留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于EPICS的CSRe束流诊断控制系统升级

李敏 聂勇敢 李生鹏 李维龙 董金梅 陈玉聪 赵铁城 毛瑞士 徐治国 康新才 冯永春 赵祖龙 王延谋 马维年 尹炎

引用本文:
Citation:

基于EPICS的CSRe束流诊断控制系统升级

    作者简介: 李 敏(1983—),女,博士,工程师,从事探测器测控技术及应用;limin@impcas.ac.cn.
    通讯作者: 毛瑞士, maorsh@impcas.ac.cn
  • 基金项目: 国家实验室HIRFL运行课项目(Y9HIRLL100)
  • 中图分类号: TL507

Upgrade of CSRe beam diagnostic control system based on EPICS

    Corresponding author: Mao Ruishi, maorsh@impcas.ac.cn
  • CLC number: TL507

  • 摘要: 兰州重离子加速器(HIRFL)冷却存储环的实验环(CSRe)提供高品质的束流用于高精度的质量测量、原子物理等实验研究,实现束流参数的准确测量是进行物理实验的前提保障。目前,CSRe加速器控制系统已升级为EPICS架构。介绍了基于EPICS的束流诊断控制系统现状,并利用升级后的控制系统测量了束流相关参数。其中,束流位置系统能够测量注入束流的逐圈位置信息,测量结果发现束流在注入过程中存在一定程度的震荡,影响注入效率。流强测量系统通过高分辨的数据采集卡实现对DCCT信号的精确测量,同时增加了D事例触发功能。升级后的控制系统,可以实现束流参数的测量,并集成于加速器控制系统的EPICS CSS界面。
  • 图 1  HIRFL-CSR的总体布局图

    Fig. 1  Layout of HIRFL-CSR

    图 2  CSRe束流诊断探测器布局图

    Fig. 2  Layout of beam diagnostics detectors at CSRe

    图 3  LabVIEW与EPICS网络之间的数据交互接口

    Fig. 3  Data exchange interface between LabVIEW and EPICS

    图 4  CA Lab与EPICS接口的架构图

    Fig. 4  Schema of CA Lab interface

    图 5  DCCT控制系统架构

    Fig. 5  System architecture of the DCCT control system

    图 6  基于CSS开发的CSRe DCCT界面

    Fig. 6  GUI of the DCCT control system at CSRe developed with CSS

    图 7  基于LabVIEW的升级前的BPM数据采集系统界面

    Fig. 7  Data acquisition system of BPM control system based on LabVIEW before the upgrade

    图 8  升级后BPM测试及轨道测量界面

    Fig. 8  Beam position and beam orbit GUIs of BPM control system after upgrade

    图 9  CSRe注入点处的BPM测量的测量结果

    Fig. 9  Beam position measurement results at the injection of CSRe

    图 10  基于CSS开发的法拉第筒、狭缝及荧光靶界面

    Fig. 10  GUIs of Faraday cup, slits and view screen developed with CSS

  • [1] 毛瑞士. CSR闭轨测量系统的建立[D]. 兰州: 中国科学院近代物理研究所, 2008.

    Mao Ruishi. The closed-orbit measurement system of CSR. Lanzhou: Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, 2008
    [2] 夏佳文, 詹文龙, 魏宝文, 等. 兰州重离子加速器冷却储存环[J]. 强激光与粒子束, 2008, 20(11):1787-1794. (Xia Jiawen, Zhan Wenlong, Wei Baowen, et al. Heavy ion cooler-storage-ring synchrotron in Lanzhou. High Power Laser and Particle Beams, 2008, 20(11): 1787-1794
    [3] 顾科伟. EPICS在CSRe控制系统中的应用[D]. 兰州: 中国科学院近代物理研究所, 2016.

    Gu Kewei. The application of EPICS in CSRe control system. Lanzhou: Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, 2016
    [4] 张德敏, 金晓, 黎明, 等. EPICS在加速器控制系统中的应用[J]. 强激光与粒子束, 2008, 20(4):597-600. (Zhang Demin, Jin Xiao, Li Ming, et al. Application of EPICS to accelerator control system. High Power Laser and Particle Beams, 2008, 20(4): 597-600
    [5] 葛良, 张玮, 安石, 等. HIRFL-CSRm电源监测系统[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31:025102. (Ge Liang, Zhang Wei, An Shi, et al. HIRFL-CSRm power supply monitoring system. High Power Laser and Particle Beams, 2019, 31: 025102
    [6] 邰禄. 基于 CompactRIO 的对撞区特种磁铁快速温度保护系统设计[D]. 北京: 中国科学院高能物理研究所, 2018.

    Tai Lu. Rapid temperature protection system design based on CompactRIO for special magnet in BEPCⅡ. Beijing: Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, 2018
    [7] Using the LabVIEW Shared Variable[EB/OL].http://www.ni.com/product-documentation/4679/en/.
    [8] Interactively Configuring EPICS I/O Servers[EB/OL]. http://www.ni.com/product-documentation/14149/en/.
    [9] Introduction to EPICS[EB/OL]. https://www.ni.com/en-us/innovations/white-papers/12/introduction-to-epics.html.
    [10] LabVIEW EPICS Client I/O Server 2011[EB/OL]. http://www.ni.com/download/labview-epics-client-io-server-2011/2533/en/.
    [11] CA Lab (LabVIEW + EPICS)[EB/OL]. https://www.helmholtz-berlin.de/zentrum/locations/it/software/exsteuer/calab/index_en.html.
    [12] 田立明. 基于CompactRIO的多通道数据采集系统的开发与设计[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2015.

    Tian Liming.The development and design of multi channel data acquisition system based on compact RIO. Harbin: Harbin Engineering University, 2015
    [13] Yi L I, Chen J, Cong F Y, et al. Data acquisition and analysis system of large frequency-converting blower based on NI CompactRIO[J]. Instrument Technique & Sensor, 2008, 37(8): 44-46.
    [14] ZeroMQ [EB/OL]. http://zeromq.org/ .
    [15] Message Queue [EB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/Message_queue.
    [16] Sliwinski W, Yastrebov I, Dworak A. Middleware Proxy: a request-driven messaging broker for high volume data distribution[C] //Proc of ICALEPCS’13. 2013: 948-951.
    [17] Lauener J, Sliwinski W.How to design & implement a modern communication middleware based on ZeroMQ[C] //Proc of ICALEPCS'17. 2017: 45-51.
    [18] Chrin J, Aiba M, Rawat A, et al. Accelerator modelling and message logging with zeroMQ[C] //Proc of ICALEPCS’15. 2015: 610-614.
    [19] Ebner S G, Brands H, Kalantari B, et al. SwissFEL-beam synchronous data acquisition-the first year[C] //Proc of ICALEPCS’15. 2015: 276-279.
    [20] Yamashita A, Kago M. A new message-based data acquisition system for accelerator control[C] //Proc of ICALEPCS’13. 2013: 413-416.
    [21] New parametric current transformer user’s manual Rev.2.0[M/OL]. http://www.bergoz.com/sites/www.bergoz.com/files/npctmanual2-0.2017.
    [22] 李敏. HIMM束流诊断前端控制系统的设计与实现[D]. 兰州: 中国科学院近代物理研究所, 2015.

    Li Min. The design and implementation of front-end control system of beam diagnostics for HIMM. Lanzhou: Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, 2015
  • [1] 王建新, 黎明, 王汉斌, 李鹏, 吴岱. 基于束流位置探测器的束团长度测量[J]. 强激光与粒子束, 2013, 25(02): 461-464. doi: 10.3788/HPLPB20132502.0461
    [2] 刘伍丰, 乔卫民, 敬岚, 郭玉辉. 冷却存储环虚拟加速器的数据交互系统[J]. 强激光与粒子束, 2009, 21(12).
    [3] 孙葆根, 何多慧, 王勇, 姚成贵, 卢平, 王筠华, 王贵诚. 合肥光源DCCT系统的磁屏蔽[J]. 强激光与粒子束, 2000, 12(04).
    [4] 李吉浩, 孙葆根, 何多慧, 卢平, 王筠华, 曹涌, 郑普. 用于合肥光源200 MeV直线加速器束流位置测量的信号处理系统[J]. 强激光与粒子束, 2005, 17(09).
    [5] 陈鹏, 吴元明, 李家才, 邹湘, 牛卫平, 张少平. BEPCⅡ试验束束流位置探测器的研制[J]. 强激光与粒子束, 2008, 20(02).
    [6] 杨永良, 王筠华, 孙葆根, 陈园博, 周泽然. 数字锁相检测在合肥光源逐圈测量系统的应用[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(09).
    [7] 孟鸣, 王筠华, 杨永良, 周泽然, 陈园博. 逐圈测量系统在合肥光源数字反馈调试中的应用[J]. 强激光与粒子束, 2011, 23(04).
    [8] 王筠华, 刘建宏, 孙葆根, 李为民, 刘祖平, 王琳, 杨永良, 郑凯. 逐圈测量系统定标和新近实验结果[J]. 强激光与粒子束, 2004, 16(05).
    [9] 刘伍丰, 乔卫民, 原有进, 郭玉辉, 徐杨, 李桂花. RIBLLⅡ与CSRe中束流控制系统的设计[J]. 强激光与粒子束, 2008, 20(03).
    [10] 卢平, 孙葆根, 刘建宏, 王筠华, 何多慧. 合肥光源基于VXI总线的束流测量系统[J]. 强激光与粒子束, 2002, 14(02).
    [11] 刘伍丰, 乔卫民, 敬岚, 原有进, 夏佳文. 兰州重离子加速器冷却存储环控制系统[J]. 强激光与粒子束, 2013, 25(11): 3013-3016. doi: 10.3788/HPLPB20132511.3013
    [12] 刘伍丰, 乔卫民, 原有进, 毛瑞士, 赵铁成. 兰州重离子加速器冷却存储环慢引出控制系统[J]. 强激光与粒子束, 2013, 25(10): 2667-2670. doi: 10.3788/HPLPB20132510.2667
    [13] 李成财, 朱昆, 林晨, 朱军高, 吴旻剑, 李东彧, 徐筱菡, 颜学庆. 用于激光驱动质子束测量的腔式束流位置探测器模拟研究[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31(06): 31065101. doi: 10.11884/HPLPB201931.190020
    [14] 詹志锋, 马庆力, 王筠华, 阴泽杰, 吴孝义. 合肥光源逐圈束流位置监测系统中的定时系统[J]. 强激光与粒子束, 2003, 15(05).
    [15] 杨桂森, 冷用斌, 袁任贤, 阎映炳. 基于逐圈位置频谱的束流不稳定性[J]. 强激光与粒子束, 2011, 23(08).
    [16] 谢宇彤, 代志勇, 韩青. 电阻环束流探测器的标定[J]. 强激光与粒子束, 2002, 14(01).
    [17] 王少明, 满开第, 蔡国柱, 郭艺珍, 杨胜利. 冷却储存环主环磁铁的准直测量[J]. 强激光与粒子束, 2005, 17(05).
    [18] 王筠华, 李为民, 刘祖平, 孙葆根, 刘建宏, 郑凯, 杨永良, 徐宏亮, 王琳, 尚雷, 贡顶. 合肥光源逐圈测量系统试验结果及其在注入调试中的应用[J]. 强激光与粒子束, 2004, 16(01).
    [19] 李鹏, 孙葆根, 罗箐, 王晓辉, 卢平, 徐宏亮, 方佳. 束流位置监测器测量束流四极分量的新方法[J]. 强激光与粒子束, 2008, 20(04).
    [20] 阎映炳, 冷用斌, 赖龙伟, 张宁, 易星, 杨桂森. 用束流位置监测器测量上海光源束流寿命[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(01): 189-192.
  • 加载中
图(10)
计量
  • 文章访问数:  58
  • HTML全文浏览量:  114
  • PDF下载量:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-05
  • 录用日期:  2019-09-11
  • 网络出版日期:  2019-11-07
  • 刊出日期:  2019-12-01

基于EPICS的CSRe束流诊断控制系统升级

    通讯作者: 毛瑞士, maorsh@impcas.ac.cn
    作者简介: 李 敏(1983—),女,博士,工程师,从事探测器测控技术及应用;limin@impcas.ac.cn
  • 1. 中国科学院 近代物理研究所,兰州 730000
  • 2. 兰州科近泰基新技术有限责任公司,兰州 730000
  • 3. 中国科学院大学,北京 100049

摘要: 兰州重离子加速器(HIRFL)冷却存储环的实验环(CSRe)提供高品质的束流用于高精度的质量测量、原子物理等实验研究,实现束流参数的准确测量是进行物理实验的前提保障。目前,CSRe加速器控制系统已升级为EPICS架构。介绍了基于EPICS的束流诊断控制系统现状,并利用升级后的控制系统测量了束流相关参数。其中,束流位置系统能够测量注入束流的逐圈位置信息,测量结果发现束流在注入过程中存在一定程度的震荡,影响注入效率。流强测量系统通过高分辨的数据采集卡实现对DCCT信号的精确测量,同时增加了D事例触发功能。升级后的控制系统,可以实现束流参数的测量,并集成于加速器控制系统的EPICS CSS界面。

English Abstract

  • 兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)CSRe上安装多种束流诊断设备以实现束流参数的测量,并协助CSRe充分发挥高质量谱仪功能[1-2]。上述探测器的控制则是基于分布式、独立、远程界面的方式实现。目前HIRFL-CSR的控制系统基于EPICS进行了升级改造,作为加速器控制系统子系统的束诊系统,必然也需要升级为基于EPICS架构的控制系统。同时,束诊控制系统升级改造后,摒弃原有每种类型的探测器维护和使用一个独立界面的风格,屏蔽了通信接口模式的多样化。束诊探测器控制系统的Operator Interface(OPI)端采用Control-System Studio(CSS)开发,形成统一的控制界面,可集成到HIRFL整体控制系统中,提高加速器调束、运行效率。

    • 兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)由电子回旋共振(ECR)离子源、扇聚焦回旋加速器(SFC)、大型分离扇回旋加速器(SSC)、冷却储存环主环(CSRm)和实验环、放射性束流线、实验终端等主要设施组成。从回旋加速器SFC或SSC引出的重离子束(7~25 MeV/u)首先注入到CSRm储存,并使用电子束对重离子束进行冷却累积,然后采用高频变谐波同步加速的方法将束流能量提高到200~1000 MeV/u,最后快引出打靶,使中高能重离子弹核碎裂(PF)产生放射性束RIBs或剥离成类氢类氦或全裸的高电荷态(高Z)的重离子束(如U92+,Au),这些次级束流被CSR的谱仪线RIBLL2分离选择后注入到CSRe中冷却储存,并利用收集储存的循环离子连续不断地进行实验[2]。HIRFL-CSR的总体布局图如图1所示。

      图  1  HIRFL-CSR的总体布局图

      Figure 1.  Layout of HIRFL-CSR

    • 实验环CSRe是一个全长为128 m的储存环,可以利用自身的大接收度、等时性模式、电子冷却、TOF测量和Shottky频谱分析进行稀有离子探测和高分辨质量测量。前期CSRe运行的控制系统未使用统一的控制架构,控制系统存在集中和分布控制模式并存的现象,且各子系统使用的通信协议不统一,每个子系统开发了相对独立的控制界面,这使得整个控制系统显得零乱、复杂,使用和维护都不方便[3]。基于上述原因调研了国内外加速器控制系统,HIRFL控制系统的升级改造采用实验物理及工业控制系统(EPICS)[4-5]实现其分布式控制。CSRe上安装有法拉第筒、束流变压器以实现束流强度的测量;安装束流位置测量探针(BPM),用于测量束流位置和轨道信息;安装Schottky探针测定环的参数,如Q值和色品,以及精确地测量核素的质量。另外,还安装束流刮削器、相位探针和狭缝等探测器以协助CSRe充分发挥其高质量谱仪功。CSRe安装的束流诊断探测器数量及布局如图2[1]所示。升级之前的每种类型探测器的控制系统需维护和使用一个独立界面;针对不同类型的探测器,其多样化的通信接口使得开发每种类型的上位机界面时需要显示具体的通信连接方式,加速器调束和运行时没有统一的束诊控制界面,更多的时候使用远程界面或者VPN登录方式实现具体控制。

      图  2  CSRe束流诊断探测器布局图

      Figure 2.  Layout of beam diagnostics detectors at CSRe

    • HIRFL-CSR束流诊断控制系统硬件大多采用NI产品,因此采用基于LabVIEW软件实现各种探测器的控制和测量功能。LabVIEW语言是一种带有扩展库函数的通用程序开发系统,提供许多库函数,包括数据采集、GPIB和串口仪器控制,数据显示、分析和存储等。开发者可以利用LabVIEW提供的库函数,轻松完成设备驱动程序的开发[6]。利用LabVIEW开发的软件扩展名为.vi。

      目前,LabVIEW通过使用LabVIEW共享变量引擎(SVE)[7]和LabVIEW EPICS I/O服务器[8]实现EPICS PV变量的发布和读取,其具体实现流程如图3[9]所示。其中,SVE运行在NI自主研发的发布订阅协议(NI-PSP)上,支持安装了NI软件的PC和实时操作系统。

      图  3  LabVIEW与EPICS网络之间的数据交互接口

      Figure 3.  Data exchange interface between LabVIEW and EPICS

      (1)LabVIEW VIs(EPICS客户端或EPICS服务器)读取和写入网络发布的共享变量;

      (2)网络发布的共享变量被绑定到EPICS PV;

      (3)EPICS客户端I/O服务器监测PVs的更新;

      (4)EPICS Server I/O服务器使用Channel Access协议将PVs发布到EPICS网络。

      基于上述过程,利用LabVIEW EPICS接口实现PV变量发布的底层数据交互复杂性高,现场测试利用LabVIEW EPICS接口发布的PVs,其稳定性不高;而且LabVIEW EPICS客户端I/O服务器仅支持Windows操作系统[10];鉴于利用该软件包使用复杂度高、可能导致的不稳定性和使用不广泛性等原因,HIRFL束诊控制系统不采用该方案实现EPICS的升级。

    • 在LabVIEW中实现EPICS通信的方法有很多种,CSRe束流诊断控制系统的升级是通过德国柏林赫尔姆霍兹中心(HZB)提供的CA Lab实现LabVIEW中的变量同Windows平台上EPICS IOC中的PV对应起来[11]

      CA Lab是一个用户友好、轻量级和高性能LabVIEW和EPICS之间的接口工具包,两者之间的接口关系如图4所示。该接口使用经过验证的EPICS BASE库(V3.14.12),CA Lab接口库和多态VI实现对EPICS PV的访问,其主要特点描述如下[11]

      图  4  CA Lab与EPICS接口的架构图

      Figure 4.  Schema of CA Lab interface

      (1)基于EPICS base包,对EPICS的所有数据类型,CA Lab都能有效支持。目前HIRFL-CSR控制系统基于EPICS BASE 3.14版本,选用的CA Lab接口版本与加速器控制系统的EPICS Base版本一致。

      (2)最新版本的CA Lab在创建、读取和编写EPICS PV变量时非常简单,该接口可以轻松实现EPICS变量的用户事件。根据已经实现的基于CA Lab开发的前端控制器程序的开发经验可知,利用该方式可以利用CA Lab简单、快速实现流诊断探测器控制系统的PV变量发布。

      (3)EPICS时间戳、状态等可选PV字段(属性)绑定到数据集中,可以避免不一致的数据集,容易创建VI的可执行文件。

      (4)CA Lab适用于从7.0到2016(32位/ 64位)的所有LabVIEW版本(Windows和Linux操作系统)。此接口仅需要LabVIEW即可执行,不必创建任何LabVIEW项目,也不必使用外部服务。升级后的CSRe束诊前端控制系统硬件设备存在Windows和Linux并存的现状,CA Lab支持两种操作系统的特点满足此次软件升级的应用需求。软件升级过程中,在Windows中,使用CaLabSoftIOC.vi创建新的EPICS变量并启动这些变量。Linux系统中,使用标准soft IOC创建PV,从而实现不同操作系统下的基于LabVIEW和CA lab插件的EPICS PV发布。

      目前HIRFL流诊断控制系统除了使用NI PXI、PXIe、USB等产品外,HIRFL流诊断升级过程中还选用NI CompactRIO(cRIO)实现前端探测器的数据采集、运动控制等功能。其控制器采用NI Linux Real-Time[12-13]操作系统,但与CA Lab支持的Ubuntu操作系统不同,该系统下不能直接使用CA Lab接口函数。为了解决上述问题,下载NI提供的C / C ++交叉编译器,通过交叉编译的方法实现CA Lab在NI Linux Real-Time上的应用。

      (5)低网络负载的数据监测和缓存。

      (6)CA Lab是开源的。

    • 束流诊断数据采集及控制系统的一个主要特点就是探测器采样数据的实时高速传输,目前在武威重离子加速器上实现的基于LabVIEW开发的TCP协议可以实现数据的无丢失传输,经武威现场测试后,封装后的TCP数据传输包不能实时传输到上位机界面,网络拥塞时甚至有数s的延时,因此影响数据的实时更新。对比近年来“Message Queue”的主流产品(MSMQ,ActiveMQ,RabbitMQ,ZeroMQ)[15],只有ZeroMQ是以库的形式存在,由应用程序加载、运行即可。其他3款产品都是一个单独服务或者进程,需要单独安装和运行,且对环境有一定依赖。

      ZeroMQ屏蔽了点对点连接时需要显式地建立连接、销毁连接、选择协议(TCP/UDP)和处理错误等技术细节,使网络编程更为简单。根据加速器应用需求特点,束诊采用Publisher-Subscriber通信模式发布测量的束流信息。需要大数据传输的探测器的前端控制系统以Publisher的形式在网络发布测量数据,用户以Subscriber的身份通过Publisher的IP地址和端口号获取束流采样数据,以供实时处理、显示或者存储以供离线数据处理和分析,实现一对多的工作协议模式。且该工具包支持LabVIEW、Python、C++等多种开发语言,以满足熟悉不同软件语言用户的连接需求。

      基于上述ZeroMQ的特点,国外众多加速器选用其作为数据传输、分布式数据计算等的组件。其中CERN加速器控制系统的控制设计并实现了基于ZeroMQ的新一代通信中间件(RDA3),并将该架构应用到其所有加速器控制系统和GSI FAIR项目[16-17]。PSI利用ZeroMQ在加速器模型和消息记录上进行了深入的研究,实现了基于ZeroMQ的Publisher-Subscriber和多部分消息框架消息记录和实时监测加速器状态的功能[18];还实现了高效的大型和小型探测器的数据流处理。其他加速器也利用ZeroMQ实现了数据采集、数据传输组件、基于消息机制的数据分发等功能的开发,并进行了广泛和深入的研究测试[19-20]

      根据ZeroMQ的上述特点,参考其国外加速器上广泛的使用,HIRFL-CSR流诊断控制系统升级方案中选用ZeroMQ实现前端探测器的数据传输和分发功能。

    • CSRe束诊控制系统目前已实现大多数探测器的基于EPICS的升级,并进行了在束测试,其部分探测器的升级系统的在束测试结果介绍如下。

    • 同步加速器使用直流束流变压器(DCCT)测量同步环束流流强信息,CSRe的流强在mA量级范围内,经过Bergoz NPCT电子学处理束流信号后输出的电压幅值范围为±10 V,其DC带宽在±20 mA时的量程范围时为8 kHz,其他量程范围内时的输出电压信号带宽为10 kHz[21]。原有DCCT的数据采集使用NI USB 6210,其中采样率最大为250 kHz,16位ADC分辨率。根据物理需求,DCCT测量需实现1 μA的测量分辨精度,同时实现束流流强基于事例触发的数据采集。结合上述参数NI USB 6210的数据分辨为0.6 μA,因此升级后的采用基于cRIO架构的采集卡NI 9239,其采样率为50 kHz,24位ADC分辨率,可以达到0.002 μA的数据分辨率。升级后的控制系统架构如图5所示,NI 9064是带有FPGA编程和运行NI Linux Real-Time操作系统实时处理器,NI 9402用于接收DCCT的D事例触发。该架构主要由数据显示和参数设置的GUI层,数据传输和发布功能的实时操作系统层和实现数据采集和处理的FPGA三层组成,其主要功能描述如下。

      图  5  DCCT控制系统架构

      Figure 5.  System architecture of the DCCT control system

      (1)参数设置:DCCT控制系统中主要实现如下参数:数据处理算法、平均点数、基线偏移补偿值、采样间隔以及采样模式。DCCT采样可以实现连续采样和触发采样控制,其中连续采样则在特定采样间隔下进行不间断的采样工作,而触发采样则是接收虚拟加速器发送的D事例,在D事例触发下实现DCCT的特定时间或者特定点数的数据采集。

      (2)变量发布和数据显示:DCCT控制系统中的数据显示功能主要实现DCCT采集的束流流强信号显示、设置的参数、系统状态量。高速采样的DCCT数据通过ZeroMQ实现Publisher-Subscriber模式的数据发布,同时也实现了基于CA Lab的EPICS PV变量的发布。设置参数和系统状态量也是以EPICS PV变量形式发布,客户端工具,如CSS、MEDM、caQtDM等读取网络上PVs,然后以特定的形式显示出来。

      (3)数据采集和处理:DCCT控制系统的数据采集功能在NI cRIO 9064上实现,RT上的FPGA程序按照设定频率从NI 9215上读数数据,并将数据按照特定的格式保存至FIFO队列中,RT上的非FPGA程序也将定期从FIFO中读取采集到的数据,经过处理之后发布成PV变量。在FPGA上实现了窗平均、简单滑动平均(Simple Moving Average)和指数滑动平均算法(Exponential Moving Average)三种平均算法[22],用户可以根据现场束流状况采用合适的算法实现束流流强信息的处理,并显示原始采样数据或者某种平均算法处理后的数据。参数设置功能亦由客户端和服务端两部分组成,服务端在NI cRIO 9064上实现。

      CSRe升级后的DCCT控制系统界面如图6所示,该界面目前已在CSRe稳定在束运行,且可嵌入到HIRFL EPICS整体控制系统的界面,供调束和实验时使用。

      图  6  基于CSS开发的CSRe DCCT界面

      Figure 6.  GUI of the DCCT control system at CSRe developed with CSS

    • CSRe采用Shoe-Box类型的BPM适合重离子长束团信号的测量。探针尺寸设计为250 mm×130 mm(孔径),在束流尺寸较小的两处为170 mm×110 mm(孔径);CSR系统束流的回旋频率为0.7~2.1 MHz,由于高频捕获过程中束团长度的变化,束团感应信号的谐波成分也应考虑在内[1],选用的NI公司生产的PXI-5105示波器卡实现CSRe的数据采集,其最高采样率可达60 MHz,精度12 bits。因此,利用该BPM数据采集系统可以实现BPM束流信号的宽带信号处理,实现束流的监测和相关参数测量。可以监测CSRe的注入束流和由于CSRe设计参数和实际参数差异导致出现的单束团现象;测量CSRe全环BPM的闭轨位置;利用BPM各极板的采样信号进行差、和信号的计算、傅里叶变换等信号处理,可以观测因为束流横向振荡形成的边带,进而计算束流的工作点、动量分散;同时利用统计学知识,对多次测量的工作点值和动量分散值进行分析,可以得出利用该数据采集系统测量前述两种束流参数时该系统的测量精度。BPM在加速器调试和束流参数测量中发挥着重大作用,因此有必要实现稳定、易用的控制系统的升级。

      (1)束流诊断控制系统硬件系统

      与CSRm采用B事例触发BPM数据采集功能不同的是,束流通过从CSRm用快引出方式引出然后注入到CSRe,周期一般是20 s左右,因此可以使用束流信号作触发,设定NI-PXI-5105采样率为60 MHz,束流在CSRe中至少能够保持束团状态几个ms,不需要高频捕获即可实现束流的位置测量。

      (2)软件系统

      BPM数据采集系统在系统升级前采用LabVIEW开发,其测量控制界面如图7所示,其中多个BPM采样机箱之间通过Data Socket进行数据通信实现束流位置信息的汇总。升级后的BPM测量系统首先通过CA Lab实现PV变量的发布,并利用CSS开发了测量控制界面。升级后的界面在CSRm进行了在束测量,图8(a)为BPM测量的控制界面,图8(b)显示了CSRm一次测量过程中所有BPM的水平、垂直方向位置随时间的变化趋势。BPM测量系统中发布了原始采样信号,傅里叶变换信号,束流位置信息等测量数据,根据不同的应用需求,用户可以方便的通过PV变量获取相应数据,进行实时的数据监测和离线束流参数的分析处理,相比DataSocket面向单用户连接的方式具有更高的灵活性和扩展性,升级后OPI具有更强的共享性和通用性,可以集成到整个控制系统的上层控制软件中,只要安装配置了CSS,都可以运行该OPI。

      图  7  基于LabVIEW的升级前的BPM数据采集系统界面

      Figure 7.  Data acquisition system of BPM control system based on LabVIEW before the upgrade

      图  8  升级后BPM测试及轨道测量界面

      Figure 8.  Beam position and beam orbit GUIs of BPM control system after upgrade

      (3)测试结果

      采集的CSRe43P1 BPM内外两个极板信号离线数据如图9(a)所示,并利用该采样数据计算注入点处前100圈的逐束团束流位置,计算结果如图9(b)所示。

      图  9  CSRe注入点处的BPM测量的测量结果

      Figure 9.  Beam position measurement results at the injection of CSRe

      图9(b)中的位置信息,束流在注入点处存在一定程度的振荡,其水平方向的位置范围为[-10.72,25.24] mm,垂直方向的位置范围为[-11.93,8.26] mm;该振荡在一定程度上影响了注入效率和存储的束流流强,需要加速器物理人员进一步查找原因以减小振荡。

    • 目前束流诊断控制系统实现了CSRe上法拉第筒、狭缝和荧光靶的EPICS系统升级,升级后的界面分别如图10所示。且完成升级的CSRe束诊控制系统均可在线使用,并可集成到CSRe整体控制系统。

      图  10  基于CSS开发的法拉第筒、狭缝及荧光靶界面

      Figure 10.  GUIs of Faraday cup, slits and view screen developed with CSS

    • HIRFL控制系统目前已基本实现基于EPICS框架的升级改造,各种数据信息全部存储在基于以太网的EPICS IOC数据库中。对于使用LabVIEW开发I/O设备驱动程序的用户来说,通过CA Lab实现EPICS SoftIOC的开发,实现EPICS PV变量的发布,不需要重新编写EPICS驱动程序,对于束诊大多数探测器采用LabVIEW开发的数据采集系统来讲,经过简单的配置即可以实现与HIRFL整体系统的数据通信。

      CA Lab接口可以快速实现基于LabVIEW的EPICS CA Sever的开发,可以连接到以太网上,网络上的任何被授权的主机都可以通过CA访问,读取EPICS系统中的数据。

      目前已经完成了CSRe BPM、DCCT、狭缝、荧光靶和法拉第筒的基于CA Lab的EPICS升级,并且CA Lab轻量级、高性能、支持所有EPICS数据类型的特点通过现场在束测试结果得到了验证。HIRFL上的CSRm和RIBLL等束线上的大部分探测器也已经实现了基于CA Lab的EPICS PVs发布和基于CSS的界面开发,开发的每种类型的探测器的CSS界面可以方便地嵌入到HIRFL加速器整体控制界面。后续将会实现束流诊断其他探测器控制系统的基于CA Lab的EPICS系统升级和应用。

参考文献 (22)

目录

    /

    返回文章
    返回