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1、P 在重离子加速器冷却存储环控制系统的应用HIRFL-CSR 工程 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。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 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
2、+)，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 方米。兰州近代物理所 HIRFL-CSR 系统面结构示意图示于图 1。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 系统的架构图示于图 2。HIRFL-CSR 控制系统对数据采集台的需求HIRFL-CSR 控制系统兰州 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。控制系统结构图示于图
3、3。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。在图 3 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
4、，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。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 P 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 RS485 总线数据采集模块。这些数据采集模块的核心
5、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。P 数据采集子单元和基于 RS485 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
6、能服务器。这些高性能服务器通过 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。整个控制系统的拓扑图示于图 4。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，通常选用的硬件台为 VME 总线。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 P 总线做为 HIRFL-CSR 控制系统中高速信号获取的硬件台。这在全世界 HIRFL-CSR 工程中是首次使用。选用 P 总线做为高速信号数据获取台的原因P 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 V
7、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，P 总线具有如下优点：P 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。如图 5 所示，P 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 P 背板上的仪器模块提供了一个共享的沟通管道。这个 8 位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)，P 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
8、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间小于 1ns 的触发时间误差。P 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 P 总线的触发可以很容易的实现这多块 P 数据采集卡同时触发采集。P 总线具有 10MHz 同步时钟，可以作为多路数据获取的同步时钟。如图 5 所示
9、，P 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P 总线上的 10MHz 同步时钟可以做为多块 P 数据采集卡的同步时钟节拍。P 总线的带宽为 133MB/s512MB/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
10、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。P 总线基于 PCI 总线，总线带宽为 133MB/s512MB，数倍于 VME 总线。这样如果数据采集子单元选用 P 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。P 总线数据采集产品种类多，产品性价比高。P 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 P 总线。目前全世界已经有百余家 P 设备生产厂家提供上千种P 数据采集产品。这样用户可以自由的选择组合自己的P 数据采集系统。P 的硬件和软件基于开发架构，
11、因此和 VME 相应产品对比，用户的软硬件投资大大降低。HIRFL-CSR 对 P 硬件产品的需求在 HIRFL-CSR 控制系统中，大量 P 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P 硬件台，HIRFL-CSR 控制系统的设计者要求满足如下要求：Pentium 4 以上的 CPU 处理能力，CPU 功耗低，无风扇设计。每个 P 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 P 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
12、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，仅靠散热片就能满足系统散热要求。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，P 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。各种规格的数据采集卡，支持 Windows 和 Linux。在 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 100
13、K1GHz，分辩率从 8bit24bit。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。HIRFL-CSR 使用的 P 硬件台下面是兰州近代物理所 HIRFL-CSL 使用的部分凌华科技提供的 P 产品：机箱：PS-2630：4U 高度，3U P 8 槽 P 机箱，280W ATX 电源，具备机箱报警功能。PS-2556：4U 高度，3U 5 槽 P 机箱，带6。4LCD，支持触摸屏。PS-2700:4U 高度，3U 18 槽 P 机箱，带冗余300W 冗余电源。控制器：P-3800：Pentium M 1.
14、6G P 控制器，512M RAM ，支持 Pentium M2 处理器P/PCI-8570: P M-3 控制器，可以用普通 PC控制 P 系统。数据采集卡：P-2010：4CH 2MS/s 14bit 同步数据采集卡P-2005：4CH 500KS/s 16bit 同步采集卡P-2204：64CH 3MS/s 12bit 多功能数据采集卡P-2208：96CH 3MS/s 12bit 数据采集卡P-9820：2CH 65MS/s 14bit 数字化仪P 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。兰州近代物理所 HIRFL-CSR 控制系统中使用了大量 P 总线数据采集产品，在系统调试过程中，基于P 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 P 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，P 总线必将占据主导作用。本文可能所用到的 IC 型号：ADUC814BRUZ AC139 CS5165A XHT22 SN74ALS169BDR M24C04-MN6 LROT002 ICS9148AM-60 LM193AN DLH36129KBF11CQC
