狀況，達(dá)到了對(duì)激光電源的遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

CompactRIO； LabVIEW；遠(yuǎn)程控制； 以太網(wǎng)

0 引 言

目前,半導(dǎo)體激光器在軍事、工業(yè)和研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光通信等領(lǐng)域。然而激光器的各項(xiàng)輸出主要由激光電源輸入電流控制，則半導(dǎo)體激光器在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)時(shí)質(zhì)量(各項(xiàng)輸出參數(shù))的穩(wěn)定性很大程度上取決于激光電源的工作穩(wěn)定性。激光電源輸出脈沖電流的脈寬、幅值、頻率等參數(shù)，即使是細(xì)微的變化都將造成半導(dǎo)體激光器不能穩(wěn)定工作 ，但由于環(huán)境等外部因素的影響，出現(xiàn)工作故障是難免的。一直以來，激光電源出現(xiàn)故障以后，要等到工作人員發(fā)現(xiàn)以后才能對(duì)激光電源各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成因沒有及時(shí)調(diào)節(jié)激光電源而引起巨大的測(cè)量誤差或者嚴(yán)重的損失[1～3]。因此，當(dāng)激光電源的參數(shù)超過正常工作范圍時(shí)，需要有對(duì)應(yīng)的報(bào)警功能，并且即使不在現(xiàn)場(chǎng)，工作人員在遠(yuǎn)程人機(jī)交換界面能夠看到報(bào)警，進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)，保證激光電源能夠正常運(yùn)行，減少各個(gè)領(lǐng)域中的測(cè)量失誤或者經(jīng)濟(jì)損失。本文設(shè)計(jì)了一種有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)激光電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括：輸出電流、輸出電壓、電流脈沖頻率，多項(xiàng)故障報(bào)警。

1 CompactRIO與LabVIEW

CompactRlO平臺(tái)是美國國家儀器(National Instrument，NI)推出的是一種小巧堅(jiān)固的控制和采集系統(tǒng)，該平臺(tái)融合了可重新配置I/O和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field program-mable gate array，F(xiàn)PGA)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高性能和自定義功能。CompactRlO采用了Freescale公司的PowerPC微處理器，運(yùn)行VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。其中PowerPC通過內(nèi)部PCI總線與Xilinx FPGA相連接，使得CompactRlO適用于對(duì)可靠性有嚴(yán)格要求的嵌入式或分布式應(yīng)用[4,5]。此外，該實(shí)時(shí)控制器還內(nèi)置有熱插拔工業(yè)I/O模塊和可直接與傳感器連接的信號(hào)調(diào)理模塊。其內(nèi)部數(shù)據(jù)通過CompactRlO核心內(nèi)置數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制傳到PowerPC微處理器以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、處理或與主機(jī)通信。文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]給出了CompactRlO內(nèi)部系統(tǒng)的基本組成， CompactRlO嵌入式系統(tǒng)的核心是可重新配置的機(jī)箱，包含RIO FPGA核心。其中，F(xiàn)PGA可以通過定制硬件實(shí)現(xiàn)控制邏輯、輸入/輸出、定時(shí)、觸發(fā)和同步設(shè)計(jì)。

在計(jì)算機(jī)或嵌入式控制器的硬件基礎(chǔ)和LabVIEW的軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上，搭建的系統(tǒng)具有強(qiáng)大的測(cè)控功能和較強(qiáng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性[7,8]，在系統(tǒng)的整體搭建上起到了重要作用。利用LabVIEW的信號(hào)采集，故障診斷程序在線運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)和CompactRIO 的硬件性能結(jié)合在一起使得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制器端可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)被控對(duì)象的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行采集；另一方面，LabVIEW支持顯示控制器前面板數(shù)據(jù)，人機(jī)界面友好，穩(wěn)定性良好。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體激光電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，分為3個(gè)部分：遠(yuǎn)程監(jiān)控端，控制機(jī)箱和受控對(duì)象。其中，遠(yuǎn)程監(jiān)控端即PC控制端，為在LabVIEW平臺(tái)搭建的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。上位機(jī)通過以太網(wǎng)發(fā)送查詢指令給實(shí)時(shí)控制器，反饋后的激光電源的實(shí)時(shí)狀態(tài)將在PC端的程序前面板顯示在人機(jī)界面上。控制機(jī)箱主要由實(shí)時(shí)控制器CompactRIO、電壓可調(diào)模塊、隔離放大電路組成。CompactRIO利用內(nèi)置FPGA的并行處理能力，生成同步脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)先后通過電壓可調(diào)模塊調(diào)整信號(hào)的幅值，經(jīng)隔離放大電路隔離后送至各臺(tái)脈沖電源[8]，用以保證脈沖電源中產(chǎn)生的脈沖電流的同步性。核心部件實(shí)時(shí)控制器則通過總線協(xié)議對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行查詢?cè)L問，并負(fù)責(zé)將反饋的信息進(jìn)行打包，通過以太網(wǎng)發(fā)送至上位機(jī)。被控對(duì)象為激光電源控制系統(tǒng)，即數(shù)臺(tái)脈沖電源。對(duì)其設(shè)置參數(shù)范圍：輸出電壓≤300 V，輸出電流≤300 A，輸出帶寬≤500 μs，輸出頻率≤1 000 Hz。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)模塊與通信協(xié)議的選取

為了實(shí)現(xiàn)大功率激光電源的遠(yuǎn)程監(jiān)控，該監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用NI CompactRIO—9012作為實(shí)時(shí)嵌入式處理器。選擇的實(shí)時(shí)控制器設(shè)計(jì)堅(jiān)固可靠，電源功耗較低，其工作溫度范圍70～-40 ℃。在控制機(jī)箱部分設(shè)計(jì)選擇研華ADAM—4024 4通道模擬量輸出模塊作為電壓可調(diào)模塊，通過RS—485總線協(xié)議進(jìn)行控制電壓幅值。為了達(dá)到信號(hào)的輸出、輸入與傳送絕緣隔離且單信號(hào)輸出無反饋信號(hào)，選用了線性光耦隔離器6N137，為單通道的高速光耦合器。它由一個(gè)波長(zhǎng)為850 nm的AlGaAs LED和一個(gè)集成檢測(cè)器組成。NI提供了豐富的I/O模塊。I/O模塊內(nèi)置各種類型信號(hào)的調(diào)制電路，用戶無需再設(shè)計(jì)外圍電路，各種傳感器和調(diào)節(jié)器可直接與CompactRIO的I/O模塊相連。設(shè)計(jì)選用8個(gè)數(shù)字通道NI—9401，可以滿足設(shè)計(jì)要求[5～7]。

傳輸控制協(xié)議 (transmission control protocol，TCP)/網(wǎng)際協(xié)議 (Internet protocol，IP)是一種終端與終端的連接，在連接前發(fā)送端與接收端進(jìn)行連接請(qǐng)求和ID匹配，連接穩(wěn)定性較好。本文設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)控制器與PC采用此協(xié)議，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控目的。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 整體流程設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)可分為3個(gè)部分：運(yùn)行在上位機(jī)端的子程序；運(yùn)行在實(shí)時(shí)控制器上的子程序；負(fù)責(zé)脈沖電流同步的FPGA子程序。整體系統(tǒng)流程圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)監(jiān)控流程圖

PC端首先將對(duì)應(yīng)的IP地址的通信連接請(qǐng)求與實(shí)時(shí)控制器連接， 上位機(jī)將發(fā)送初始化指令給實(shí)時(shí)控制器。遠(yuǎn)程監(jiān)控端指令發(fā)送程序是一個(gè)帶按鍵檢測(cè)定時(shí)循環(huán)，循環(huán)中程序每300 ms檢測(cè)一次按鍵，如果有按鍵按下，則在下一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)執(zhí)行打包指令。PC端口的接收程序可以理解成兩個(gè)定時(shí)循環(huán)，前者在以太網(wǎng)接口讀取到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)存入隊(duì)列，并取出接收到下一個(gè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。后者首先查看隊(duì)列里有沒數(shù)據(jù)，如果有則取出數(shù)據(jù)并根據(jù)取出數(shù)據(jù)的內(nèi)容跳至對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，最后完成信息顯示。

RT(控制器端)首先對(duì)設(shè)定的IP地址進(jìn)行比對(duì)，如果配對(duì)成功，將IP地址存入Local-PC寄存器。而指令接收程序部分，接口端接收數(shù)據(jù)以后將其存入隊(duì)列。通信處理端口依次從隊(duì)列中提取指令并讀出指令內(nèi)容，程序根據(jù)指令的內(nèi)容按流程通過以太網(wǎng)與激光電源通信，激光電源的實(shí)時(shí)參數(shù)信息被打包通過以太網(wǎng)傳輸?shù)絇C端并實(shí)時(shí)顯示。另一方面，實(shí)時(shí)控制器同時(shí)與對(duì)臺(tái)脈沖電源通信，程序利用LabVIEW中TCP通信模塊的函數(shù)設(shè)定，那么每個(gè)TCP連接都有獨(dú)立的ID，實(shí)時(shí)控制器先將指令發(fā)送至各個(gè)激光電源，200 ms之后再逐個(gè)接收。

CompactRIO中內(nèi)置2個(gè)專用于FPGA內(nèi)部通信的DMA FIFO，通過專用的DMA通道，F(xiàn)PGA可以跳過CPU直接訪問內(nèi)存單元，利用自身實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，使實(shí)時(shí)控制器可以以很快的速度訪問讀取DMA FIFO 中的數(shù)據(jù)。這部分在設(shè)計(jì)中起到根據(jù)外觸發(fā)信號(hào)以及實(shí)時(shí)控制器傳來的指令產(chǎn)生同步輸出的作用。

3.2 激光電源監(jiān)控

系統(tǒng)對(duì)激光電源的控制包括激光電源的輸出、自動(dòng)輸出、工作電流自加1或自減1、各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)查詢指令以及故障報(bào)警。其激光電源控制程序狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3。

圖3 電源自控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移

為監(jiān)控系統(tǒng)的整個(gè)流程，設(shè)計(jì)了一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)。工作的起始狀態(tài)為空閑態(tài)，當(dāng)程序在隊(duì)列中檢測(cè)到電源搜索指令時(shí)，程序跳轉(zhuǎn)到電源搜索狀態(tài)，實(shí)時(shí)控制器選中即將查詢控制的電源，然后順序跳轉(zhuǎn)到電源各項(xiàng)參數(shù)查詢狀態(tài)、狀態(tài)查詢狀態(tài)，如果沒有其他指令，狀態(tài)查詢狀態(tài)一直循環(huán)，如果檢測(cè)到相關(guān)指令則跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)狀態(tài)。程序在200 ms之內(nèi)檢測(cè)到電源輸出、電源停止、電源參數(shù)設(shè)置、電源工作電流+1等指令，程序則跳轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)狀態(tài)，然后再返回到狀態(tài)查詢狀態(tài)；如果隊(duì)列中出現(xiàn)電源自動(dòng)輸出指令，隨之實(shí)時(shí)控制器向?qū)?yīng)的選中電源發(fā)出電源自動(dòng)輸出命令，程序跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)查詢模塊。此時(shí)狀態(tài)查詢要查詢電源的工作電流是否達(dá)到目標(biāo)設(shè)置電流，如果沒有達(dá)到，則跳轉(zhuǎn)到電源工作電流+1或-1狀態(tài)來實(shí)時(shí)調(diào)整，直至PC端發(fā)出停止指令或工作電流達(dá)到設(shè)置目標(biāo)電流時(shí)，程序才跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)查詢狀態(tài)。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

系統(tǒng)要完成激光電源的系統(tǒng)報(bào)警。缺水、恒流模塊溫度過高、輸出電壓超壓、輸出電流過流報(bào)警，實(shí)現(xiàn)激光電源的遠(yuǎn)程控制，確保激光電源正常工作。如果發(fā)生故障，在遠(yuǎn)程工作端的工作人員能夠及時(shí)接到報(bào)警，采取相應(yīng)措施。為驗(yàn)證激光電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的有效性，反復(fù)測(cè)試，結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)能正常工作。測(cè)試運(yùn)行界面如圖4所示，系統(tǒng)檢測(cè)出當(dāng)前輸出電流90.65 A，脈沖電流的脈寬8 ms，工作頻率50 Hz,輸出穩(wěn)定；輸出電壓100.71 V。各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)都在設(shè)置范圍內(nèi)，激光電源正常工作。

圖4 激光電源監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行界面

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一個(gè)監(jiān)控激光電源實(shí)際工作參數(shù)，并對(duì)其實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)。利用LabVIEW 搭建的實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)經(jīng)過測(cè)試，達(dá)到了對(duì)激光電源的實(shí)時(shí)重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。即使有工作環(huán)境條件限制，遠(yuǎn)程控制端的工作人員也無需親臨現(xiàn)場(chǎng)能夠?qū)崟r(shí)地掌控激光電源的工作狀態(tài)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

[1] 鮮曉東,常 超,胡 穎,等.基于WSNs和GSM的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(6):141-144.

[2] 胡 玥,辛德勝,楊 帆.半導(dǎo)體激光引信光束準(zhǔn)直技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2012,22(2):24-25.

[3] 姜曉華,陳 瑜.準(zhǔn)連續(xù)大功率半導(dǎo)體激光器電源[J].長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào),2001,23(3):1-4.

[4] 王小飛,李伯全,羅開玉,等.基于CompactRIO的遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2010,6(3):42-44.

[5] 周宇浩,李曉健,張成龍,等.基于CompactRIO的真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015,34(3):137-141.

[6] 謝 寬,吳杰長(zhǎng),陳國鈞,等.基于CompactRIO的平臺(tái)的艦船實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)[J].機(jī)電工程,2013，30(4):505-508.

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[8] 劉斌友,王雪梅.基于CompactRIO的便攜式導(dǎo)彈自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].導(dǎo)箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2009,29(1):81-84.

Distance monitoring of laser power based on CompactRIO*

LIN Si-miao, ZHANG Yan-rong， GUO Li-ping, LIU Zhen

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

To solve the problem that it is difficult to real-time monitor high power laser power supply,an remote monitoring system based on CompactRIO real-time controller is designed.The controller is developed by using the Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (LabVIEW) platform.This system consists of personal computer (PC) and real-time(RT)controller and communicates with each other via Ethernet.The real-time controller sends the current information of laser power to PC via Ethernet.PC reads and display the recieved information. In this way,each parameter can be monitored timely.Tests are done for many times and result of tests show that the system can run stably and meet the requirement of monitoring.Operator in charge of it doesn’t have to get to workplace since the state of laser power can be seen on PC timely,which attains the goal of remote control of laser power.

CompactRIO; LabVIEW; remote control ; Ethernet

2016—06—15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475387);中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2682014CX033);四川省科技創(chuàng)新苗子工程項(xiàng)目(2015102)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0077—03

TP 23

A

1000—9787(2017)06—0077—03

林思苗(1988-)， 男，碩士研究生,主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)測(cè)控。