凌华科技PXI在重离子加速器－冷却存储环控制系统的应用.docx

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1、凌华科技PXI在重离子加速器冷却存储环控制系统的应用一、兰州近代物理所HIRFL-CSR工程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剧烈竞争中获得一批具有国际先进程度的成果，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开展。例如：作为严重威胁人类安康的重大疾病，癌症及其防治研究关系到人类的生存。近

2、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上风，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十分好的疗效，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别离器、实验探测装置。主环周长161米，最高加速能量为900MeV/u12C6+和400MeV/u238U72+，试验环周长129米，最大接收能量为600MeV/u12C6+和400MeV/u238U90+，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

3、约17000平方米。兰州近代物理所HIRFL-CSR具有独特的双环构造，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进步，然后快引出打初级靶产生放射性束或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。下列图为兰州近代物理所HIRFL-CSR系统平面构造示意图：align=center/align目前世界上科技程度最高的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，综合技术指标将即是或者超过上述三个系统。HI

4、RFLCSR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。B二、兰州近代物理所HIRFL-CSR控制系统对数据收集平台的需求21兰州近代物理所HIRFLCSR控制系统介绍/B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构造和控制算法。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效劳器和HIRFL-CSR系统整体控制。系统构造图如下：前端控制效劳器用来提

5、供对受控目的和装置的完全控制。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者闭环控制。通过HIRFL-CSR的网站效劳器和用户阅读器，HIRFL-CSR操纵人员可以通过WEB形式发出指令并接收设备状态信息。同时，它可以和运行在intranet上的数据库自动交换数据。在上图中，除了前端控制效劳器的其余局部为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，集群效劳器系统。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

6、操纵。这个解决方案控制所有的前端效劳器，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操纵人员提供接口和信息。兰州HIRFL-CSR控制系统需要收集非常之多的I/O点，因此会用到数目非常多的数据收集设备。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数据收集子单元实现。对于加速器控制系统上数目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RS485总线数据收集模块。这些数据收集模块的核心是一个相当于IntelPentiumCPU级别的嵌入式CPU，运行嵌入式操

7、纵系统。这些模块可以独立的收集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数据收集子单元和基于RS485的数据收集模块最后都通过千兆以太网将数据聚集给多个高性能效劳器。这些高性能效劳器通过通过SCI总线完成高速互联5Gbps，形成效劳器集群cluster，以知足大数据量处理和

8、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VMEVersaModule-Eurocard总线，如德国的GSIHIRFL-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构造和针孔连接器，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HIFRLCSR控制系统经过中没有沿袭前人经历。为了进步HIRFLCSR系统的总体性能，他们经过反复论证，决定采用PXI总线做为HIRFLCSR控制系统中高速信号获取的硬件平台。这在全世

9、界HIRFLCSR工程中是首次使用。22选用PXI总线做为高速信号数据获取平台的原因PXIPCIeXtensionsforInstrumentation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，非常合适数据收集应用。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，可以很轻易的实现多路数据获取的同步触发如上图所示，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分享的沟通管道。这个8-bit宽度的总线可以让多个仪器模块之

10、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HIRFLCSR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展捕捉。聚集多个光电倍增管传感器的数据就可以得到重离子碰

11、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收集是严格同步的。通过PXI总线的触发可以很轻易的实现这多块PXI数据收集卡同时触发收集。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C:PXI总线的带宽为133MB/s512MB/s，远远大于VME总线的40MB/s带宽。在HIRFLCSR控制系统中，每个数据收集子单元要同时对多路信号进展长时间高速收集。由于数据收集卡的板载缓存通常较小，要实现长时间数据收集必需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

12、为133MB/s512MB，数倍于VME总线。这样假如数据收集子单元选用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。这样进步了系统密度，节省了硬件投资，增强了整个控制系统的性能。D:PXI总线数据收集产品种类多，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、开放性和低本钱，越来越多的厂家公布支持PXI总线。目前全世界已经有百余家PXI设备消费厂家提供上千种PXI数据收集产品。这样用户可以自由的选择组合自己的PXI数据收集系统。PXI的硬件和软件基于开发架构，因此和VME相应产品比照，用户的软硬件投资大大降低。23近代物理所HIRFLCSR对PXI硬件

13、产品的需求在兰州近代物理所HIRFLCSR控制系统中，大量PXI数据收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。为了知足系统设计要求，对于PXI硬件平台，HIRFLCSR控制系统的设计者要求知足如下要求：A:Pentium4以上的CPU处理才能，CPU功耗低，无风扇设计。每个PXI数据获取子单元需要进展高速数据收集与初步处理，并将数据通过网络发送给後端效劳器。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才能。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局部是由于CPU风扇停转导致。为了保证每个数据获取子单元长期可

14、靠运行，要求控制器的CPU功耗低，仅靠散热片heatsink就能知足系统散热要求。B:控制用具有千兆网。为了保证数据传输的实时性，按照HIRFLCSR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效劳器相连，传递数据或者响应指令。C:各种规格的数据收集卡，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收集卡。这些数据收集卡包括同步A/D收集卡，高速多路A/D收集卡，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100K1GHz，分辩率从8bit24bit。此外在收集卡软件驱动支持方面，由于在高能物理

15、应用领域，很多科学应用软件基于Unix/Linux，因此要求数据收集卡支持Linux。B三、兰州近代物理所HIRFL-CSR使用的凌华科技PXI硬件平台31兰州HIRFL-CSR控制系统中使用的凌华科技的PXI产品/B考虑到系统造价的因素，通常一个HIRFLCSR工程先进展土木建立和配套设备的建立。HIRFLCSR控制系统通常在最后才施行。在兰州近代物理所HIRFLCSR控制系统的前期设计验证经过中，负责HIRFLCSR设计的小组考察了多个数据收集产品提供厂家的产品。最后凌华科技数据收集产品品质和技术支持效劳得到了兰州近代物理所的认可，在兰州近代物理所HIRFLCSR工程中使用的PXI产品中，

16、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局部凌华科技提供的PXI产品。PXIS-2630：4U高度，3UPXI8槽PXI机箱，280WATX电源，具备机箱报警功能。PXIS-2556:4U高度，3U5槽PXI机箱，带6。4LCD，支持触摸屏。PXIS-2700:4U高度，3U18槽PXI机箱，带冗余300W冗余电源。PXI-3800：PentiumM1.6GPXI控制器，512MRAM，支持PentiumM2处理器PXI/PCI-8570:PXIMXI3控制器，可以用普通PC控制PXI系统。数据收集卡：PXI2020：4CH2MS/s14bit同步数据收集卡PXI2005：

17、4CH500KS/s16bit同步收集卡PXI2204：64CH3MS/s12bit多功能数据收集卡PXI2208：96CH3MS/s12bit数据收集卡PXI9820：2CH65MS/s14bit数字化仪B3.2兰州近代物理所选择凌华PXI产品的原因A:/B凌华科技可以提供较完备的PXI全系列产品。凌华科技是世界上少数几家可以提供PXI控制器、机箱、收集卡的数据收集厂家之一。这样可以减少用户的系统集成时间。B:凌华科技可以提供完备的数据收集卡的Linux驱动凌华科技是世界上少数几家可以提供完备的Linux驱动的厂家之一。凌华科技的Linux驱动可以实现全部Windows驱动的功能。用户只需要

18、花很少的时间就能进展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处理才能强的特点。C:PXI-3800PentiumM控制器和PCI/PXI8570MXI3控制器PXI3800是世界上第一款PentiumMPXI控制器。PentiumM处理具有1MBL2cache和低功耗特点。1.6GPentiumM处理器的运算才能相当与Pentium42.8G3G。PXI3800还支持IntelPentiumM2Dothan处理器，IntelPentiumM2处理用具有2MBL2cache，具有更强的处理才能。PCI/PXI-8570是一款MXI

19、3控制器，和其他厂家的MXI3控制器不同之处：PCI/PXI-8570支持64bit/66MHzPCI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的效劳器同时控制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收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进步数据收集的实时性，需要采取某些特殊的驱动调用方式。这样设计者需要理解数据收集卡的底层信息，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:高性能的数据收集产品凌华科技可以提供多种高性能的数

20、据收集卡。如世界上最高密度96CH3MS/s12bitPXI收集卡PXI2208；具有512MB存储深度最高采样速率可达130MS/s14bit数字化仪PXI9820等。另外凌华的PXI数据收集支持无限次外部retrig功能，这样可以实现长时间高频率的外部触发，非常合适离子束数据收集。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产品相比拟国外同类产品，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年初开场进展调试，如今已经完成主环的建立。预计整个工程2005年可以全部完成。在兰州HIRFLCSR的建立经过中，国内外物理学家屡次来兰州近代物理所进展参观，他们对兰州HIRFLCSR控制系统中使用的创新性的硬件控制构造和控制策略非常赞赏。国内外物理学家一致以为兰州HIRFLCSR的总体技术程度处于世界领先程度。兰州近代物理所HIRFLCSR控制系统中使用了大量PXI总线数据收集产品，在系统调试经过中，基于PXI总线的数据收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以为PXI总线非常合适HIRFLCSR控制系统中的数据收集应用，在将来高端数据收集领域，PXI总线必将占据主导作用。0