EPICS DataBase详解

1、分布式EPICS设置

1） 操作界面：包括shell命令行方式(caget, caput, camonitor等)和图形界面方式(medm, edm, css等)。

2）输入输出控制器(IOC)

2、IOC

1) 数据库：数据流，基本上周期运行

2)sequencer：基本上按需的状态机

"硬"IOCs运行vxWorks并且直接连接了A/D, D/A， LLRF等硬件。

"软"IOCs运行在linux等上并且除了串口或网络设备外没有I/O硬件。

3、IOC数据库

1）'IOCcore'软件装载并且执行'记录(records)'-记录配置替代了编写自定义代码。

2）所有控制系统控制箱有：GUI工具; 网络协议；硬件驱动，但基本上没有一个相当的数据库。

4、示例：基本的温度控制

任务：

1）从设备读取温度

2）根据需要接通/断开开关

3）重复

一个温控数据库：

使用VisualDCT设计的由四个记录组成的数据库：

1）模拟输入记录(ai：$(TANK)TEMPERATURE)从设备读取温度值，并且把温度值写入到calcout($(TANK)CHECK)记录。

2）calcout($(TANK)CHECK)记录是通过通道访问从$(TANK)TEMPERATURE获取当前温度和通过数据库访问从模拟输入记录ai($(TANK)SETPOINT)获取了设定温度，并且把二者进行比较，并且把比较结果写入到二进制输出记录bo($(TANK)SWITCH)。

3）二进制输出记录bo($(TANK)SWITCH)根据写入的值是0或1，向设备发出断开或者闭合开关的指令。

以下是文本数据库：

1）$(TANK)TEMPERATURE：模拟输入记录ai用于读取设备的输入。

2）$(TANK)CHECK：calcout记录用于比较输入和设定值，并且在比较结果发生变化时，输出比较结果。

3）$(TANK)SWITCH：二进制输出记录bo，向设备输出向其写入的值。

4）$(TANK)SWITCH_RBV：二进制输入记录bi，用于读取设备的开关状态。

5）$(TANK)SETPOINT：模拟输入记录ai，提供给用户设置温度设定值。

record(ai, "$(TANK)TEMPERATURE") {
  field(DESC, "Read Temperature")
  field(SCAN, "I/O Intr")
  field(DTYP,"asynFloat64")
  field(INP,"@asyn($(PT1), 0,1000)FLOAT32_BE")
  field(PREC, "1")
  field(LINR, "NO CONVERSION")
  field(EGU, "Celsius")
  field(HOPR, "100")
  field(LOPR, "0")
  field(SMOO, "0.5")
  field(HIGH, "15")
  field(HSV, "MINOR")
  field(PINI, "NO")
}

record(calcout, "$(TANK)CHECK") {
  field(DESC, "Control Heater")
  field(CALC, "A<B")
  field(INPA, "$(TANK)TEMPERATURE CP MS")
  field(OUT, "$(TANK)SWITCH PP")
  field(OOPT, "On Change")
  field(DOPT, "Use CALC")
  field(INPB, "$(TANK)SETPOINT")
}


record(bo, "$(TANK)SWITCH") {
  field(DESC, "Heater Switch")
  field(SCAN, "Passive")
  field(DTYP,"asynUInt32Digital")
  field(OUT,"@asynMask($(PT2) 0 0x1)")
  field(OMSL, "supervisory")
  field(ZNAM, "Open")
  field(ONAM, "Closed")
  field(IVOA, "Set output to IVOV")
  field(IVOV, "0")
}

record(bi, "$(TANK)SWITCH_RBV") {
  field(DESC, "Heater Switch Readback")
  field(SCAN, "I/O Intr")
  field(DTYP,"asynUInt32Digital")
  field(INP,"@asynMask($(PT3) 0 0x1)")
  field(ZNAM, "Open")
  field(ONAM, "Closed")
}

record(ai, "$(TANK)SETPOINT") {
  field(DESC, "Temperature Setpoint")
  field(SCAN, "Passive")
  field(INP, "10")
  field(HOPR, "100")
  field(LOPR, "0")
}

使用modbus-slave软件模拟设备端：

1）温度定义如下：用两个字组成一个32位大端浮点数

2) 开关定义如下：用一个线圈位模拟一个开关

启动脚本设定如下：

#!../../bin/linux-aarch64/tank

#- You may have to change tank to something else
#- everywhere it appears in this file

< envPaths

cd "${TOP}"

## Register all support components
dbLoadDatabase "dbd/tank.dbd"
tank_registerRecordDeviceDriver pdbbase

drvAsynIPPortConfigure("TANK","192.168.50.252:502",0,0,1)
#modbusInterposeConfig(const char *portName,
#                      modbusLinkType linkType,
#                      int timeoutMsec,
#                      int writeDelayMsec)
modbusInterposeConfig("TANK",0, 5000,0)

# one float32 input read
drvModbusAsynConfigure("PT1", "TANK", 1, 4,  0, 2, 0, 500,  "Tank")

# one bit write
drvModbusAsynConfigure("PT2", "TANK", 1, 5,  0, 1, 0, 1000, "Tank")
# one bit read
drvModbusAsynConfigure("PT3", "TANK", 1, 1,  0, 1, 0, 500,  "Tank")

## Load record instances
dbLoadRecords("db/tank.db","TANK=TANK:, PT1=PT1,PT2=PT2,PT3=PT3")

cd "${TOP}/iocBoot/${IOC}"
iocInit

运行这个IOC，并且查看IOC中加载的记录：

../../bin/linux-aarch64/tank st.cmd
#!../../bin/linux-aarch64/tank
< envPaths
...
############################################################################
## EPICS R7.0.7
## Rev. 2023-05-18T10:40+0800
## Rev. Date build date/time:
############################################################################
iocRun: All initialization complete
## Start any sequence programs
epics> dbl
TANK:TEMPERATURE
TANK:SETPOINT
TANK:SWITCH_RBV
TANK:SWITCH
TANK:CHECK

CSS界面：

1）当在modbus-slave中设置环境温度大于Set Point的温度时，开关会自动打开。

2）当在modbus-slave中设置环境温度小于Set Point的温度时，开关会自动闭合。

5、Database = Records + Fields + Links

1）IOC装载并且执行一个或多个数据库。

2）每个数据库有若干记录。

3）每个记录有以下字段：

名称(在整个网络上唯一)
类型(确定字段和它们的功能)
字段(属性，可以运行时被读取，绝大部分也能被写入)。
经常有与硬件连接的设备支持。
指向其他记录的链接。

6、记录是活动的

1）记录做事情的

从其他记录或者硬件获取数据
执行计算
检查值范围，产生警报
写入其他记录或硬件

记录做什么取决于记录类型，字段值，设备支持

2) 何时运行记录

记录周期性运行或者被事件或者其他记录触发运行。

除非一个记录被运行了，否则不发生操作。

7、第一个记录"first.db"

这是最简单的记录，它每秒产生一个随机数。

record(calc, $(P)Random)
{
  field(SCAN, "1 second")
  field(INPA,  "10")
  field(CALC,  "RNDM*A")
}

1）执行：softIoc -m P=FIRST: -d first.db

root@orangepi5:/usr/local/EPICS/program/softdb# softIoc -m P=FIRST: -d first.db
Starting iocInit
############################################################################
## EPICS R7.0.7
## Rev. 2023-05-18T10:40+0800
## Rev. Date build date/time:
############################################################################
iocRun: All initialization complete
epics>

2) 在另一个终端中：camonitor FIRST:Random

(base) [blctrl@localhost EPICS]$ camonitor FIRST:Random
FIRST:Random                   2024-05-01 03:34:42.839417 3.26696
FIRST:Random                   2024-05-01 03:34:43.839276 0.0920119
FIRST:Random                   2024-05-01 03:34:44.839298 2.97612
FIRST:Random                   2024-05-01 03:34:45.839343 4.24582
^C

3) 尝试dbl，dbpr, dbpf命令：

epics> dbl
FIRST:Random
epics> dbpf FIRST:Random 10
DBF_DOUBLE:         10
epics> dbpr FIRST:Random
A   : 10            AMSG:               ASG :               B   : 0
C   : 0             CALC: RNDM*A        D   : 0             DESC:
DISA: 0             DISV: 1             E   : 0             F   : 0
G   : 0             H   : 0             I   : 0             J   : 0
K   : 0             L   : 0             NAME: FIRST:Random  NAMSG:
SEVR: NO_ALARM      STAT: NO_ALARM      TPRO: 0
VAL : 3.27107652399481

数据库可以分开，用以下方法在一个IOC中加载若干数据库文件：

first_a.db：

# first_a.db
record(ai, "$(P)Range")
{
  info(autosaveFields, "VAL")
  field(INP,  "10")
  field(PINI, "YES")
}

first_b.db:

# first_b.db
record(calc, "$(P)Random")
{
  field(SCAN, "1 second")
  field(INPA, "$(P)Range")
  field(CALC, "RNDM*A")
}

#softIoc -m P=FIRST: -d first_a.db -d first_b.db

root@orangepi5:/usr/local/EPICS/program/softdb# softIoc -m P=FIRST: -d first_a.db -d first_b.db         
Starting iocInit
############################################################################
## EPICS R7.0.7
## Rev. 2023-05-18T10:40+0800
## Rev. Date build date/time:
############################################################################
iocRun: All initialization complete
epics> dbl
FIRST:Range
FIRST:Random
epics>

8、记录类型

1）ai/ao：模拟输入/输出：-读取/写入数值，映射成工程单位

2）bi/bo：二进制输入/输出：-读取/写入位，映射成字符串

3）calc：公式

4）mbbi/mbbo：多位二进制输入/输出：-读取/写入16位数值，映射位模式到字符串。

5）stringin/stringout：longin/longout, seq, compress, histogram, waveform, sub, ..

9、公共字段

1）设计时间

-NAME：记录明，网上唯一。
-DESC：描述。
-SCAN：扫描机制。
-PHAS：扫描阶段。
-PINI：初始化时运行一次。
-FLNK：转发链接。

2）运行时

-TIME：时间戳。
-SEVR，STAT：警报严重性，状态。
-PACT：运行活动的。
-UDF：未定义？从未运行？
-PROC：强制运行。

3）还有

-TPRO：跟踪运行，设为1来调试记录运行。

10、记录扫描

1）SCAN字段

- 当被其它记录运行时："Passive"（默认）

-周期地：".1 second", ".2 second", ".5 second", "1 second", "2 second", "5 second", "10 second"。

-事件触发：

"Event"：（EVNT字段选择事件）
"I/O Intr"：(如果设备支持允许这个)。

2）PHAS字段

对处于相同周期扫描地记录添加顺序。首先PHAS=0，接着PHAS=1， ...

3）PINI字段

设置成"YES"使得记录启动时运行一次。对基本不再更改的"操作输入"记录有用，因此它们有一个初始值。

4）PROC字段

写入这个字段将运行一个记录。

11、数据库和IOC其它部分

1）记录扫描运行优先级高于通道访问或PV访问

在高CPU负载，PVs在记录仍然在运行时可能没有连接。

2）0.1秒扫描运行优先级高于10秒扫描。

3）PRIO字段为异步完成和事件扫描的记录选择优先级。

12、公有的输入/输出记录字段

DYTP：设备类型。
INP/OUT：如何读取/写入，格式取决于DTYP。
RVAL：原始值(例如：16位整数)
VAL：工程单位值(例如：64位float)

仅限输出：

DOL：所需输出链接。输出记录读取这个链接获取VAL，接着写入OUT。
OSML：输入模式选择，closed_loop, supervisory。
IVOA：无效时，输出操作。
DRVL，DRVH：驱动限制。

13、扩展"first.db"

一个从0到上限的渐变，通过一个单独的记录可以设置这个上限。

ramp.db：两个记录组成的数据库文件。

1）$(P)Limit是模拟输出记录，用它设置渐变的上限。使用输出。输入也有效，由于没有要读或要写的硬件，但仅输出有DRVH。

2）$(P)Ramp是calc记录，它每秒运行一次，如果计算结果小于上限，则其值每次加1，否则，其只被设为0。读取输入：A=我自己的当前值；B=$(P)Limit激烈的值。

record(ao, "$(P)Limit")
{
  field(DRVH, "100")
  field(DOL,  "9")
  field(PINI, "YES")
}

record(calc, "$(P)Ramp")
{
  field(SCAN, "1 second")
  field(INPA, "$(P)Ramp")
  field(INPB, "$(P)Limit")
  field(CALC, "A<B?A+1:0")
}

使用softIoc -m P=SECOND: -d ramp.db

root@orangepi5:/usr/local/EPICS/program/softdb# softIoc -m P=SECOND: -d ramp.db
Starting iocInit
############################################################################
## EPICS R7.0.7
## Rev. 2023-05-18T10:40+0800
## Rev. Date build date/time:
############################################################################
iocRun: All initialization complete
epics> dbl
SECOND:Limit
SECOND:Ramp

从CSS软件中查看calc记录随时间的变化：

14、模拟记录字段

1）EGU：工程单位名称。

2）SMOO：平滑。

-VAL：(1-SMOO) * new_value + SMOO*last_value
-SMOO=0：VAL=new_value, 默认行为
-SMOO=1：VAL=last_value, 失效行为
-0<SMOO<1：VAL ‘平滑地’跟随最新地读数。

3）LINR：线性化(None, Slope, 断点表)：-EGUL，EGUF，ESLO，EOFF：用于LINR的参数。

4）LOLO，LOW，HIGH，HIHI：警报限制：-LLSV，LSV，HSV，HHSV：相关联的警报严重性。

15、二进制记录字段

1) ZNAM, ONAM：对应"0", "1"的状态名称。

2）ZSV，OSV：警报严重性。

16、记录链接

1）输入或输出记录可以是

-其他记录的字段名称：“other”， “other.VAL”，"other.A"

如果其他记录是在相同IOC中，"数据库链接"
如果没有找到名称："通道访问链接"

-硬件链接

具体取决于设备支持
DTYP字段选择设备支持
格式示例："field(OUT,"@asynMask($(PT2) 0 0x1)")"

2) 输入链接可以是

-常数数值："0", "3.14", "1.6e-19"。

3）一个记录的FLNK记录在当前记录结束后运行另一个记录。

17、数据库链接

1) 格式："record.field {flags}"

-VAL是字段的默认。

2）Flags：

-PP：运行一个被动目标记录。

INP，DOL：在读取前。
OUT：在写入后。

-NPP：非运行被动(默认)。

-MS：最大化严重性

-NMS：非MS(默认)

-MSS：最大化严重性和状态。

-MSI：当severity=INVALID时。

3）示例：

field("INP", "other_rec.VAL PP MS")

18、通道访问链接

当被链接的记录不是在这个IOC中时，自动使用通道访问链接。

flags：

-PP：被忽略。不触发另一个IOC上运行。

-MS，MSI：(INVALID时)最大化严重性。

通道访问链接flags：

1）CA：强制CA链接，即使目标记录在相同IOC中，可以用于打破'锁集'。

2）CP：用于INP链接，对收到的CA monitor时运行。一般在链接的值变化时引起运行。具体取决于源的MDEL。

3）CPP：CP，但仅限SCAN=Passive。

19、转发链接(Forward links)

1) 触发运行，但不传递数据。

2）如果SCAN=Passive，目标记录被运行。

3）可以使用CA链接：

-必须使用

FLNK=“other.PROC”（其他IOC）
FLNK=“ohter.PROC CA”(相同IOC)

-即使SCAN!=Passive，总是触发运行。

20、运行链

1）运行链1

以上记录都是每0.1秒执行一次，执行顺序由PHAS=0，1，2指定；Calculation_1通过INPA字段从Input_1获取输入，Output_1通常DOL从Calculation_1获取输入。

2）运行链2

Input_2记录每0.1秒运行一次，在其运行结束时，通过FLNK链接，使得Calculation_2运行，在Calculation_2运行期间，通过INPA从Input_2获取输入，并进行计算，在其运行结束时，通过FLNK链接，使得Output_2运行，在Calculation_2运行期间，通过DOL从Calculation_2获取输入。

3）运行链3

Output_3记录每0.1秒记录运行一次，在其运行期间，通过DOL从Calculation_3获取输入，由于其链接属性是PP，此时Calculation_3开始运行，其运行期间通过INPA从Input_3获取输入，由于其输入链接是PP，此时Input_3开始运行，其运行结束后，Calculation_3获取了输入值，并进行计算并得到结果，此时Calculation_3运行结束，Output_3开始运行，从Calculation_3获取了输入，并完成之后的运行。

21、变化率示例

计算一个输入的变化率：

Rate记录的类型是calc，它每1秒钟运行一次，当其运行时，首先通过INPA从Input记录获取输入，并且存入其A字段，然后通过INPB记录从Input记录获取输入，由于此输入链接是PP属性，此时会将运行权交给Input记录使得Input记录运行，当其运行结束时，将运行全交给Rate记录，INPB获取了Input新产生的值，并且将其放入字段B，然后根据CALC中指定的A-B进行计算，计算结果便是Input记录一秒间隔的变化值。

22、仿真模式

当在仿真模式时，AO记录不调用设备支持并且AI记录从AO记录获取其输入。

23、多扫描触发

慢周期扫描和快变化响应

每5秒钟以及在AO记录被更改时，AI记录被运行。即使正常扫描速率非常满，这也提供了对操作人员更改的立即响应。对电源设置的更改被代表一个本地/远程切换开关的BO记录禁止。

24、设备支持

1）记录(AI, AO,..)靠它们自己仅读写其它记录。

2）设备支持链接它们到硬件

3）硬件设备支持是EPICS ‘base’之外的。根据需要被添加到IOC中。

4）DTYP选择了一个设备支持模块。

5）INP/OUT提供细节。

25、同步与异步

1）”快“：在记录被运行时，同步设备支持读或写一个记录的VAL。

2）"慢“：当记录被运行时，异步支持开始读取或写入。记录保持在PACT=true状态，并且在数据已经被读/写时，设备支持触发运行结束。

3）无论记录是否正在运行，通道访问'get/put'读/写当前VAL。

4) 通道访问'get/put callback'在运行结束时将结束。

26、'软'设备支持

1）用于AI，AO，BI，BO，...的"软通道"

读/写这个VAL字段

2）用于AI，AO，BI，BO，...的"原始软通道"

读写RVAL字段，转成/或从VAL转换

3）用于AI，AO，BI，BO，...的”异步软通道“

执行一个get/put回调，等待结束。

27、锁集

1）由链接连接起来的记录组。

2）运行一个记录锁定了它的锁集。

-防止由多个线程运行。
类似，但技术上与PACT分开

常能透明地避免问题，使用"CA"标记打破锁集。

28、记录锁定 VS PACT

取决于记录地设备支持，一个记录可以运行很长时间：

-运行置位PACT并且触发驱动程序获取数据。

-一段时间后，驱动程序再次运行这个记录，并且复位PACT。

当以下情况，在锁集中的记录被锁定：

1）运行开始，在其结束时，再次，但不在两个时段之间。

2）读取一个字段。

3）写一个字段。

29、警报

1）公共字段：

SEVR：警报严重性。NONE，MINOR, MAJOR, INVALID
STAT：警报状态。UDF, READ, WRITE, CALC, HIGH, STATE, ...

2) 二进制字段

-ZSV， OSV：对应'zero'和'one'状态的严重性。

3）模拟字段

-LOLO, LOW, HIGH, HIHI：阈值
-LLSV, LSV, HSV, HHSV：相关的严重性。
HYST：回滞。

警报示例

当温度接近沸点时，产生警报:

record(ai, "$(P)TANK")
{
  field(DESC,  "Water Temperature")
  field(SCAN,  "xxx")
  field(INP,   "xxx")
  field(EGU,   "C")
  field(PREC,  "1")
  field(HIGH,  "90")
  field(HSV,   "MINOR")
  field(HIHI,  "100")
  field(HHSV,  "MAJOR")
}

30、监视死区

模拟记录发送更新给CA客户端

-MDEL：用于大部分客户端的变化yu'zhi

-ADEL：用于存档的客户端。

31、记录小提示

1）对用户输入使用AO，模拟输出

-DRVL，DRVH可以限制值范围。

2）BO记录可以用作计时器：

-HIGH字段：当写VAL=1时，保持1 HIGH秒。

-对操作接口按钮有用：按钮西1，记录在HIGH=1后恢复为0。

3）MBBI，MBBO记录映射状态：

通过ZRVL/ZRST，ONVL/ONST，TWVL/TWST，...定义值和状态。
可以像BI/BO一样使用：ZRVL=0, ONVL=1, ZRST<=>ZNAM, ONST<=>ONAM
对于除了0，1外的值，ZRVL=0, ONVL=255
从位解码限位开关状态：
- ZRVL=0，ZRST=‘Moving’
- ONVL=1，ONST='At Left limit'
- TWVL=2，TWST='At Right Limt'
- THVL=3，THST='Broken', THSV=MAJOR

4) 对if-then-else逻辑使用CALCOUT

INP*和CALC如CALC记录中的INP*和CALC。
OOPT "On Change", "When Zero", "Transition to Zero"等。
输出可以使用CALC或者一个单独的OCAL。

5) SEQ, FANOUT, DFANOUT可以运行一个记录列表

只是运行或者写值。
SEL可以从运行所有更改到运行选取的记录。

6）COMPRESS记录可以

在一个环形缓存中保持最新的N个值。
计算数组的平均，最大或最小。

7）ASUB记录可以调用C代码

INAM，SNAM：initial()和sub()的名称。
很多INP*和VAL*字段。

8）EVENT记录可以提交数据库事件

-触发SCAN=Event并且EVNT=那个事件的记录。

32、Calcout记录详解

1）结合了calc记录和模拟输出功能。

-INPA，INPB，..., INPL和CALC计算VAL。
OUT指向要写VAL的位置。

2）OOPT确定了OUT是否/何时输出OUT。

-”Every time“, ”On Change“, ”When None-zero“, ”Transition to Zero“， ...

3）默认，VAL被输出，但也可以配置：

-field(OCAL, "A/B+...")：计算另外的OVAL
-field(DOPT, "Use OCAL")：选择输出OVAL而不是VAL到OUT。

4）在一个记录内两个计算和一个"if"类型选择器。

record(calcout, “Corrector”)
{
  field(SCAN, “.1 second”)
  field(INPA, “Enable”)
  field(INPB, “Setpoint”)
  field(INPC, “Readback”)
  field(INPD, “17.54”)
  field(CALC, “A”)
  field(OOPT, “When Non-zero”)
  field(DOPT, “Use OCAL”)
  field(OCAL, “D*(B-C)”)
  field(OUT, ”SteeringMagnet PP”)
}

CALC确定我们是否应该做任何事情，OCAL用于实际计算，OVAL值用于实际输出到OUT。