PXI在兰州重离子加速器－冷却存储环控制系统的应用

【关键词】HIRFL-CSR PXI
【内容简介】本文介绍了近代物理所HIRFL－CSR工程概况和PXI在HIRFL－CSR的应用

一、兰州近代物理所HIRFL-CSR项目背景介绍
兰州近代物理所HIRFL-CSR（重离子加速器－冷却存储环）工程是国家九五重点国家重大科学工程。兰州HIRFL-CSR是一个集加速、累积、冷却 、储存、内靶实验及高分辨测量于一体的多功能实验装置。兰州近代物理所HIRFL-CSR将为二十一世纪一二十年代我国核物理学科在国际前沿领域的激烈竞争中取得一批具有国际先进水平的成果，使我国在国际重离子物理前沿领域继续占有一席之地提供先进的实验条件。与此同时，还能促进我国相关高科技产业的发展。例如：作为严重威胁人类健康的重大疾病，癌症及其防治研究关系到人类的生存。近年来，重离子束以其独特的深度剂量分布和高的相对生物学效应等优势，使得重离子束治癌成为当今癌症放射治疗领域中最科学、最先进、最有效的方法。重离子束在治疗脑瘤等不方便开刀治疗的癌症方面有特别好的疗效，在德国已经得到成功临床应用。
兰州近代物理所HIRFL-CSR包括：主环（CSRm）、实验环(CSRe)、束运线、放射性束(RIB)分离器、实验探测装置。主环周长161米，最高加速能量为900MeV/u(12C6+)和400MeV/u(238U72+)，试验环周长129米，最大接收能量为600MeV/u (12C6+)和400MeV/u(238U90+)，束线总长473米，磁铁总重量1451吨，磁铁电源总功率8234千伏安，建筑面积约17000平方米。兰州近代物理所HIRFL-CSR具有独特的双环结构，以现有的重离子加速器HIRFL作注入器，采用多圈注入、射频堆积和相空间冷却(电子冷却)相结合的方法，在CSRm里，将束流累积到高流强，并将累积的束流能量提高，然后快引出打初级靶产生放射性束或者剥离成高离化态束流，注入到CSRe作内靶实验和高精度质量测量。

目前世界上科技水平最高的HIRFL-CSR系统在德国GSI、法国GANIL和日本RIKEN。一旦兰州近代物理所HIRFL-CSR系统建成后，综合技术指标将等于或超过上述三个系统。
HIRFL－CSR控制系统包括磁铁系统、电源系统、高频系统、注入引出系统、电子冷却系统、内靶系统、真空系统、束流诊断系统、控制系统和准直与测量系统。HIRFl-CSR系统的架构图如下：

本文主要介绍PXI总线在HIRFL-CSR控制系统中的应用。

二、兰州近代物理所HIRFL-CSR控制系统对数据采集平台的需求
2．1兰州近代物理所HIRFL－CSR控制系统介绍
在兰州近代物理所HIRFL-CSR控制系统中，科学家们采取了多种创新的系统结构和控制算法。兰州HIRFL-CSR控制系统是基于WEB的分布式控制系统。系统主要包括前端控制服务器和HIRFL-CSR系统整体控制。系统结构图如下：

前端控制服务器用来提供对受控目标和装置的完全控制。 它们可以接收命令和数据，运行算法，向设备送出控制信号，返回设备的状态和数据，提供人机界面等。按照现场要求执行开环或闭环控制。通过HIRFL-CSR的网站服务器和用户浏览器，HIRFL-CSR操作人员能够通过WEB形式发出指令并接收设备状态信息。同时，它能够和运行在intranet上的数据库自动交换数据。
在上图中，除了前端控制服务器的其余部分为HIRFL-CSR整体控制。HIRFL-CSR的整体控制包括：网络通讯系统，数据库系统，集群服务器系统。所有HIRFL-CSR控制和束流诊断所需的数据，都存放在整体控制数据库中，HIRFL-CSR装置按照数据库中的命令和数据操作。这个解决方案控制所有的前端服务器，确保HIRFL-CSR装置工作良好。它也为HIRFL-CSR各控制部件之间提供高速数据交换。同时为HIRFL-CSR操作人员提供接口和信息。
兰州HIRFL-CSR控制系统需要采集非常之多的I/O点，因此会用到数量非常多的数据采集设备。对于控制系统中的现场的高速信号如：束流诊断、高频系统中的信号主要用基于PXI数据采集子单元实现。对于加速器控制系统上数量非常多的（数千个点）磁铁、电源、温度等慢速信号点，兰州近代物理所的科学家自己设计了基于RS－485总线数据采集模块。这些数据采集模块的核心是一个相当于Intel Pentium CPU级别的嵌入式CPU，运行嵌入式操作系统。这些模块可以独立的采集A/D，I/O信号，并具有D/A，I/O控制功能。通过先进的分布式控制算法(神经元算法，模糊控制)，可以让整个HIRFL-CSR控制系统中的上千个模块协同工作，保证系统数据获取的实时性。兰州近代物理所的科学家设计了485转以太网的网关模块。每个网关模模块最多可以挂接128个485模块。这样通过网关模块可以将现场的所有的485模块连接到整个HIRFL-CSR控制网。
PXI数据采集子单元和基于RS－485的数据采集模块最后都通过千兆以太网将数据汇集给多个高性能服务器。这些高性能服务器通过通过SCI总线完成高速互联(5Gbps)，形成服务器集群(cluster)，以满足大数据量处理和记录。整个控制系统的大致拓扑图如下:

目前世界上现有加速器控制系统中，对于高速信号的数据获取，通常选用的硬件平台为VME（VersaModule-Eurocard）总线，如德国的GSI HIRFL-CSR系统，中国北京的正负电子对撞机等等。VME总线诞生与20世纪80年代，使用欧洲卡（Eurocard）结构和针孔连接器，是一种非常可靠和成熟的总线，目前还在军工和电信等要求高可靠性的领域广泛应用。兰州近代物理所的科学家在设计HIFRL－CSR控制系统过程中没有沿袭前人经验。为了提高HIRFL－CSR系统的总体性能，他们经过反复论证，决定采用PXI总线做为HIRFL－CSR控制系统中高速信号获取的硬件平台。这在全世界HIRFL－CSR工程中是首次使用。
2．2选用PXI总线做为高速信号数据获取平台的原因
PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）总线是CompactPCI总线在仪器测量领域的扩展，它继承了CompactPCI总线稳定性并吸收了VXI总线中的仪器总线优点，非常适合数据采集应用。和VME总线相比，PXI总线具有如下优点：
A:PXI总线具有触发总线和星形触发总线，可以很容易的实现多路数据获取的同步触发。

PXI总线系统架构图
如上图所示，PXI系统具有8条触发总线，在背板上从系统槽连接到其余的外设槽，为所有插在PXI背板上的仪器模块提供了一个共享的沟通管道。这个8-bit宽度的总线可以让多个仪器模块之间传送时钟信号、触发信号以及特定的传送协议。这8条触发总线可以实现非常精准的触发要求。对于要求更多触发线和更高触发精度的应用领域（触发时间误差小于1ns），PXI系统还具备星形触发功能。系统的第2槽做为专门的星形触发控制器槽位，星形触发控制器与其他槽位均有专门的触发线相连，共有13条。这些触发线在背板布线的时候保证严格等长，这样可以保证槽与槽之家小于1ns的触发时间误差。
PXI总线的这种特性对于离子束的检测非常有用。在HIRFL－CSR控制系统中，当一个重离子与其他粒子发生碰撞时，会撞击出其他粒子。这些粒子的轨迹和能量可以通过光电倍增管传感器进行捕获。汇集多个光电倍增管传感器的数据就可以得到重离子碰撞时的图像。在这种应用领域，要求对多个光电倍增管传感器的数据采集是严格同步的。通过PXI总线的触发可以很容易的实现这多块PXI数据采集卡同时触发采集。
B:PXI总线具有10MHz同步时钟，可以作为多路数据获取的同步时钟。
如上图所示，PXI背板上有一个非常精准的10MHz时钟（误差小于<100ppm）。10MHz时钟源与每个槽位相连，在背板布线上也保证每个槽位距离时钟源的布线长度严格一致。这样可以实现槽间精准同步。
在HIRFL－CSR控制系统中的束流检测中，要求在进行多路数据获取时的时钟节拍一致，不能有相位差。使用PXI总线上的10MHz同步时钟可以做为多块PXI数据采集卡的同步时钟节拍。
C:PXI总线的带宽为133MB/s～512MB/s，远远大于VME总线的40MB/s带宽。
在HIRFL－CSR控制系统中，每个数据采集子单元要同时对多路信号进行长时间高速采集。由于数据采集卡的板载缓存通常较小，要实现长时间数据采集必须要求系统总线带宽足够大。这样才能保证数据的实时传送。PXI总线基于PCI总线，总线带宽为133MB/s～512MB，数倍于VME总线。这样如果数据采集子单元选用PXI总线，在同等采样速率和采样深度情况下，可以连接更多的传感器。这样提高了系统密度，节省了硬件投资，增强了整个控制系统的性能。
D:PXI总线数据采集产品种类多，产品性价比高。
PXI总线自1997年诞生以来，由于其具备性能先进性、开放性和低成本，越来越多的厂家宣布支持PXI总线。目前全世界已经有百余家PXI设备生产厂家提供上千种PXI数据采集产品。这样用户可以自由的选择组合自己的PXI数据采集系统。PXI的硬件和软件基于开发架构，因此和VME相应产品对比，用户的软硬件投资大大降低。
2．3近代物理所HIRFL－CSR对PXI硬件产品的需求
在兰州近代物理所HIRFL－CSR控制系统中，大量PXI数据采集子单元通过网络构成一个大的数据获取集群，完成对整个HIRFL-CSR的的数据获取。为了满足系统设计要求，对于PXI硬件平台，HIRFL－CSR控制系统的设计者要求满足如下要求：
A:Pentium 4 以上的CPU处理能力，CPU功耗低，无风扇设计。
每个PXI数据获取子单元需要进行高速数据采集与初步处理，并将数据通过网络发送给後端服务器。这样要求对于PXI每个数据获取子单元具有很强的数据处理能力。CPU风扇是系统长期运行的不稳定因素，通常而言在恶劣环境下系统死机的原因大部分是由于CPU风扇停转导致。为了保证每个数据获取子单元长期可靠运行，要求控制器的CPU功耗低，仅靠散热片（heat－sink）就能满足系统散热要求。
B :控制器具有千兆网。
为了保证数据传输的实时性，按照HIRFL－CSR控制系统的设计要求，PXI控制器必须具有千兆以太网口。每个数据获取子单元通过千兆网与後端服务器相连，传递数据或响应指令。
C :各种规格的数据采集卡，支持Windows和Linux。
在兰州近代物理所HIRFL-CSR中需要用到大量的数据采集卡。这些数据采集卡包括同步A/D采集卡，高速多路A/D采集卡，高速高分辩率数字化仪，任意波形发生器，DIO卡等。采样速率从100K～1GHz，分辩率从8bit～24bit。此外在采集卡软件驱动支持方面，由于在高能物理应用领域，很多科学应用软件基于Unix/Linux，因此要求数据采集卡支持Linux。

三、兰州近代物理所HIRFL-CSR使用的凌华科技PXI硬件平台
3．1兰州HIRFL-CSR控制系统中使用的凌华科技的PXI产品
考虑到系统造价的因素，通常一个HIRFL－CSR工程先进行土木建设和配套设备的建设。HIRFL－CSR控制系统通常在最后才实施。在兰州近代物理所HIRFL－CSR控制系统的前期设计验证过程中，负责HIRFL－CSR设计的小组考查了多个数据采集产品提供厂家的产品。最后凌华科技数据采集产品品质和技术支持服务得到了兰州近代物理所的认可，在兰州近代物理所HIRFL－CSR工程中使用的PXI产品中，凌华科技的PXI产品占了很大份额。下面是兰州近代物理所使用的部分凌华科技提供的PXI产品。
机箱：
PXIS-2630：4U 高度，3U PXI 8槽PXI机箱，280W ATX电源，具备机箱报警功能。
PXIS-2556:4U 高度，3U 5槽PXI机箱，带6。4LCD，支持触摸屏。
PXIS-2700:4U 高度，3U 18槽PXI机箱，带冗余300W冗余电源。
控制器：
PXI-3800：Pentium M 1.6G PXI控制器，512M RAM ，支持Pentium M2处理器
PXI/PCI-8570: PXI MXI－3控制器，可以用普通PC控制PXI系统。
数据采集卡：
PXI－2010：4CH 2MS/s 14bit 同步数据采集卡
PXI－2005：4CH 500KS/s 16bit同步采集卡
PXI－2204：64CH 3MS/s 12bit 多功能数据采集卡
PXI－2208：96CH 3MS/s 12bit 数据采集卡
PXI－9820：2CH 65MS/s 14bit 数字化仪
……
3.2 兰州近代物理所选择凌华PXI产品的原因
A:凌华科技能够提供较完备的PXI全系列产品。
凌华科技是世界上少数几家能够提供PXI控制器、机箱、采集卡的数据采集厂家之一。这样能够减少用户的系统集成时间。
B:凌华科技能够提供完备的数据采集卡的Linux驱动
凌华科技是世界上少数几家能够提供完备的Linux驱动的厂家之一。凌华科技的Linux驱动能够实现全部Windows驱动的功能。用户只需要花很少的时间就能进行Windows到Linux的程序移植。另外凌华科技的Linux驱动支持SMP内核，这样可以充分发挥多CPU处理能力强的特点。
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处理具有1MB L2 cache和低功耗特点。1.6 G Pentium M处理器的运算能力相当与Pentium 4 2.8G～3G。PXI－3800还支持Intel Pentium M2 （Dothan）处理器，Intel Pentium M2处理器具有2MB L2 cache，具有更强的处理能力。PCI/PXI-8570 是一款MXI－3控制器，和其他厂家的MXI－3控制器不同之处：PCI/PXI-8570支持64bit/66MHz PCI总线并可以同时控制2个PXI机箱。这样用户可以用一台具有多CPU的服务器同时控制2个18槽PXI机箱，可以实现512MB/s的PXI总线统带宽，这样可以让单个数据获取子单元插入更多的采集卡而不至于降低系统性能。
D:及时的技术支持
兰州近代物理所HIRFL-CSR控制器的设计者为了提高数据采集的实时性，需要采取某些特殊的驱动调用方式。这样设计者需要了解数据采集卡的底层信息，凌华科技及时的提供了相关信息和帮助，协助近代物理所完成了所需功能的实现。
E:高性能的数据采集产品
凌华科技能够提供多种高性能的数据采集卡。如世界上最高密度――96CH 3MS/s 12bit PXI采集卡PXI－2208；具有512MB存储深度最高采样速率可达130MS/s 14bit数字化仪PXI－9820等。另外凌华的PXI数据采集支持无限次外部re－trig功能，这样可以实现长时间高频率的外部触发，非常适合离子束数据采集。
F:PXI产品的高性价比
以往PXI产品通常给人以价格高高在上的感觉。凌华科技的PXI产品相比较国外同类产品，价格非常和蔼可亲。提供用户用得起的高技术一直以来是凌华科技的宗旨。

四、PXI平台在兰州HIRFL-CSR应用的效果
兰州HIRFL-CSR控制系统2004年初开始进行调试，现在已经完成主环的建设。预计整个工程2005年能够全部完成。在兰州HIRFL－CSR的建设过程中，国内外物理学家多次来兰州近代物理所进行参观，他们对兰州HIRFL－CSR控制系统中使用的创新性的硬件控制结构和控制策略非常赞赏。国内外物理学家一致认为兰州HIRFL－CSR的总体技术水平处于世界领先水平。兰州近代物理所HIRFL－CSR控制系统中使用了大量PXI总线数据采集产品，在系统调试过程中，基于PXI总线的数据采集产品的性能指标远远超过原有VME总线产品。兰州近代物理所的科学家们一致认为PXI总线非常适合HIRFL－CSR控制系统中的数据采集应用，在未来高端数据采集领域，PXI总线必将占据主导作用。