（核技术及应用专业论文）hls温度监测系统的建立及束流轨道稳定性的研究.pdf

摘要 摘要 在电子储存环中，束流轨道的稳定是进行同步辐射应用及相关研究的前提条 件。多年来国内外研究表明磁铁冷却水温度和环境温度对束流稳定性具有一定的 影响。虽然h l s ( h e f e il i g h ts o t l r c e ) 属于第二代光源，对束流轨道稳定性的要 求较为宽松，但是磁铁冷却水温度和环境温度两个影响因素也不容忽视。为了对 磁铁冷却水温度和环境温度进行精确监测及定量分析它们对束流轨道的影响，在 h l s 电子储存环上建立了一套环境温度监测系统，同时对磁铁冷却水出口温度 监测系统进行改造。这两套测量系统建成后已存储了半年的历史数据，为定量分 析温度对束流轨道的影响提供了条件。本论文分为七章，分述如下： 第一章简单介绍了h l s 及其控制系统的基本情况，阐述了课题开展的背景 以及基本设计目标。 第二章介绍了e p i c s 系统的构造、软硬件结构和相关的工具软件，同时也 简单介绍了v x w o r k s 操作系统的基本原理和串口的使用方法。 第三章叙述了磁铁冷却水出口温度监测系统的设计与实现的步骤。该系统基 于e p i c s 建立，包括“路温度测量通道。 第四章详细介绍了采用c h a n n e l a r c h i v e r 对所测的水温数据进行采样、存储 和检索的方法和原理，并在已经监测的数据基础上，对磁铁冷却水温度变化对束 流轨道的影响进行了估算。 第五章阐述了环境温度监测系统的设计与实现过程，包括硬件的组成和软件 的开发。 第六章对环境温度监测的数据进行了详细的统计分析，得出了环境温度每变 化1 ，束流位置变化1 0 2 0 p , m 的结论。 第七章对本论文进行了总结，并且对进一步研究温度对束流轨道稳定性影响 的方法进行了展望。 关键字：加速器、储存环、控制系统、e p i c s ，束流轨道、温度监测、c h a n n e l a r c h i v e r 、a s y n d r i v e r 中国科学技术人学磁l j 论文h l s 温度舱测系统的建一发束流轨道稳定性的研究 a b s t r a e t a b s t r a c t i ne l e c t r o ns t o r a g er i n g ，b e a mo r i b i ts t a b i l i t yi sp f i o rc o n d i t i o no fs y n c h r o t r o n r a d i a t i o na p p l i c a t i o na n dc o r r e l a t e ds t u d y i np a s ty e a r s ，t h es t u d yi n d i c a t e st h a t b e a mo r b i tf l u c t u a t i o ni ss t r o n g l yc o r r e l a t e dt ot h et e m p e r a t u r ev a r i a t i o n a l t h o u g h h l s ( h e f e il i g h ts o u r c e ) b e l o n g st ot h es e c o n dg e n e r a t i o nl i g h ts o u r c ea n dt h e r e q u i r e m e n tf o rt h eb e a mo r b i ts t a b i l i t yi sn o ts t r i c t , b u tt h ei n f l u e n c ec a n tb e n e g l e c t e d f o rm o n i t o r i n ga n da n a l y z i n gt h ei n f l u e n c e ，ae n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e m o n i t o rs y s t e mi ss e tu pa n dt h ec o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r em o n i t o rs y s t e mi s u p g r a d e d 1 1 1 eh i s t o r yd a t ao fh a l fay e a rf o rt w ot e m p e r a t u r em o n i t o rs y s t e m s p r o v i d eac o n d i t i o no fa n a l y s i s 1 1 l i st h e s i sc o n s i s t so fs e v e nc h a p t e r s ，t h ed e t a i l s a r ed e s c r i b e di nt h ef o l l o w i n gp a r a g r a p h s c h a p t e r1 i n t r o d u c e sh l sa n di t sc o n t r o ls y s t e mi nb r i e f , t h eb a c k g r o u n da n dt h e b a s i cd e s i g ng o a lo f t h i st h e s i sa r ea l s od e s c r i b e d c h a p t e r2d e s c r i b e st h es o f ta n dh a r d w a r es t r u c t u r eo fe p i c s ，a n dt h er e l a t e d t o o l s t h eb a s i cp r i n c i p l ea n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o no ft h ev x w o r k so p e r a t es y s t e m a r ea l s oi n t r o d u c e d c h a p t e r3i n t r o d u c e s t h ed e s i g n a n dr e a l i z a t i o no ft h e c o o l i n g w a t e r t e m p e r a t u r em o n i t o rs y s t e m 6 4c h a n n e l si sb a s e do ne p i c s c h a p t e r4d e s c r i b e st h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do ft h es a m p l i n g ，a r c h i v i n ga n d r e t r i e v i n gt h ec o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r ed a t ab yt h ec h a n n e la r c h i v e ri nd e t a i l b e a m o r b i tf l u c t u a t i o ni se s t i m a t e dw h e nt h ec o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r ev a r i e d c h a p t e r5i n t r o d u c e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e m o n i t o rs y s t e m t h eh a r d w a r e sc o m p o s i n ga n ds o f t w a r e sd e v e l o p m e n ta r ed e s c r i b e s i nd e t a i l c h a p t e r6a n a l y z e st h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ei n f l u e n c eo nb e a mo r b i t t h e d a t aa n a l y s i si n d i c a t e st h a tb e a mo r b i tf l u c t u a t i o ni s s t r o n g l yc o r r e l a t e dt ot h e t e m p e r a t u r ev a r i a t i o na n dt h eb e a mo r b i ti nv e r t i c a lp l a n ev a r i e s1o 2 0 u mw h e nt h e e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ei sc h a n g e dl 中周科学技术人学颂f ：论文h l s 挝度髓测系统的矬扛发束施轨道稳定忡的研究 a b s t r a c t c h a p t e r7g i v e sas u n r l l a l tf o r t h et h e s i sa n dp r o s p e c t sf o rt h ef u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ：a c c e l e r a t o r , s t o r a g er i n g ，c o n t r o ls y s t e m ，e p i c s ，b e a mo r b i t , t e m p e r a t u r em o n i t o r , c h a n n e la r c h i v e r , a s y n d r i v e r 中国科学技术人学顽i j 论文h l s 温度临测系统的建妒发柬流轨道稳定忤的研究 i j i 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究工作所取得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中国科学技术大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材 料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 签名：苛卫矸日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解中国科学技术大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允 许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学 位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：魄2 互 第一幸绪论 1 1 h l s 概述【l 】 第一章绪论 合肥同步辐射加速器是我国在2 0 世纪8 0 年代自行研制的第一台以真空紫外 和软x 射线为主的专用同步辐射光源，电子能量在8 0 0 m e v ，辐射特征波长分别 为2 4 r i m ( 弯转磁铁中) 和o 5 n m ( 扭摆磁铁中) 。整个装置包括一台2 0 0 m e v 直线加速器和一台8 0 0 m e v 电子储存环，直线和储存环之自 有一段8 8 米长的束 流输运线。合肥光源的直线加速器主要由微波功率源及波导传输系统、磁铁系统、 电源系统、真空系统、控制系统、束流测量系统等组成，储存环主要由磁铁系统、 电源系统、高频系统、真空系统、控制系统、束流测量系统等组成。合肥光源布 局见图1 1 。直线加速器的作用是产生电子并给予一定的预加速，主环的作用是 将电子的能量慢加速至8 0 0 m e v 并存储，使得同步辐射光保持一定的亮度和发射 度。从电子枪发射的8 0 k v 的电子经过行波加速管加速后能量达到2 0 0 m e v ，经 过输运线到达储存环的注入口，注入系统将电子注进储存环，电子进入储存环达 到一定的束流积累后进行慢加速能量达到8 0 0 m e v ，然后进行存储。电子在储存 环中回旋产生同步辐射，其损失的能量由高频系统进行补偿。束流电子在弯铁和 插入元件处发射的辐射光由光束线引出到实验站，供用户同步辐射研究用。 i丫rvv丫 、 l - -_ 一 _ ，哆罕 幽1 - 1 h l s 布局例 中国科学技术大学硼j ：论文h l s 温度j f c 测系统的建以发柬流轨j 簋稳定性的研究 第一章绪论 1 2 温度监测系统建立的背景 本论文中所提及的温度监测系统是指环境温度监测系统和磁铁冷却水出口 监测系统。 由余h l s 属于第二代光源，对束流的轨道稳定性要求不高，所以在一期、 二期工程中没有建立环境温度监测系统。但自1 9 9 7 年以来的国内外的研究表明， 环境温度是影详述流稳定性的一个重要因素。为了定量分析环境温度变化对束流 轨道稳定性的影响程度，有必要建立套监测系统。 磁铁冷却水出口温度监测系统在一期工程中就已经建立，属于热工控制的一 部分。但是，由于以前控制系统的设备陈旧、功能简单，整套系统已经近于瘫痪 状态。该系统改造前的状态如下： 仅有1 4 的测点能够正常温度显示 巡检功能已经失效 没有纳入e p i c s 的统一模式 不具有历史数据存储功能 没有采用标准的接口协议 不具备数据分析处理功能 年代较长，无备品备件，可维修性差 综合上述情况，重新建立一套磁铁冷却水出口温度监测系统是必要的。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 温度对束流轨道影响的研究 在美国的第三代光源a l s ( a d v a n c e dl i g h ts o u r c e ) 储存环，束流轨道水平 方向稳定性要求偏差控制在2 0 岬以内，垂直方向控制在2 岬以内。1 9 9 6 年柬 流位置曾出现波动，在提高环境温度的恒定控制后，成功解决了波动问题1 2 j 。 韩国的p l s 是第三代光源，能量2 o 2 5 g e v ，它为了减小温度对束流轨道 稳定性的影响，将储存环隧道空气温度稳定度从1 0 提高到o 1 ，磁铁温度 稳定度从o 5 提高到o 1 。为了减小注入时磁铁温度变化对轨道的冲击，他 中国科学技术大学顾 ：论文h l s 温度监测系统的建伊及柬流轨道稳定性的研究 2 第一章绪论 们采用d e - r a m p i n g 技术，在注入前不进行“m p i n g ，这样磁铁的温度变化量就很 小了。为了减小环境温度对轨道的影响，在2 0 0 1 年改变了储存环隧道的通风方 法，让气流顺时针螺旋流动，事实显示这对保持束流轨道的稳定性较为有效p 】， 在t l s ( t a i w a nl i g h ts o u r s ) 储存环【4 1 ，从1 9 9 8 年以来温度对束流轨道 稳定性研究一直没有停止。研究表明，束流轨道的稳定性与温度的变化具有很大 的相关性。所以将温度的控制精度大大提高，将其冷却水温度和储存环隧道内的 温度控制精度从士1 提高到士o 1 ，实现了温度影响的最小化。最近，考虑到由 于位置不同，空间的温度分布并不均匀，所以他们又采用f l u n e n t 软件，对储 存环隧道气流进行空间模拟，尽可能地实现隧道空气温度的均匀控制。 1 3 2 加速器控制系统 随着计算机及其网络技术的迅猛发展，进入九十年代以来，世界上大多数加 速器实验室的控制系统都逐渐采用了称之为“标准模型”的系统体系。在标准模型 下，控制系统由三部分组成：通用工作站、控制局域网和控制器。通用工作站负 责处理人机图形界面和关系数据库等工作。若干控制器负责管理各个控制予系 统。通用工作站与控制器之白j 通过控制局域网通信。局域网通常采用f d d i 或以 太网( i e e e 8 0 2 3 标准) ，控制器通常采用高性能v m e 系统。 在开发用于大型实验装置的控制系统时，其硬件设备大都可以采用商业化产 品，系统的硬件开销是明确的、可控的。因此，开发控制系统的主要困难和主要 工作量都集中在软件方面。为了提高软件开发效率，降低软件开发风险，美国的 l a n l ( l o sa m m o sn a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 、a n l ( a r g o n n en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 等五家实验室联合，历经数年努力，建立起用于加速器控制系统的通用软件开发 工具包e p i c s ( e x p e r i m e n t a lp h y s i c sa n di n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m ) 。e p i c s 在标 准模型下为加速器控制系统建立了动态数据库和人机交互图形界面以及各种通 用的软件开发工具，极大地降低了软件开发的丌销。目前世界上已有数十家实验 室在e p i c s 开发环境下建立起新一代的加速器控制系统。 h l s 在二次工程后，绝大部分控制系统都已经是基于e p i c s 。温度监测系 统是整个控制系统的一部分。所以，为了保证整个控制系统的一致性，温度监测 系统也应该在e p i c s 的基础上建立。 中霄科学技术大学硕 ：论文h l s 温度臆测系统的建t 及柬流轨道稳定性的研究 3 第一章绪论 1 4 本课题的设计目标 本课题的最终目标是能够分析磁铁温度和环境温度对束流稳定行的影响，因 此我们所建立的监测系统必须具备一些要求，能够为数据的分析提供必要的条 件。同时，这两个系统还必须满足整个系统的安全监测功能的需要。正是基于这 些目标和要求，确定了这两个系统的设计目标。 环境温度监测系统设计要求如下： 控制方案与h l s 控制系统一致 具有历史数据存储功能 数据可图表显示 测量精度：士o 1 磁铁冷却水出口温度监测系统的设计要求如下： 纳入e p i c s 的统一模式 具备本地巡检功能 具备就地显示、远程监控功能 具有就地报警和控制台报警功能 具有数据存储功能 数据可图表显示 测量精度：士o 1 中固科学技术人学坝j ：论文i l l s 温度监测系统的建矗发束流轨道稳定性的研究4 第一二章e p i c s 介绍 第二章e p i c s 介绍 e p i c s 是广泛用于粒子加速器等大型实验物理装置的分布式控制系统，是h l s 控 制系统的基础，也是该课题依附的载体。本章首先简单介绍一下e p i c s 的基本框架， 包括硬件结构和软件结构。然后分别介绍e p i c sb a s e 的基本原理以及在两个温度监测 系统中充分应用的e p i c s 工具软件。由于在环境温度监测系统中i o c 部分采用v x w o r k s 操作系统，所以在这章将简要说明v x w o r k s 操作系统的运行机理及串口通信方法。 2 1e p i c s 总体介绍1 6 】 e p i c s ( e x p e r i m e n t a lp h y s i c sa n di n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m ) 最初是由美国洛斯阿拉 莫斯国家实验室( l a n l ) 和阿贡国家实验室( a n l ) 等几家实验室为加速器和其它大 型实验装置联合开发的控制系统。它采用当今世界上的“标准模型”，在总体上为分布式 结构，采用c l i e n t s e r v e r 和p u b l i s h s u b s c r i b e 模式进行计算机闻的通信。并且其上层操 作员接1 2 1 和下层设备接口都具有很强的可塑性( f l e x i b l e ) 和扩展性( e x t e n s i b l e ) 。由于 e p i c s 具有这些特点，再加上其所有代码都可以在其成员间免费共享，所以e p i c s 不 仅已经为世界上众多的实验室所采用，广泛用于加速器、探测器以及天文台等大型实验 装置的控制，而且也为一些公司采用( 如波音公司等) 。其合作开发成员不断增加，现 已达1 0 0 多家。 e p i c s 的软件结构上分为三层：c a 客户( c a c l i e n t ) 、c a j 务器( c a s e r v e r ) 和 过程数据库( p r o c e s sd a t a b a s e ) 。如图2 1 所示。 中囝科学技术人学钡i ：论义h l s 温度j 瞌测系统的建妒发柬流轨道稳定件的研究4 第二二章e p i c s 介绍 a r c h i v ev i e w i n g i a r c h i v ea n a l y s i s1 千 个 上山 u s e rt o o l s a r c h i v ea c c e s s p r o g m mi n t e r f a c e s d m ， 一e d m ，d m 2 k ，e d m j d m c c + + f o r t r a n j 、，a a l a r mh a n d l e r s t d p t o o i a r c h i v i n g 1 i d l m a t l a b ，m a t h e m a t i c e k n o b m a n a g e r 个 a c t i v e x ，d d e ，v i s b a s i c s d d s ，s a d ，l c h a n n e ia c c e s sc l i e n t ( c a c ) * _ t c l p e r l p y t h o n ic o n n e c t o ns e r v “l c o n r l e c t j o n d a t a 下m n s f e r s s t a t en o t a t i o nl a n g f s q t i w a n l a n l o c a l 工 c o n n e c t i o n i d a t at r a n s f e r s c o n n e c t i o n l d a t at r a n s f e r s c h a n n e ia c c e s ss e r v e f ( c a s ) p o r t a b l ec h a n n e la c c e s ss e r v e r ( c a s ) 0 士00 d be n g i n et y p e sg e n e r i cd a t ad e s c r i p t o r a c c e s sl i ba c t i v e x d e v i c es u p p o r t a n y d a t a d e v i c es u p p o r tc h a n n e ia c c e s sc l i e n ts t o r e l a b v i e w ，e x c e l g a t e w a y p o r t a b l ec a sp c a s - w i n d o w s 图2 - 1e p i c s 软件分布图 c a - c l i e n t 主要是一些o p i 工具和数据存盘工具等。另外i o c 也有一些c a c l i e n t ，用 于访问其它o c 的数据。c a - s e r v e r 主要运行于i o c ，为各种c a - c l i e n t 提供数据库访问的 服务。另外一种c a s e r v e r 是便携式c a - s e r v e r ( p o r t a b l ec as e r v e r ) ，它一般不被用来直 接对控制对象进行控制，而是提供数据的中转。e p i c s 数据库主要是由记录( r e c o r d ) 和描述记录的结构组成。它们在系统启动时被下载至1 i o c ，文件名对应于曲和d b d 。 记录和硬件的接口是通过设备支持( d e v i c es u p p o r t ) 和设备驱动( d e v i c e d r i v e r ) 来实 现的。e p i c s 通过一个记录或一组记录的组合来实现一个控制功能。记录的任何一个可 以被动态访问的域称为过程变量( p r o c e s s v a r i a b l e ，p v ) 。 基于e p i c s 控制系统在硬件结构上分为三层，即操作员接口( o p e r a t o ri n t e r f a c e 或 o p i ) 、局域网( l a n ) 和输入输出控制器( i n p u t o u t p u tc o n t r o l l e r 或l o c ) 。基于e p i c s 的控制系统硬件分布如图2 2 所示： 中周科学技术人学顾l ：论文 h l s 温度航测系统的连以及柬流轨道稳定性的研究 5 第二幸e p i c s 介绍 r a m o t ea n dl o c a l u ob u s u ： c o n t r o l n e t ，c a n b u s ，i n d u s a yp a 出v m e ，v x i ，p c i ，i s a ，c a m a c ， g p m ，p r o t i b u s ，b t l b u s 。s i n a i ，a l l a l b r a d l e y ，m o d u s ，y o k o g a ，g - 3 ， e t h 训p 幽2 - 2 基t - e p i c s 的控制系统硬仆结构l 鳘l o p i 可以是s u n 、h i 、d e c a l p h a 、s i l i c o ng r a p h i c s 等工作站或p c 。操作系统是 s u n o s ，s o l a f i s 、h p u x 、d e c u n 、s g 、w i n d o w sn t 或l i n u x 。i o c 可以是基于 v m e 、v x i 或p c i i s a 的控制器，其操作系统是v x w o r k s 实时操作系统。f i e l df o 支持 c a n - b u s ，i n d u s t r yp a c k ，v m e ，v x l ，p c i ，i s a ，c a m a c g p i b ，p r o f i b u s ，b i t b u s 和s e r i a l ( r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 ) 、a l l e n b r a d l e y 、m o d b u s 等。 2 2e p i c sb a s e 介绍 e p i c sb a s e 是e p i c s 的核心部分，它提供了c a 客户端和服务器端的库、静念和动 态访问数据的子程序、数据库处理程序、标准记录、设备支持和驱动支持，同时还提供 了大量工具程序，可以用来进行c a 测试等工作。 最新的e p i c sb a s e 将i o c 上的代码移植到多种操作系统上，i o c 可以运行在v x w o r k s ， s o l a d s ，g n u l i n u x ，h p u x ，r t e m sa n dw i n 3 2 上，一个i o c 软件组成如图2 3 所示。 每个i o c 的核心是数据库( i o cd a t a b a s e ) ，它是由记录和描述记录的结构组成，它 们在系统启动时被下载到各i o c 内，分别对应于曲和t ，d b d 文件。e p i c s 支持几十种记 录类型，并可根据需要扩展。每一个记录类型都有一组域( f i e l d ) ，称为过程变量( p r o c e s s v a r i a b l e ) 。e p i c s 通过这些记录束控制硬件设备。记录具有如下特点： 中阉科学技术人学坝j j 论义 h l s 温度般测系统的建0 ：发束流轨道稳定件的研究 6 第二章e p i c s 介绍 在局域网内名字唯一 控制对象的行为决定于对应记录的类型 通过相对的域( f i e l 凼) 进行控制 通过设备支持或设备驱动与硬件接口 可与其它记录连接 除了记录支持和设备支持之外，所有对数据库的访问都必须通过一组数据库访问例 程( 称为d a t a b a s e a c c e s s 或d a ) 来完成。而在i o c 之外的访问则必须通过c a 来访问。 数据库扫描( s c a n n e r s ) 机制决定记录何时被处理，每一个记录都必须规定一种扫 描机制。数据库具有四种扫描机制：周期性、事件驱动、i o 中断和被动处理( p a s s i v e ) 。 扫描机制的选取是根据其控制对象的特点而决定的。 周期性：周期性地处理记录。其时间间隔原则上是可以任意选取的，但由于系 统的限制，其最小值只能是一个时钟自j 隔( t i c k ) 。在缺省情况下，v x w o r k s 的 时钟是6 0 h z ，因此最小时间问隔是1 6 0 秒。 事件驱动：通过事件驱动的记录必须将其s c a n 域设为e v e n t ，同时还要为每 个e 、w t 域设一个事件代码。这种机制相当于软中断。 i o 中断：硬件中断驱动。通过i o 中断驱动的记录必须将其s c a n 域设为i o i n t r 。 被动处理：被动处理的记录，其s c a n 域的值为p a s s i v e ，它们在两种情况下 都可被处理：( 1 ) 通过d a t a b a s ea c c e s s 的“p u t 改变某些域的值。( 2 ) 被连接 ( 1 i n k e d ) 的记录( 如f o r w a r d l i n k 、o u t p u t l i n k 或i n p u t l i n k 且规定为p a s s i v e p r o c e s s ) 其上端记录处理时。 中周科学技术人学坝i ：论文h l s 温度骶测系统的矬以及柬魄轨道稳定忤的研究 7 第二章e p i c s 介绍 图2 - 3i o c 软刑：组成图 记录支持( r e c o r ds u p p o r t ) 决定记录如何被处理。设备支持是记录和设备的接口， 一种记录可以有多种设备支持来支持不同的设备，但一个具体的记录只有一个设备支 持。设备支持可以直接访问具体的硬件。如果硬件系统较为复杂的话，可以调用设备驱 动来访问硬件。记录支持、设备支持和设备驱动都可以根据需要增加和扩展。当记录被 处理时，它们将完成如下功能： 数据输入或输出 数据转换。对输出或输入的数据进行特定方式的转换 设置报警状态。检验报警状态，当某一报警状态发生时，发出报警信号 监视某些相关的域，当它们的变化量超过某一特定值时，发出一个事件信号， 用于触发c a 的回调程序 触发相互连接的记录进行处理 e p i c s 的o p i 和i o c 是通过c a 协议来进行通信的，c a 采用客户服务器模式， 为e p i c s 的数据访问提供网络透明的服务。每个i o c 内都有一个c a 服务器，原则上 可以和任意多个c a 客户端程序建立联系。在i o c 和o p i 内都有客户端程序，一个客 户端程序也可以和多个服务器程序建立通信。 c a 客户程序是根据过程变量的名字束和相应的i o c 建立联系的。每一个c a 客户 程序都具有如下几种基本功能：根据过程变量名查找相应的i o c 并与之建立联系、获 取过程变量的值及其相关信息、改变过程变量的值等。此外客户程序还提供状态变化回 调( s t a t ec h a n g ec a l l b a c k ) 的功能，当相应过程变量的状态发生变化时，系统将回调 中国科学技术人学硕i ：论史h l s 温度临测系统的建证及柬流轨j 苴稳定住的研究 8 第二章e p i c s 介绍 对应的c a l l b a c k 例程完成相应的处理。 c a 服务器由三部分组成：查找服务器、连接请求服务器和连接管理服务器。查找 服务器主要用于应答c a 客户的查找请求。当查找服务器接到查找请求时，它就在本i o c 内查找请求信息内的过程变量。如果找到，则做出应答。连接请求服务器主要接收客户 的连接请求并与之建立连接。同时，这些连接又被映像到d a ，从而使得客户获得对应 于某过程变量的信息。连接管理服务器的功能是：当c a 服务器或客户故障时，它将告 知c a 客户或服务器。当c a 客户出现故障时，服务器将断开与之的连接。当服务器出 现故障时，客户将在服务器恢复后重新建立连接。 2 3e p i c se x t e n s i o n s e p i c sb a s e 只负责建立基本的控制系统，要完成大量的实际工作还要利用各个实 验室协作开发的内容丰富的e p i c s 扩展工具集。e p i c se x t e n s i o n s 中的工具涉及了控制 系统的各个方面，如监控、测试、i o c 数据库开发、报警处理、数据存档、数据检索等， 然而更多的是和其他程序设计语言和工具的接口，如p y t h o n 、j a v a 、m a t l a b 等，使得这 些强大的语言和工具都能够被用来完成系统控制的工作。 m e d m 忉 m e d m 是一个基于g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 的o p i 工具，用来生成、编辑 和管理运行控制接口。它包含有一组图形对象( g r a p h i c a lo b j e c t ) ，用来显示或改变对 应的过程变量( p v ) 值。它有两种运行模式，编辑模式( e d i t ) 和执行模式( e x e c u t e ) 。 编辑模式是用于创建和编辑控制界面。用户可以创建和某p v 相联系的图形或文字界 面。在执行模式下，这些创建好的界面就和其对应p v 建立通信联系，监视或控制它们 的值。当和c a s e r v e r 失去联系时，对应区域变成白色。通讯恢复j 下常后，颜色恢复币 常，显示获取的数据。 v d c t t s l v d c t ( v i s u a ld a t a b a s ec o n f i g u r a t i o nt 0 0 1 ) 是一个完全是用j a v a 编写的i o c 数据 库编辑和配置工具，它最初由c o s y l a b 实验室开发，为瑞士光源的一个项目，旨在替代 d c t ( t c l t kd a t a b a s ec o n f i g u r a t i o nt 0 0 1 ) 和g d c t ( g r a p h i c a ld a t a b a s ec o n f i g u r a t i o n 中田科学技术人学硕i 。论文h l s 温度；惰铡系统的建以及束旒轨_ 氆稳定性的研究 9 第二章e p i c s 介绍 t 0 0 1 ) 成为一个标准的数据库配置工具。它现在受到a p s 、d i a m o n d 和s n s 实验室 资助，遵循开源许可发行，能够方便的运行在各种平台上。 c h a n n e la r c h i v e r _ 【9 1 c h a n n e la r c h i v e r 是e p i c s 的一个数据存档工具集，作为一个c a 客户端，能将任 何可以通过c a 获得的数据存档。所谓觚1 1 i v e r 就是对数据进行取样、存档和检索的一 系列程序。c h a n n e la r c h i v c r 大体可以分为数据的采样、存储和检索三部分。 a r c h i r ev i e w e r 1 0 】 e p i c sa r e h i v e v i e w e r 是一个可扩展、多线程的客户端程序，可以用来显示已存档 的e p i c s 数据。它是完全用j a v a 写成的，因此它不受平台限制。目前它主要作为c h a n n e l a r c h i v e r 数据存档服务器的客户端程序，具有支持不同的存档服务器和添加新的数据绘 图部件两方面的扩展性。 a r c h i v e v i e w e r 支持x a l 、命令行和j s p 三种运行模式，具有如下特点 可以通过正则表达式搜索通道 支持公式，如基本的数学运算、布尔操作、最大最小值及平均值的函数 可以通过开发插件添加新的客户端和数据导出及绘图工具 绘制的曲线可以在垂直和水平两个方向缩放 可以将数据导出为c s v 格式的文本文件 可以保存和加载设置 可以同时有多个时间和数值坐标 三种绘图方式( s c a t t e r 、s t e p s 和l i n e s ) 可以以绝对和相对的方式指定时间范围 a s y n d r i v e r t l i l 在e p i c s 中，每个记录类型除了对应一个记录支持模块以外，还有一个对应的二 进制数的设备支持支持模块。设备支持模块可以分为两类：同步( s y n c h r o n o u s ) 和异 步( a s y n c h r o n o u s ) 。同步设备支持一般适用于访问i 0 延迟几微秒的情况，异步设备支 持适用于访问i o 时间大于1 0 0 微秒的情况。 a s y n d r i v e r 是应用于接口设备代码细节和底层驱动之间的一个工具软件。 a s y n d r i v e r 的一个基本设计目标是为e p i c si o c 设备驱动编写提供便利，不同于l i b c o m 中闻科学技术人学颂i 论义h l s 温度犄测系统的建以及柬流轨道稳定件的研究 i o 第二章e p i c s 介绍 的是它相对于e p i c s 的独立性较强。a s y n d f i v e r 具有以下功能： 设备支持和驱动通过接口的通信 提供访问设备访问的口的注册和连接信息 捌s y n m a n a g e r 组件控制口的访问 a s y n t r a c e 组件提供常用的诊断工具 a s y n r e c o r d 组件提供与m e d m 相联系的e p i c s 记录 提供r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、g p i b 和以太网等标准接口的通信工具 图2 - 4 显示的是访问一个接口的实例。 i 。p p 。l “i c a “t i o ”n 篇譬=t h - d !c o d er u 。n n i n 。g m l n e c o r o5 u p m 印月 l；，厂， ) e 、b ”。“。”“9 9 ”。j ， ! s ， 久h a 崭蒋斋八一， 矗 ： lu ”v _ 日 v 、 l圆 2 4v x w o r k 介绍陋1 4 1 i 图2 - 4 异步控制流程示意图 2 4 1v x w o r k s 总体介绍 v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计丌发的一种嵌入式实时操 作系统( i u d s ) ，是嵌入式丌发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的 内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好 的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时 性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。 在交互式应用程序领域，u n i x 和w i n d o w s 无疑是两种非常成功的操作系统，但 是，它们并不适合于实时应用程序。一般的实时操作系统因为比较专业化，缺乏良好的 应用开发界面，尤其是图形用户界面。综合这两类操作系统的优点，并且发挥出自己最 中因科学技术人学坝l 论文 h l s 湓度舱测系统的建讧发束汛轨道稳定性的研究 第二章e p i c s 介绍 大优势的实时操作系统就是v x w o r k s 。它使在宿主机方面操作和应用变得更方便，实 时和嵌入性能变得更好。另外，v x w o r k s 允许按照不同的应用需求进行定制。在开发 的过程中，可以利用一些特性加快开发速度，在开发结束之后可以将这些特性删除，以 得到紧凑高效的操作系统。在宿主机上可以运行交叉开发平台的编辑器、编译器和连接 器，并且可以存储实时程序代码，然后在v x w o r k s 上运行和调试实时代码。最后的 v x w o r k s 应用程序不再需要网络或者宿主机的帮助，可以单独运行在r o m 或者基于磁 盘的设备中。正是因为v x w o r k s 这些特点，h l s 控制系统各级控制器的控制软件大都 是基于v x w o r k s 实时操作系统的。 v x w o r k s 主要有微内核w i n d 、i o 子系统、文件系统和网络系统等部分，其结构 如图2 5 所示。各组件的功能： 微内核w i n d 提供了多任务运行和任务间通信的机制； 1 【，o 系统提供了对不同种设备上的设备无关的操作。共有7 种基本的l d o 例程： c r e a t e ( ) 、r e m o v e ( ) 、o p e n ( ) 、c l o s e ( ) 、r e a d ( ) 、w r i t e ( ) 和i o e t l ( ) ，并 且还提供了一些高层的i o 例程，如p r i n t f ( ) 函数和s c a n f ( ) 函数。 v x w o r