PXI在蘭州重離子加速器-冷卻存儲環(huán)控制系統(tǒng)的應用

1、PXI在蘭州重離子加速器冷卻存儲環(huán)控制系統(tǒng)的應用 作者：李侃 凌華科技 供稿單位：ADLINK凌華科技（中國）有限公司 閱讀人次： 發(fā)布時間：2004-11-6 應用領域：摘要：關鍵詞： 電機 流量計 直流調速 工控【關鍵詞】HIRFL-CSR PXI【內容簡介】本文介紹了近代物理所HIRFLCSR工程概況和PXI在HIRFLCSR的應用一、蘭州近代物理所HIRFL-CSR項目背景介紹蘭州近代物理所HIRFL-CSR（重離子加速器冷卻存儲環(huán)）工程是國家九五重點國家重大科學工程。蘭州HIRFL-CSR是一個集加速、累積、冷卻 、儲存、內靶實驗及高分辨測量于一體的多功能實驗裝置。蘭州近代物理所HI

2、RFL-CSR將為二十一世紀一二十年代我國核物理學科在國際前沿領域的激烈競爭中取得一批具有國際先進水平的成果，使我國在國際重離子物理前沿領域繼續(xù)占有一席之地提供先進的實驗條件。與此同時，還能促進我國相關高科技產業(yè)的發(fā)展。例如：作為嚴重威脅人類健康的重大疾病，癌癥及其防治研究關系到人類的生存。近年來，重離子束以其獨特的深度劑量分布和高的相對生物學效應等優(yōu)勢，使得重離子束治癌成為當今癌癥放射治療領域中最科學、最先進、最有效的方法。重離子束在治療腦瘤等不方便開刀治療的癌癥方面有特別好的療效，在德國已經得到成功臨床應用。蘭州近代物理所HIRFL-CSR包括：主環(huán)（CSRm）、實驗環(huán)(CSRe)、束運線

3、、放射性束(RIB)分離器、實驗探測裝置。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具有獨特的雙環(huán)結構，以現(xiàn)有的重離子加速器HIRFL作注入器，采用多圈注入、射頻堆積和相空間冷卻(電子冷卻)相結合的方法，在CSRm里，將束流累積到高流強，并將累積的束流能量提高，然后快引出打初級靶產生放射性束或者剝離成高離化

4、態(tài)束流，注入到CSRe作內靶實驗和高精度質量測量。目前世界上科技水平最高的HIRFL-CSR系統(tǒng)在德國GSI、法國GANIL和日本RIKEN。一旦蘭州近代物理所HIRFL-CSR系統(tǒng)建成后，綜合技術指標將等于或超過上述三個系統(tǒng)。HIRFLCSR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)、內靶系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、束流診斷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和準直與測量系統(tǒng)。HIRFl-CSR系統(tǒng)的架構圖如下：本文主要介紹PXI總線在HIRFL-CSR控制系統(tǒng)中的應用。二、蘭州近代物理所HIRFL-CSR控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集平臺的需求21蘭州近代物理所HIRFLCSR控制系統(tǒng)介紹在蘭州近代物理所HI

5、RFL-CSR控制系統(tǒng)中，科學家們采取了多種創(chuàng)新的系統(tǒng)結構和控制算法。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器和HIRFL-CSR系統(tǒng)整體控制。系統(tǒng)結構圖如下：前端控制服務器用來提供對受控目標和裝置的完全控制。 它們可以接收命令和數(shù)據(jù)，運行算法，向設備送出控制信號，返回設備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，提供人機界面等。按照現(xiàn)場要求執(zhí)行開環(huán)或閉環(huán)控制。通過HIRFL-CSR的網站服務器和用戶瀏覽器，HIRFL-CSR操作人員能夠通過WEB形式發(fā)出指令并接收設備狀態(tài)信息。同時，它能夠和運行在intranet上的數(shù)據(jù)庫自動交換數(shù)據(jù)。在上圖中，除了前端控制服務器的其余部分

6、為HIRFL-CSR整體控制。HIRFL-CSR的整體控制包括：網絡通訊系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，集群服務器系統(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操作人員提供接口和信息。蘭州HIRFL-CSR控制系統(tǒng)需要采集非常之多的I/O點，因此會用到數(shù)量非常多的數(shù)據(jù)采集設備。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)采集子單元實現(xiàn)。對于

7、加速器控制系統(tǒng)上數(shù)量非常多的（數(shù)千個點）磁鐵、電源、溫度等慢速信號點，蘭州近代物理所的科學家自己設計了基于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于Intel Pentium CPU級別的嵌入式CPU，運行嵌入式操作系統(tǒng)。這些模塊可以獨立的采集A/D，I/O信號，并具有D/A，I/O控制功能。通過先進的分布式控制算法(神經元算法，模糊控制)，可以讓整個HIRFL-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)獲取的實時性。蘭州近代物理所的科學家設計了485轉以太網的網關模塊。每個網關模模塊最多可以掛接128個485模塊。這樣通過網關模塊可以將現(xiàn)場的所有的485模塊連接到

8、整個HIRFL-CSR控制網。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將數(shù)據(jù)匯集給多個高性能服務器。這些高性能服務器通過通過SCI總線完成高速互聯(lián)(5Gbps)，形成服務器集群(cluster)，以滿足大數(shù)據(jù)量處理和記錄。整個控制系統(tǒng)的大致拓撲圖如下: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，通常選用的硬件平臺為VME（VersaModule-Eurocard）總線，如德國的GSI HIRFL-CSR系統(tǒng)，中國北京的正負電子對撞機等等。VME總線誕生與20世紀80年代，使用歐洲卡（Eurocard）結構和針孔連接器，是一種非?？煽亢统墒斓目偩€，目前還

9、在軍工和電信等要求高可靠性的領域廣泛應用。蘭州近代物理所的科學家在設計HIFRLCSR控制系統(tǒng)過程中沒有沿襲前人經驗。為了提高HIRFLCSR系統(tǒng)的總體性能，他們經過反復論證，決定采用PXI總線做為HIRFLCSR控制系統(tǒng)中高速信號獲取的硬件平臺。這在全世界HIRFLCSR工程中是首次使用。22選用PXI總線做為高速信號數(shù)據(jù)獲取平臺的原因PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）總線是CompactPCI總線在儀器測量領域的擴展，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，非常適合數(shù)據(jù)采集應用。和VME總線相比，PXI總線具有如

10、下優(yōu)點：A:PXI總線具有觸發(fā)總線和星形觸發(fā)總線，可以很容易的實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)獲取的同步觸發(fā)。PXI總線系統(tǒng)架構圖如上圖所示，PXI系統(tǒng)具有8條觸發(fā)總線，在背板上從系統(tǒng)槽連接到其余的外設槽，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-bit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)總線可以實現(xiàn)非常精準的觸發(fā)要求。對于要求更多觸發(fā)線和更高觸發(fā)精度的應用領域（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

11、保證嚴格等長，這樣可以保證槽與槽之家小于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HIRFLCSR控制系統(tǒng)中，當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。在這種應用領域，要求對多個光電倍增管傳感器的數(shù)據(jù)采集是嚴格同步的。通過PXI總線的觸發(fā)可以很容易的實現(xiàn)這多塊PXI數(shù)據(jù)采集卡同時觸發(fā)采集。B: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。如上圖所示，PXI背板上有一個非常精準的10MHz時鐘（誤差小于100ppm）。10MH

12、z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格一致。這樣可以實現(xiàn)槽間精準同步。在HIRFLCSR控制系統(tǒng)中的束流檢測中，要求在進行多路數(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。C:PXI總線的帶寬為133MB/s512MB/s，遠遠大于VME總線的40MB/s帶寬。 在HIRFLCSR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)的實時傳送。PXI總線基于PCI總線，總線帶

13、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，增強了整個控制系統(tǒng)的性能。D:PXI總線數(shù)據(jù)采集產品種類多，產品性價比高。PXI總線自1997年誕生以來，由于其具備性能先進性、開放性和低成本，越來越多的廠家宣布支持PXI總線。目前全世界已經有百余家PXI設備生產廠家提供上千種PXI數(shù)據(jù)采集產品。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，因此和VME相應產品對比，用戶的軟硬件投資大大降低。23近代物理所HIRFLCSR對PXI硬件產品的需求在蘭州近代物理所HIRFLCSR控制系統(tǒng)中，大量PXI數(shù)據(jù)