EPICS在望远镜控制系统中的应用研究

摘要

自1609年意大利人伽利略组合第一台天文望远镜以来，随着电子技术及计算机技术的发展，望远镜设备愈来愈呈现大型化，复杂化趋势，我国正在建设的贵州平塘射电望远镜最大口径已达500米。这一趋势带来了望远镜控制系统的复杂性，需要多台计算机协同操作，每台计算机分别控制不同硬件部分，组成一个控制局域网络，因此现代大型望远镜控制系统都是分布式的。系统从上至下，分为三个层次，上层主要集中在整个望远镜的观测控制以及数据处理等，底层主要是对硬件设备的具体控制，中间层进行从上层到底层的转发操作。由于大型望远镜的设备是由不同研究机构设计并实现控制系统，因此设备间以及不同的设备的研究机构的软件技术的协同工作显得尤为重要。另外，由于望远镜设备的复杂性，望远镜的底层控制需要很好的硬实时性，底层的硬件设备需要实时的接收上层控制系统命令并做出相应的变化;相同，上层接收底层硬件设备的反馈必须有很好的实时性，望远镜控制系统实时根据望远镜的状态进行闭环控制。大多数望远镜相关设备的研究机构都有自己的特色控制系统，采用不同的软件技术和软件平台，在集成大型望远镜的中央控制系统中需要针对不同的望远镜设备控制系统做不同的事情，对不同类型的设备控制系统完成不同的接口，以完成设备间的通信过程。
　　综上所述，现代望远镜控制系统中有两种很重要的需求，要具有很好的实时性且分布式运行的望远镜控制系统软件，即硬实时性和分布式。EPICS(The Experimental Physics and Industrial Control System)框架正是为了满足大型物理实验装置控制系统的实时性而研发的，具有很好的实时性，EPICS控制系统框架每秒指令的并发数可以达到数千条，甚至可以直接嵌入硬件设备运行其中，这样硬件的控制更加实时。本文通过FAST(The five-hundred-meter aperturespherical radio telescope)望远镜反射面控制系统实验，采用被广泛应用的EPICS技术，设计并实现FAST望远镜反射面的控制系统，成功在FAST密云模型上进行试验。在南极小望远镜项目中，采用EPICS技术实现每个设备的控制程序，并修改开源的可自主控制的小望远镜控制系统框架RTS2(Remote Telescope System，2nd Version)，使其可以接入EPICS的IOC(Input/Output controller)类型的设备控制程序，集成的控制系统既有了EPICS的实时性，也有了RTS2的自主控制、可远程操作等特点。
　　本论文主要的工作如下:
　　1.详细介绍EPICS的框架与架构，对其每部分的功能与工具进行了介绍，最后介绍EPICS在实验装置控制系统中的应用。
　　2.基于EPICS的FAST反射面控制程序设计，针对底层区域控制单元，实现IOC程序控制反射面节点，并在FAST密云模型上进行实际测试，得到了很好的验证。
　　3.在南极望远镜项目中，在开源的小望远镜远程自主控制系统RTS2基础上，通过修改以接入EPICS设备控制IOC程序，并能实现望远镜原有功能，利用修改后的控制系统，在科大天文系的小望远镜上进行实际测试，得到了很好的验证。