PXI在重離子加速器－冷卻存儲環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

1、    PXI在重離子加速器冷卻存儲環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用    PXI在重離子加速器冷卻存儲環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用    類別：存儲器      HIRFL-CSR工程    蘭州近代物理所HIRFL-CSR(重離子加速器冷卻存儲環(huán))工程是國家九五重點(diǎn)國家重大科學(xué)工程。HIRFL-CSR是一個集加速、累積、冷卻 、儲存、內(nèi)靶實(shí)驗及高分辨測量于一體的多功能實(shí)驗裝置。 蘭州近代物理所HIRF

2、L-CSR包括：主環(huán)(CSRm)、實(shí)驗環(huán)(CSRe)、束運(yùn)線、放射性束(RIB)分離器、實(shí)驗探測裝置。主環(huán)周長161米，最高加速能量為900MeV/u(12C6+)和400MeV/u(238U72+)，試驗環(huán)周長129米，最大接收能量為600MeV/u (12C6+)和400MeV/u(238U90+)，束線總長473米，磁鐵總重量1451噸，磁鐵電源總功率8234千伏安，建筑面積約17000平方米。 蘭州近代物理所HIRFL-CSR系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1。    HIRFL-CSR控制系統(tǒng)包括磁鐵系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、高頻系統(tǒng)、注入引出系統(tǒng)、電子冷卻系統(tǒng)

3、、內(nèi)靶系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、束流診斷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和準(zhǔn)直與測量系統(tǒng)。HIRFl-CSR系統(tǒng)的架構(gòu)圖示于圖2。    HIRFL-CSR控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集平臺的需求 HIRFL-CSR控制系統(tǒng) 蘭州HIRFL-CSR控制系統(tǒng)是基于WEB的分布式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括前端控制服務(wù)器和HIRFL-CSR系統(tǒng)整體控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示于圖3。    前端控制服務(wù)器用來提供對受控目標(biāo)和裝置的完全控制。 它們可以接收命令和數(shù)據(jù)，運(yùn)行算法，向設(shè)備送出控制信號，返回設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，提供人機(jī)界面等。按照現(xiàn)場要求執(zhí)行開環(huán)或閉環(huán)控制。通過H

4、IRFL-CSR的網(wǎng)站服務(wù)器和用戶瀏覽器，HIRFL-CSR操作人員能夠通過WEB形式發(fā)出指令并接收設(shè)備狀態(tài)信息。同時，它能夠和運(yùn)行在intranet上的數(shù)據(jù)庫自動交換數(shù)據(jù)。 在圖3中，除了前端控制服務(wù)器的其余部分為HIRFL-CSR整體控制。HIRFL-CSR的整體控制包括：網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，集群服務(wù)器系統(tǒng)。所有HIRFL-CSR控制和束流診斷所需的數(shù)據(jù)，都存放在整體控制數(shù)據(jù)庫中，HIRFL-CSR裝置按照數(shù)據(jù)庫中的命令和數(shù)據(jù)操作。這個解決方案控制所有的前端服務(wù)器，確保HIRFL-CSR裝置工作良好。它也為HIRFL-CSR各控制部件之間提供高速數(shù)據(jù)交換。同時為HIRFL-CSR操作

5、人員提供接口和信息。 HIRFL-CSR控制系統(tǒng)需要采集非常之多的I/O點(diǎn)，因此會用到數(shù)量非常多的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。對于控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場的高速信號(如束流診斷、高頻系統(tǒng)中的信號)主要用基于PXI數(shù)據(jù)采集子單元實(shí)現(xiàn)。對于加速器控制系統(tǒng)上數(shù)量非常多的(數(shù)千個點(diǎn))磁鐵、電源、溫度等慢速信號點(diǎn)，蘭州近代物理所的科學(xué)家自己設(shè)計了基于RS485總線數(shù)據(jù)采集模塊。這些數(shù)據(jù)采集模塊的核心是一個相當(dāng)于Intel Pentium CPU級別的嵌入式CPU，運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)。這些模塊可以獨(dú)立的采集A/D，I/O信號，并具有D/A，I/O控制功能。通過先進(jìn)的分布式控制算法(神經(jīng)元算法，模糊控制)，可以讓整個HIRFL-

6、CSR控制系統(tǒng)中的上千個模塊協(xié)同工作，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時性。蘭州近代物理所的科學(xué)家設(shè)計了485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)模塊。每個網(wǎng)關(guān)模模塊最多可以掛接128個485模塊。這樣通過網(wǎng)關(guān)模塊可以將現(xiàn)場的所有的485模塊連接到整個HIRFL-CSR控制網(wǎng)。 PXI數(shù)據(jù)采集子單元和基于RS485的數(shù)據(jù)采集模塊最后都通過千兆以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)匯集給多個高性能服務(wù)器。這些高性能服務(wù)器通過SCI總線完成高速互聯(lián)(5Gbps)，形成服務(wù)器集群(cluster)，以滿足大數(shù)據(jù)量處理和記錄。整個控制系統(tǒng)的拓?fù)鋱D示于圖4。    目前世界上現(xiàn)有加速器控制系統(tǒng)中，對于高速信號的數(shù)據(jù)獲取，通

7、常選用的硬件平臺為VME總線。為了提高HIRFL-CSR系統(tǒng)的總體性能，他們經(jīng)過反復(fù)論證，決定采用PXI總線做為HIRFL-CSR控制系統(tǒng)中高速信號獲取的硬件平臺。這在全世界HIRFL-CSR工程中是首次使用。 選用PXI總線做為高速信號數(shù)據(jù)獲取平臺的原因 PXI總線是CompactPCI總線在儀器測量領(lǐng)域的擴(kuò)展，它繼承了CompactPCI總線穩(wěn)定性并吸收了VXI總線中的儀器總線優(yōu)點(diǎn)，非常適合數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。和VME總線相比，PXI總線具有如下優(yōu)點(diǎn)： ·PXI總線具有觸發(fā)總線和星形觸發(fā)總線，可以很容易的實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)獲取的同步觸發(fā)。 如圖5所示，PXI系統(tǒng)具有8條觸發(fā)總線，在背板上從系

8、統(tǒng)槽連接到其余的外設(shè)槽，為所有插在PXI背板上的儀器模塊提供了一個共享的溝通管道。這個8位寬度的總線可以讓多個儀器模塊之間傳送時鐘信號、觸發(fā)信號以及特定的傳送協(xié)議。這8條觸發(fā)總線可以實(shí)現(xiàn)非常精準(zhǔn)的觸發(fā)要求。對于要求更多觸發(fā)線和更高觸發(fā)精度的應(yīng)用領(lǐng)域(觸發(fā)時間誤差小于1ns)，PXI系統(tǒng)還具備星形觸發(fā)功能。系統(tǒng)的第2槽做為專門的星形觸發(fā)控制器槽位，星形觸發(fā)控制器與其他槽位均有專門的觸發(fā)線相連，共有13條。這些觸發(fā)線在背板布線的時候保證嚴(yán)格等長，這樣可以保證槽與槽之間小于1ns的觸發(fā)時間誤差。    PXI總線的這種特性對于離子束的檢測非常有用。在HIRFL

9、-CSR控制系統(tǒng)中，當(dāng)一個重離子與其他粒子發(fā)生碰撞時，會撞擊出其他粒子。這些粒子的軌跡和能量可以通過光電倍增管傳感器進(jìn)行捕獲。匯集多個光電倍增管傳感器的數(shù)據(jù)就可以得到重離子碰撞時的圖像。在這種應(yīng)用領(lǐng)域，要求對多個光電倍增管傳感器的數(shù)據(jù)采集是嚴(yán)格同步的。通過PXI總線的觸發(fā)可以很容易的實(shí)現(xiàn)這多塊PXI數(shù)據(jù)采集卡同時觸發(fā)采集。 ·PXI總線具有10MHz同步時鐘，可以作為多路數(shù)據(jù)獲取的同步時鐘。 如圖5所示，PXI背板上有一個非常精準(zhǔn)的10MHz時鐘(誤差小于<100ppm)。10MHz時鐘源與每個槽位相連，在背板布線上也保證每個槽位距離時鐘源的布線長度嚴(yán)格一致。這樣可以實(shí)現(xiàn)槽間精

10、準(zhǔn)同步。 在HIRFL-CSR控制系統(tǒng)中的束流檢測中，要求在進(jìn)行多路數(shù)據(jù)獲取時的時鐘節(jié)拍一致，不能有相位差。使用PXI總線上的10MHz同步時鐘可以做為多塊PXI數(shù)據(jù)采集卡的同步時鐘節(jié)拍。 ·PXI總線的帶寬為133MB/s512MB/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于VME總線的40MB/s帶寬。 在HIRFL-CSR控制系統(tǒng)中，每個數(shù)據(jù)采集子單元要同時對多路信號進(jìn)行長時間高速采集。由于數(shù)據(jù)采集卡的板載緩存通常較小，要實(shí)現(xiàn)長時間數(shù)據(jù)采集必須要求系統(tǒng)總線帶寬足夠大。這樣才能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時傳送。PXI總線基于PCI總線，總線帶寬為133MB/s512MB，數(shù)倍于VME總線。這樣如果數(shù)據(jù)采集子單元選用PXI總

11、線，在同等采樣速率和采樣深度情況下，可以連接更多的傳感器。這樣提高了系統(tǒng)密度，節(jié)省了硬件投資，增強(qiáng)了整個控制系統(tǒng)的性能。 ·PXI總線數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品種類多，產(chǎn)品性價比高。 PXI總線自1997年誕生以來，由于其具備性能先進(jìn)性、開放性和低成本，越來越多的廠家宣布支持PXI總線。目前全世界已經(jīng)有百余家PXI設(shè)備生產(chǎn)廠家提供上千種PXI數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品。這樣用戶可以自由的選擇組合自己的PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。PXI的硬件和軟件基于開發(fā)架構(gòu)，因此和VME相應(yīng)產(chǎn)品對比，用戶的軟硬件投資大大降低。 HIRFL-CSR對PXI硬件產(chǎn)品的需求 在HIRFL-CSR控制系統(tǒng)中，大量PXI數(shù)據(jù)采集子單元通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)

12、成一個大的數(shù)據(jù)獲取集群，完成對整個HIRFL-CSR的的數(shù)據(jù)獲取。為了滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，對于PXI硬件平臺，HIRFL-CSR控制系統(tǒng)的設(shè)計者要求滿足如下要求： ·Pentium 4 以上的CPU處理能力，CPU功耗低，無風(fēng)扇設(shè)計。 每個PXI數(shù)據(jù)獲取子單元需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集與初步處理，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給後端服務(wù)器。這樣要求對于PXI每個數(shù)據(jù)獲取子單元具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。CPU風(fēng)扇是系統(tǒng)長期運(yùn)行的不穩(wěn)定因素，通常而言在惡劣環(huán)境下系統(tǒng)死機(jī)的原因大部分是由于CPU風(fēng)扇停轉(zhuǎn)導(dǎo)致。為了保證每個數(shù)據(jù)獲取子單元長期可靠運(yùn)行，要求控制器的CPU功耗低，僅靠散熱片就能滿足系統(tǒng)散熱要求。 &

13、#183;控制器具有千兆網(wǎng)。 為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性，按照HIRFL-CSR控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，PXI控制器必須具有千兆以太網(wǎng)口。每個數(shù)據(jù)獲取子單元通過千兆網(wǎng)與後端服務(wù)器相連，傳遞數(shù)據(jù)或響應(yīng)指令。 ·各種規(guī)格的數(shù)據(jù)采集卡，支持Windows和Linux。 在HIRFL-CSR中需要用到大量的數(shù)據(jù)采集卡。這些數(shù)據(jù)采集卡包括同步A/D采集卡，高速多路A/D采集卡，高速高分辯率數(shù)字化儀，任意波形發(fā)生器，DIO卡等。采樣速率從100K1GHz，分辯率從8bit24bit。此外在采集卡軟件驅(qū)動支持方面，由于在高能物理應(yīng)用領(lǐng)域，很多科學(xué)應(yīng)用軟件基于Unix/Linux，因此要求數(shù)據(jù)采集卡支持L

14、inux。 HIRFL-CSR使用的PXI硬件平臺 下面是蘭州近代物理所HIRFL-CSL使用的部分凌華科技提供的PXI產(chǎn)品： 機(jī)箱： PXIS-2630：4U 高度，3U PXI 8槽PXI機(jī)箱，280W ATX電源，具備機(jī)箱報警功能。 PXIS-2556：4U 高度，3U 5槽PXI機(jī)箱，帶6。4LCD，支持觸摸屏。 PXIS-2700:4U 高度，3U 18槽PXI機(jī)箱，帶冗余300W冗余電源。 控制器： PXI-3800：Pentium M 1.6G PXI控制器，512M RAM ，支持Pentium M2處理器 PXI/PCI-8570: PXI MXI-3控制器，可以用普通PC控制PXI系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集卡： PXI-2010：4CH 2MS/s 14bit 同步數(shù)據(jù)采集卡 PXI-2005：4CH 500KS/s 16bit同步采集卡 PXI-2204：64CH 3MS/s 12bit多功能數(shù)據(jù)采集卡 PXI-2208：96CH 3MS/s 12bit數(shù)據(jù)采集卡 PXI-9820：2CH 65MS/s 14bit數(shù)字化儀 PXI平