基于CompactRIO的激光电源远程监控*

林思苗， 张艳荣， 郭丽萍, 刘 震

(西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

基于CompactRIO的激光电源远程监控*

林思苗， 张艳荣， 郭丽萍, 刘 震

(西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

针对目前大功率激光电源实时监测难度大的问题，设计了基于CompactRIO实时控制器的大功率激光电源远程监控系统。以LabVIEW实验室虚拟仪器集成环境为开发平台，由PC客户端和实时(RT)控制器端组成，实时控制器端将激光电源的实时状况经过以太网实时打包传送给远程监控端，远程控制端则将所收到的信息解包并显示在监控界面上，监控系统即可对激光电源的各项参数实现远程可视化监控。经反复测试，结果表明:系统运行稳定，满足监控要求。在远端的工作人员不用亲临现场，通过远端的控制端可以实时了解激光电源的工作状况，达到了对激光电源的远程监控的目的。

CompactRIO； LabVIEW；远程控制； 以太网

0 引 言

目前,半导体激光器在军事、工业和研究领域得到广泛的应用，尤其是在激光测距、激光雷达、激光通信等领域。然而激光器的各项输出主要由激光电源输入电流控制，则半导体激光器在实际应用中的实时质量(各项输出参数)的稳定性很大程度上取决于激光电源的工作稳定性。激光电源输出脉冲电流的脉宽、幅值、频率等参数，即使是细微的变化都将造成半导体激光器不能稳定工作 ，但由于环境等外部因素的影响，出现工作故障是难免的。一直以来，激光电源出现故障以后，要等到工作人员发现以后才能对激光电源各项参数进行调节，造成因没有及时调节激光电源而引起巨大的测量误差或者严重的损失[1～3]。因此，当激光电源的参数超过正常工作范围时，需要有对应的报警功能，并且即使不在现场，工作人员在远程人机交换界面能够看到报警，进行实时的调节，保证激光电源能够正常运行，减少各个领域中的测量失误或者经济损失。本文设计了一种有效的实时监控系统，对激光电源进行实时监测。监测的参数包括：输出电流、输出电压、电流脉冲频率，多项故障报警。

1 CompactRIO与LabVIEW

CompactRlO平台是美国国家仪器(National Instrument，NI)推出的是一种小巧坚固的控制和采集系统，该平台融合了可重新配置I/O和现场可编程门阵列(field program-mable gate array，FPGA)技术，实现了高性能和自定义功能。CompactRlO采用了Freescale公司的PowerPC微处理器，运行VxWorks实时操作系统。其中PowerPC通过内部PCI总线与Xilinx FPGA相连接，使得CompactRlO适用于对可靠性有严格要求的嵌入式或分布式应用[4,5]。此外，该实时控制器还内置有热插拔工业I/O模块和可直接与传感器连接的信号调理模块。其内部数据通过CompactRlO核心内置数据传输机制传到PowerPC微处理器以进行实时分析、处理或与主机通信。文献[5]和文献[6]给出了CompactRlO内部系统的基本组成， CompactRlO嵌入式系统的核心是可重新配置的机箱，包含RIO FPGA核心。其中，FPGA可以通过定制硬件实现控制逻辑、输入/输出、定时、触发和同步设计。

在计算机或嵌入式控制器的硬件基础和LabVIEW的软件平台基础上，搭建的系统具有强大的测控功能和较强的系统稳定性[7,8]，在系统的整体搭建上起到了重要作用。利用LabVIEW的信号采集，故障诊断程序在线运行的优势和CompactRIO 的硬件性能结合在一起使得系统的实时控制器端可以实现实时对被控对象的各项参数进行采集；另一方面，LabVIEW支持显示控制器前面板数据，人机界面友好，稳定性良好。

2 系统硬件设计

2.1 系统总体框架设计

设计的半导体激光电源远程监控系统如图1所示，分为3个部分：远程监控端，控制机箱和受控对象。其中，远程监控端即PC控制端，为在LabVIEW平台搭建的实时监控系统。上位机通过以太网发送查询指令给实时控制器，反馈后的激光电源的实时状态将在PC端的程序前面板显示在人机界面上。控制机箱主要由实时控制器CompactRIO、电压可调模块、隔离放大电路组成。CompactRIO利用内置FPGA的并行处理能力，生成同步脉冲信号，脉冲信号先后通过电压可调模块调整信号的幅值，经隔离放大电路隔离后送至各台脉冲电源[8]，用以保证脉冲电源中产生的脉冲电流的同步性。核心部件实时控制器则通过总线协议对受控对象进行查询访问，并负责将反馈的信息进行打包，通过以太网发送至上位机。被控对象为激光电源控制系统，即数台脉冲电源。对其设置参数范围：输出电压≤300 V，输出电流≤300 A，输出带宽≤500 μs，输出频率≤1 000 Hz。系统方框图如图1所示。

图1 监控系统框图

2.2 系统模块与通信协议的选取

为了实现大功率激光电源的远程监控，该监控系统设计采用NI CompactRIO—9012作为实时嵌入式处理器。选择的实时控制器设计坚固可靠，电源功耗较低，其工作温度范围70～-40 ℃。在控制机箱部分设计选择研华ADAM—4024 4通道模拟量输出模块作为电压可调模块，通过RS—485总线协议进行控制电压幅值。为了达到信号的输出、输入与传送绝缘隔离且单信号输出无反馈信号，选用了线性光耦隔离器6N137，为单通道的高速光耦合器。它由一个波长为850 nm的AlGaAs LED和一个集成检测器组成。NI提供了丰富的I/O模块。I/O模块内置各种类型信号的调制电路，用户无需再设计外围电路，各种传感器和调节器可直接与CompactRIO的I/O模块相连。设计选用8个数字通道NI—9401，可以满足设计要求[5～7]。

传输控制协议 (transmission control protocol，TCP)/网际协议 (Internet protocol，IP)是一种终端与终端的连接，在连接前发送端与接收端进行连接请求和ID匹配，连接稳定性较好。本文设计实时控制器与PC采用此协议，实现系统远程监控目的。

3 软件设计

3.1 整体流程设计

整个监控系统设计可分为3个部分：运行在上位机端的子程序；运行在实时控制器上的子程序；负责脉冲电流同步的FPGA子程序。整体系统流程图如图2。

图2 系统监控流程图

PC端首先将对应的IP地址的通信连接请求与实时控制器连接， 上位机将发送初始化指令给实时控制器。远程监控端指令发送程序是一个带按键检测定时循环，循环中程序每300 ms检测一次按键，如果有按键按下，则在下一个检测周期内执行打包指令。PC端口的接收程序可以理解成两个定时循环，前者在以太网接口读取到数据后将数据存入队列，并取出接收到下一个数据的长度。后者首先查看队列里有没数据，如果有则取出数据并根据取出数据的内容跳至对应的状态，最后完成信息显示。

RT(控制器端)首先对设定的IP地址进行比对，如果配对成功，将IP地址存入Local-PC寄存器。而指令接收程序部分，接口端接收数据以后将其存入队列。通信处理端口依次从队列中提取指令并读出指令内容，程序根据指令的内容按流程通过以太网与激光电源通信，激光电源的实时参数信息被打包通过以太网传输到PC端并实时显示。另一方面，实时控制器同时与对台脉冲电源通信，程序利用LabVIEW中TCP通信模块的函数设定，那么每个TCP连接都有独立的ID，实时控制器先将指令发送至各个激光电源，200 ms之后再逐个接收。

CompactRIO中内置2个专用于FPGA内部通信的DMA FIFO，通过专用的DMA通道，FPGA可以跳过CPU直接访问内存单元，利用自身实时性强的优势，使实时控制器可以以很快的速度访问读取DMA FIFO 中的数据。这部分在设计中起到根据外触发信号以及实时控制器传来的指令产生同步输出的作用。

3.2 激光电源监控

系统对激光电源的控制包括激光电源的输出、自动输出、工作电流自加1或自减1、各项参数设置、状态查询指令以及故障报警。其激光电源控制程序状态转移图如图3。

图3 电源自控制状态转移

为监控系统的整个流程，设计了一个有限状态机。工作的起始状态为空闲态，当程序在队列中检测到电源搜索指令时，程序跳转到电源搜索状态，实时控制器选中即将查询控制的电源，然后顺序跳转到电源各项参数查询状态、状态查询状态，如果没有其他指令，状态查询状态一直循环，如果检测到相关指令则跳转到对应状态。程序在200 ms之内检测到电源输出、电源停止、电源参数设置、电源工作电流+1等指令，程序则跳转对应状态，然后再返回到状态查询状态；如果队列中出现电源自动输出指令，随之实时控制器向对应的选中电源发出电源自动输出命令，程序跳转到状态查询模块。此时状态查询要查询电源的工作电流是否达到目标设置电流，如果没有达到，则跳转到电源工作电流+1或-1状态来实时调整，直至PC端发出停止指令或工作电流达到设置目标电流时，程序才跳转到状态查询状态。

4 系统验证

系统要完成激光电源的系统报警。缺水、恒流模块温度过高、输出电压超压、输出电流过流报警，实现激光电源的远程控制，确保激光电源正常工作。如果发生故障，在远程工作端的工作人员能够及时接到报警，采取相应措施。为验证激光电源远程控制系统的有效性，反复测试，结果表明，该测试系统能正常工作。测试运行界面如图4所示，系统检测出当前输出电流90.65 A，脉冲电流的脉宽8 ms，工作频率50 Hz,输出稳定；输出电压100.71 V。各项运行参数都在设置范围内，激光电源正常工作。

图4 激光电源监控系统运行界面

5 结束语

设计了一个监控激光电源实际工作参数，并对其实时控制调节。利用LabVIEW 搭建的实时监控平台经过测试，达到了对激光电源的实时重要参数进行实时监控。即使有工作环境条件限制，远程控制端的工作人员也无需亲临现场能够实时地掌控激光电源的工作状态，达到了设计要求。

[1] 鲜晓东,常 超,胡 颖,等.基于WSNs和GSM的室内环境监测预警系统设计[J].传感器与微系统,2011,30(6):141-144.

[2] 胡 玥,辛德胜,杨 帆.半导体激光引信光束准直技术研究[J].科技创新导报,2012,22(2):24-25.

[3] 姜晓华,陈 瑜.准连续大功率半导体激光器电源[J].长春光学精密机械学院学报,2001,23(3):1-4.

[4] 王小飞,李伯全,罗开玉,等.基于CompactRIO的远程动态测试系统设计[J].现代科学仪器,2010,6(3):42-44.

[5] 周宇浩,李晓健,张成龙,等.基于CompactRIO的真空断路器机械特性在线监测系统设计[J].实验室研究与探索,2015,34(3):137-141.

[6] 谢 宽,吴杰长,陈国钧,等.基于CompactRIO的平台的舰船实船训练系统[J].机电工程,2013，30(4):505-508.

[7] 袁 媛,李绍稳,汪伟伟,等.基于LabVIEW的虚拟仪器技术研究与应用[J].农业网络信息,2005(4):6-10.

[8] 刘斌友,王雪梅.基于CompactRIO的便携式导弹自动测试系统设计[J].导箭与制导学报,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

国家自然科学基金资助项目(51475387);中央高校基本业务费专项基金资助项目(2682014CX033);四川省科技创新苗子工程项目(2015102)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0077—03

TP 23

A

1000—9787(2017)06—0077—03

林思苗(1988-)， 男，硕士研究生,主要研究方向为网络测控。