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

【關(guān)鍵詞】HIRFL-CSR PXI
【內(nèi)容簡介】本文介紹了近代物理所HIRFL－CSR工程概況和PXI在HIRFL－CSR的應(yīng)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(nèi)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HIRFL-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(lǐng)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(lǐng)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(guān)高科技產(chǎn)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(guān)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(yīng)等優(yōu)勢，使得重離子束治癌成為當今癌癥放射治療領(lǐng)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(jīng)得到成功臨床應(yīng)用。
蘭州近代物理所HIRFL-CSR包括：主環(huán)（CSRm）、實驗環(huán)(CSRe)、束運線、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(jié)構(gòu)，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(jié)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(chǎn)生放射性束或者剝離成高離化態(tài)束流，注入到CSRe作內(nèi)靶實驗和高精度質(zhì)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(shù)指標將等于或超過上述三個系統(tǒng)。
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)、內(nèi)靶系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、束流診斷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和準直與測量系統(tǒng)。HIRFl-CSR系統(tǒng)的架構(gòu)圖如下：

本文主要介紹PXI總線在HIRFL-CSR控制系統(tǒng)中的應(yīng)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
2．1蘭州近代物理所HIRFL－CSR控制系統(tǒng)介紹
在蘭州近代物理所HIRFL-CSR控制系統(tǒng)中，科學家們采取了多種創(chuàng)新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(wù)器和HIRFL-CSR系統(tǒng)整體控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

前端控制服務(wù)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(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(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(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(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）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(shè)計了基于RS－485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(jīng)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(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RS－485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(jié)構(gòu)和針孔連接器，是一種非?？煽亢统墒斓目偩€，目前還在軍工和電信等要求高可靠性的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。蘭州近代物理所的科學家在設(shè)計HIFRL－CSR控制系統(tǒng)過程中沒有沿襲前人經(jīng)驗。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。
2．2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(lǐng)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(yīng)用。和VME總線相比，PXI總線具有如下優(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(gòu)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(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-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(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HIRFL－CSR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(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）。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格一致。這樣可以實現(xiàn)槽間精準同步。
在HIRFL－CSR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/s～512MB/s，遠遠大于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，總線帶寬為133MB/s～512MB，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(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。
2．3近代物理所HIRFL－CSR對PXI硬件產(chǎn)品的需求
在蘭州近代物理所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)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：
A:Pentium 4 以上的CPU處理能力，CPU功耗低，無風扇設(shè)計。
每個PXI數(shù)據(jù)獲取子單元需要進行高速數(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的數(shù)據(jù)處理能力。CPU風扇是系統(tǒng)長期運行的不穩(wěn)定因素，通常而言在惡劣環(huán)境下系統(tǒng)死機的原因大部分是由于CPU風扇停轉(zhuǎn)導(dǎo)致。為了保證每個數(shù)據(jù)獲取子單元長期可靠運行，要求控制器的CPU功耗低，僅靠散熱片（heat－sink）就能滿足系統(tǒng)散熱要求。
B :控制器具有千兆網(wǎng)。
為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r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。
C :各種規(guī)格的數(shù)據(jù)采集卡，支持Windows和Linux。
在蘭州近代物理所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100K～1GHz，分辯率從8bit～24bit。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，很多科學應(yīng)用軟件基于Unix/Linux，因此要求數(shù)據(jù)采集卡支持Linux。

三、蘭州近代物理所HIRFL-CSR使用的凌華科技PXI硬件平臺
3．1蘭州HIRFL-CSR控制系統(tǒng)中使用的凌華科技的PXI產(chǎn)品
考慮到系統(tǒng)造價的因素，通常一個HIRFL－CSR工程先進行土木建設(shè)和配套設(shè)備的建設(shè)。HIRFL－CSR控制系統(tǒng)通常在最后才實施。在蘭州近代物理所HIRFL－CSR控制系統(tǒng)的前期設(shè)計驗證過程中，負責HIRFL－CSR設(shè)計的小組考查了多個數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品提供廠家的產(chǎn)品。最后凌華科技數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品品質(zhì)和技術(shù)支持服務(wù)得到了蘭州近代物理所的認可，在蘭州近代物理所HIRFL－CSR工程中使用的PXI產(chǎn)品中，凌華科技的PXI產(chǎn)品占了很大份額。下面是蘭州近代物理所使用的部分凌華科技提供的PXI產(chǎn)品。
機箱：
PXIS-2630：4U 高度，3U PXI 8槽PXI機箱，280W ATX電源，具備機箱報警功能。
PXIS-2556:4U 高度，3U 5槽PXI機箱，帶6。4LCD，支持觸摸屏。
PXIS-2700:4U 高度，3U 18槽PXI機箱，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
……
3.2 蘭州近代物理所選擇凌華PXI產(chǎn)品的原因
A:凌華科技能夠提供較完備的PXI全系列產(chǎn)品。
凌華科技是世界上少數(shù)幾家能夠提供PXI控制器、機箱、采集卡的數(shù)據(jù)采集廠家之一。這樣能夠減少用戶的系統(tǒng)集成時間。
B:凌華科技能夠提供完備的數(shù)據(jù)采集卡的Linux驅(qū)動
凌華科技是世界上少數(shù)幾家能夠提供完備的Linux驅(qū)動的廠家之一。凌華科技的Linux驅(qū)動能夠?qū)崿F(xiàn)全部Windows驅(qū)動的功能。用戶只需要花很少的時間就能進行Windows到Linux的程序移植。另外凌華科技的Linux驅(qū)動支持SMP內(nèi)核，這樣可以充分發(fā)揮多CPU處理能力強的特點。
C:PXI-3800 PentiumM 控制器和PCI/PXI－8570 MXI－3控制器
PXI－3800是世界上第一款Pentium M PXI控制器。Pentium M處理具有1MB L2 cache和低功耗特點。1.6 G Pentium M處理器的運算能力相當與Pentium 4 2.8G～3G。PXI－3800還支持Intel Pentium M2 （Dothan）處理器，Intel Pentium M2處理器具有2MB L2 cache，具有更強的處理能力。PCI/PXI-8570 是一款MXI－3控制器，和其他廠家的MXI－3控制器不同之處：PCI/PXI-8570支持64bit/66MHz PCI總線并可以同時控制2個PXI機箱。這樣用戶可以用一臺具有多CPU的服務(wù)器同時控制2個18槽PXI機箱，可以實現(xiàn)512MB/s的PXI總線統(tǒng)帶寬，這樣可以讓單個數(shù)據(jù)獲取子單元插入更多的采集卡而不至于降低系統(tǒng)性能。
D:及時的技術(shù)支持
蘭州近代物理所HIRFL-CSR控制器的設(shè)計者為了提高數(shù)據(jù)采集的實時性，需要采取某些特殊的驅(qū)動調(diào)用方式。這樣設(shè)計者需要了解數(shù)據(jù)采集卡的底層信息，凌華科技及時的提供了相關(guān)信息和幫助，協(xié)助近代物理所完成了所需功能的實現(xiàn)。
E:高性能的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品
凌華科技能夠提供多種高性能的數(shù)據(jù)采集卡。如世界上最高密度――96CH 3MS/s 12bit PXI采集卡PXI－2208；具有512MB存儲深度最高采樣速率可達130MS/s 14bit數(shù)字化儀PXI－9820等。另外凌華的PXI數(shù)據(jù)采集支持無限次外部re－trig功能，這樣可以實現(xiàn)長時間高頻率的外部觸發(fā)，非常適合離子束數(shù)據(jù)采集。
F:PXI產(chǎn)品的高性價比
以往PXI產(chǎn)品通常給人以價格高高在上的感覺。凌華科技的PXI產(chǎn)品相比較國外同類產(chǎn)品，價格非常和藹可親。提供用戶用得起的高技術(shù)一直以來是凌華科技的宗旨。

四、PXI平臺在蘭州HIRFL-CSR應(yīng)用的效果
蘭州HIRFL-CSR控制系統(tǒng)2004年初開始進行調(diào)試，現(xiàn)在已經(jīng)完成主環(huán)的建設(shè)。預(yù)計整個工程2005年能夠全部完成。在蘭州HIRFL－CSR的建設(shè)過程中，國內(nèi)外物理學家多次來蘭州近代物理所進行參觀，他們對蘭州HIRFL－CSR控制系統(tǒng)中使用的創(chuàng)新性的硬件控制結(jié)構(gòu)和控制策略非常贊賞。國內(nèi)外物理學家一致認為蘭州HIRFL－CSR的總體技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先水平。蘭州近代物理所HIRFL－CSR控制系統(tǒng)中使用了大量PXI總線數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，在系統(tǒng)調(diào)試過程中，基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的性能指標遠遠超過原有VME總線產(chǎn)品。蘭州近代物理所的科學家們一致認為PXI總線非常適合HIRFL－CSR控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，在未來高端數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，PXI總線必將占據(jù)主導(dǎo)作用。