强流质子加速器的束流损失读出系统的研究

admin管理员组

文章数量:1530516

2024年6月1日发(作者：)

第３２卷

２０１２年

第６期　

６月　

核电子学与探测技术　

Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

Ｖ０１．３２　Ｎｏ．６　

Ｊｕｎｅ．　２０１２　

强流质子加速器的束流损失读出系统的研究　

马晓媛，雷革，徐韬光　

（中国科学院高能物理研究所，北京１０００４９）　

摘要：介绍了强流质子加速器束流损失监测系统中束流损失读出系统的研究。束损读出系统硬件　

使用基于ＶＭＥ总线协议的ＡＤＣ设备，软件设计采用ＥＰＩＣＳ控制软件框架。作者编写设备驱动、设备支　

持、记录支持程序，实现了对硬件的控制和数据的读取，并满足工程要求的性能指标。　

关键词：柬流损失读出系统；实验物理及工业控制系统；设备驱动；ｖｘＷｏｒｋｓ　

中图分类号：ＴＰ　３３５．１　文献标志码：Ａ　文章编号：０２５８－０９３４（２０１２）０６－０６４２－０５　

新一代强流质子直线加速器的设计能量一　

般在ＧｅＶ量级，流强高达十几毫安到几百毫　

安。中国散列中子源（ＣＳＮＳ）束流能量为１．６　

ＧｅＶ，其中直线部分峰值流强为１５　ｍＡ；加速器　

驱动次临界洁净核能系统ＡＤＳｌ１　质子加速器　

最高输出能量１．５　ＧｅＶ，流强１０　ｍＡｌ２】。质子　

加速器的辐射水平远远高于电子加速器，加速　

腔中损失的束流打在ＲＦＱ腔壁上，不仅会损害　

腔体，而且在管道上产生的感生放射性，会妨碍　

人们对器件的手工维护，所以必须要对束流损　

失情况进行严格的控制　Ｊ。　

为此，在加速器束流管道的适当位置需要　

图１系统结构层次图　

备　

在隧道　

束流损失监测系统的结构主要分３层，如　

图１所示，最底层为束损探测器，直接测量束流　

管道如射频四极加速器（ＲＦＱ）、漂移管加速器　

（ＤＴＬ）、中能传输线（ＭＥＢＴ）的束损值。中间　

层为前端电子学设备层，它获取探测信号并进　

行调整。最上层是束损数据读出系统，它将电　

配置一定数量的束流损失探测器（Ｂｅａｍ　Ｌｏｓｓ　

Ｍｏｎｉｔｏｒ，ＢＬＭ），通过束流探测器与粒子束流　

的相互作用获得束流信息的电信号，然后在相　

连的前端电子学设备获取探测器检测到的电信　

号，得到了一系列束损信号。在此基础上，通过　

模数转换读出设备对得到的模拟信号进行数字　

化、处理和显示，从而操作员在控制室能够方便　

子学设备获取的信号进行数字化，数据处理以　

及在控制中心的直观图像表示，方便调束人员　

对束损情况进行监测。　

本文主要介绍束流损失读出系统的硬件架　

构和软件实现。　

直观地观察束流管道中的束流损失情况，包括　

束损位置和剂量，如图ｌ所示。　

１硬件架构　

收稿日期：２０１２—０２—２９　

读出系统的硬件实验环境主要使用了以下　

设备：　

作者简介：马晓嫒（１９８８一），女，山西省大同市人，在　

读硕士研究生，研究方向：计算机控制和应用。　

６４２　

（１）ＶＭＥ６４ｘ机箱；　

（２）ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司的ＭＶＭＥ５１００主控　

板，装载ＶｘＷｏｒｋｓ５．４实时操作系统；　

（３）ＡＤＣ采样板，采用ＧＥ公司的　

ＶＭＩＣ３１２３Ａ．＋／一１Ｏ和＋／一５　Ｖ输人电压范　

围，Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ　Ｆｉｌｔｅｒ，２４　ｋＨｚ频率，４　Ｍ缓冲　

区大小，１６通道，１６位，每通道１００　ｋＨｚ采样　

率　；　

（４）与ＶＭＩＣ３１２３Ａ配套的ＶＭＩＡＣＣ—　

ＢＴ１２　９针接线端子和２５针接线端子；　

（５）Ａｇｉｌｅｎｔ　３３２２０Ａ　２０　ＭＨｚ函数／任意波　

形发生器；　

（６）应用开发服务器，采用Ｓｕｎ　ｓｅｒｖｅｒ，Ｓｏ－　

ｌａｒｉｓ操作系统，远程访问；　

（７）定时样机提供外触发源。　

硬件的组合关系以及信号流动关系如图２　

硬件逻辑图所示。　

下载ｖ】ｃｗ０ｒｋ５内核　

下载ＥＰＩＣＳ应用　

图２硬件逻辑图　

在图３实物图中，左图上部ＶＭＥ机箱插的　

是ＭＶＭＥ５１００和ＶＭＩＣ３１２３Ａ，下部的ＶＭＥ机　

箱是给ＶＭＩＣ３１２３Ａ提供外触发的定时样机，右　

上图是提供外界与ＶＭＩＣ３１２３Ａ方便连接的接　

线端子，右下图是波形发生器和示波器。　

图３硬件实物图　

２软件设计　

数据读出系统主要分为３个模块，如表１　

所示。　

外触发信号　

表１数据读出系统模块表　

模块名　完成功能　

信号数字化　模拟信号量化为计算机可处理的数字信号　

数据处理　茎化后的原始数据处理、计算得到待测　

数据呈现　差　面中简洁、高效地显示测萤物理量　

具体地说，读出系统要完成的内容主要有　

３项：使用ＶＭＩＣ３１２３Ａ获取模拟信号，并进行　

数字化；对采样数据根据物理需要进行转换、对　

比、传输、存储等处理；人机界面数据呈现，能够　

简洁高效地表示出测量物理量及其变化。　

２．１　ＥＰＩＣＳ框架　

束流损失读出系统的研制基于ＥＰＩＣＳ，即　

“实验物理及工业控制系统”（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　

Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）Ｌ４　Ｊ，它是上　

世纪９ｏ年代初由美国洛斯阿拉莫斯国家实验　

室（ＬＡＮＬ）和阿贡国家实验室（ＡＮＬ）等联合开　

发的大型控制软件系统。ＥＰＩＣＳ是一套合作开　

发的开源软件工具、函数库和应用程序，国际上　

许多大科学装置，如粒子加速器和天文望远镜，　

都是采用ＥＰＩＣＳ作为其控制系统的软件架　

构［引。　

读出系统软件结构采用ＥＰＩＣＳ典型三层　

架构，ＩＯＣ层（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．）、网络访　

问层和ＯＰＩ（操作员接口层），读出系统较为详　

细的软件架构图如图４所示。　

系统软件架构细分为５层，如图４所示。　

最底层硬件设备层ＶＭＩＣ３１２３Ａ，然后是驱动层　

（ｖｘＷｏｒｋｓ　Ｄｒｉｖｅｒ　Ｌａｙｅｒ），设备支持层（Ｄｅｖｉｃｅ　

Ｓｕｐｐｏｒｔ　Ｌａｙｅｒ），记录支持层（Ｒｅｃｏｒｄ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　

Ｌａｙｅｒ）和最上层的人机接口。下面将重要的几　

层做详细介绍。　

２．２驱动程序设计　

设备驱动程序是操作系统内核和硬件设备　

之间的桥梁，通过驱动程序使应用程序可以像　

操作普通文件一样对硬件设备进行操作。　

读出系统需要的驱动主要是ＶＭＩＣ３１２３Ａ　

高性能数据采集板的ｌｉｎｕｘ驱动。设备驱动包　

６４３　

括以下步骤：设备的初始化和配置，修改设备寄　

存器的其他设置，从设备缓冲区读取数据到内　

存，检测和处理设备出现的错误。　

图４读出系统软件架构图　

图５列出了驱动初始化流程。　

图５设备驱动初始化流程　

２．３　ＩｏＣ数据库设计　

读出系统设计了ＥＰＩＣＳ　ＩＯＣ数据库，来操　

作硬件寄存器和读取缓冲区数据，使用ＥＰＩＣＳ　

记录９种类型，记录条目５８条。记录类型包括　

模拟输入ａｉ，模拟输出ｎｏ，数字输入ｂｉ，数字输　

出ｂｏ，长整形输入ｌｏｎｇｉｎ，长整形输出ｌｏｎｇｏｕｔ，　

多位数字输入ｍｂｂｉ，多位数字输出ｍｂｂｏ，波形　

记录ｗａｖｅｆｏｒｍ。　

ＶＭＩＣ３ｌ２３Ａ的工作状态转换如图６所示，　

ＶＭＩＣ３１２３Ａ的工作状态共有３种：空闲模式（Ｉ—　

ＤＬＥ　Ｍｏｄｅ）、瞬态模式（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｍｏｄｅ）和连续　

模式（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｍｏｄｅ）　】，此外，通过程序控　

６４４　

制实现了第４种模式：（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ）Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　

Ｍｏｄｅ，该模式弥补了它自带的Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｍｏｄｅ　

每次只能进行一次外触发采样的缺点，能够循　

环进行外触发采样。图６所示的状态转换都是　

通过实现数据库记录控制的（记录名称进行了　

简写，只表明了记录类型和功能名称）。　

图６　Ｖ眦ｃ３１２３Ａ状态转换图　

其中，将空闲模式和连续模式之间的转换　

进行细化，通过设置记录，对ＶＭＩＣ３１２３Ａ的采　

样率、监听通道、采样电压范围、采样数等进行　

设置，再进行模式跳转，如图７所示。　

ｈｎ・ＨＡ１：ｒ　

叫　

Ｍｏｄｅ　』＼　

／

…　

　＼ｌ

Ｍｏｄｅ

，ａｏ

叫ｄ

￣／ｔ　‘‘＇　（ＬＥＤ　￣是｝）　

图７连续模式转换细节图　

空闲模式和瞬态模式之间的转换进行细　

化，如图８所示。　

在ＥＰＩＣＳ　ＩＯＣ数据库中，每个ｒｅｃｏｒｄ都有　

ｂＩ：ｉ　Ｅ　

ｔＬ　Ｂ　竞，　

图８瞬态模式转换细节图　

图１０使用ＶＭＩＣ３１２３Ａ采样的正弦曲线　

（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｍｏｄｅ）和连续模式（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　

它的记录支持程序，ＥＰＩＣＳ本身提供一些成型　

的记录支持程序，但是针对不同的硬件，为了不　

改变记录支持程序，我们需要在硬件和记录程　

序之间添加一层设备支持程序，从而对记录支　

持隐藏了硬件实现的细节　Ｊ。　

２．４控制页面的研制　、、　

读出系统采用ＣＳＳ（Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｔｕｄｉｏ）　

作为人机界面开发软件。ＣＳＳ是一个基于Ｅ．　

ｅｌｉｐｓｅ的工具集合，用来监测和操纵大型控制　

系统，比如加速器界使用的ＥＰＩＣＳ【７１。　

读出设备控制页面主要分为２个部分，如　

图９中所示，在上面的蓝色方框中，配置和修改　

寄存器，点击右上方蓝色按钮即可进人连续模　

式（具体配置内容可见图７模式转换细节图中　

方框的条目）；下面蓝色方框中，配置触发方　

式、状态等寄存器，并点击下方的蓝色按钮进入　

瞬态模式（具体配置的内容可见图８中方框里　

的条目）。　

■＿　０　二二　Ｉ。～。　～：—鞠翻豳　

……’　’……　

…　

…　

……　

—　｛　

一　…　Ｉ…　

　：一一　～　ｌ…～…

ｒ　

…　

。

曩圈豳麓嘲　

一　＾　　＾一　、　一　

图９使用ＣＳＳ绘制的人机界面　

图１０显示的是作者使用ＶＭＩＣ３１２３Ａ在实　

验中获取的波形中的一个例子，正弦曲线。　

３采样模式的研究　

ＶＭＩＣ３１２３Ａ有２种采样模式：瞬态模式　

ｍｏｄｅ）ｏ　

使用Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｍｏｄｅ获取突发数据，可以采　

用多种触发模式进行采样，在将ｂｕｆｆｅｒ采满之　

后，就退出采样回到空闲模式。　

使用连续模式进行连续采样，不使用外触发，　

进行连续采样，直到人为中断，返回空闲模式。　

在实验中，我们需要通过输入同步的外触　

发信号，才能够方便地捕捉到束损峰值数据，所　

以根据这一需求进行了如下的设计。　

依据ＶＭＩＣ３１２３Ａ的性质，在连续模式下，　

它不接受外触发的同步采样，所以我们考虑使　

用瞬态模式。此外，瞬态模式不具有连续的触　

发采样，所以根据它本身特有的性能进行了改　

进。　

在瞬态模式下，采用外触发方式，触发位置　

采用后触发方式，如表２所示。　

表２触发采样选项表　

当外触发脉冲发生时，ＶＭＩＣ３１２３Ａ采集同　

步的通道峰值数据，然后在ＶＭＩＣ３１２３Ａ返回空　

闲模式时，要迅速地再将它设置到Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　

ｍｏｄｅ，进行下一轮的采样，也即新设计的虚拟　

第４种模式：（连续）瞬态模式（（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ）　

Ｔｒｎａｓｉｅｎｔ　Ｍｏｄｅ）ｏ　

６４５　

４性能分析　

工程中需要满足的性能指标，如表３所示，　

并对ＶＭＩＣ３１２３Ａ是否能满足指标进行了描述。　

表３工程所需各项性能指标　

性能指标　指数　

５０－５００　ｗｓ　

１—２５　Ｈｚ　

集产品ＶＭＩＣ３１２３Ａ，基于ＥＰＩＣＳ控制软件，编　

写设备驱动、设备支持程序，并成功实现了对硬　

件的控制，实现了对数据的读取，满足工程要求　

的性能指标。　

参考文献：　

信号脉冲宽度　

重复频率　

流强　

［１］加速器驱动次临界洁净核能系统ＡＤＳ（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　

Ｄｒｉｖｅｎ　Ｓｕｂ—ｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）简介［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／　

ａｄｓ．ｉｈｅｐ．ａｃ．ｅｎ／ｇｃｇｋ／ｘｍｚｔｊｓ／ｌ２／２６３　５０２．ｓｈｔｍｌ　

５—１５　ｍＡ　

ｌＯ　Ｂ～ｌ　ｋＢ　

缓冲区大小　

［２］ＡＤＳ先导专项技术路线［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ａｄｓ．　

对于信号脉冲宽度，ＶＭＩＣ３１２３Ａ具有每通　

道１００　ｋＨｚ采样率，分辨率能达到ｌ０　，小于　

指标规定最低宽度５０　ｓ，能够捕捉到工程中最　

窄的脉冲；对于重复频率，ＶＭＩＣ３１２３Ａ可以采　

ｉｈｅｐ．ａｃ．ｃｎ／ｇｃｇｋ／ｚｔｊｓｆａ／１２／２７５４５１．ｓｈｔｎｄ．　

［３］傅世年，方守贤，关遐令．强流质子加速器物理与技　

术关键问题［Ｊ］．加速器物理和技术，２０１０，ＣＮＩＣ一　

０１６３８／１１　ＣＮＮＣ一０００３：１１０—１３５．　

［４］Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　

［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｐｓ．ａｎ１．ｇｏｖ／ｅｐｉｅｓ／．　

用外触发采样，所以只需要使用合适的外频率，　

就能满足采样的重复频率；对于流强，　

ＶＭＩＣ３１２３Ａ若采用一５～＋５　Ｖ电压范围，１６　

位表示，精确度达０．１５２　ｍＡ，远低于规定的最　

［５］ＶＭＩＶＭＥ一３１２３Ａ　１６一ｂｊｔ｝Ｉｉｇｈ　Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　Ａｎａｌｏｇ　

ＩｎｐｕｔＢｏａｒｄ，１６　Ｃｈａｎｎｅｌｓ　ｗｉｔｈ　Ｓｉｍｕｌｔｎｅｏｕｓ　Ｓａｍｐｌａｅ—　

ａｎｄ—Ｈｏｌｄ　Ｉｎｐｕｔｓ，Ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｍａｎｕａ１．　

低流强５　ｍＡ，能够精确地捕捉到信号；对于缓　

冲区大小，ＶＭＩＣ３１２３Ａ具有从２　Ｂ到４　ＭＢ的　

可调缓冲区，指标规定的范围只是它的一个子　

集，可以根据实际需要来设置缓冲区，即可满足　

工程需要。　

［６］Ｍａｒｔｉｎ　Ｒ．Ｋｒａｉｍｅｒ．ＥＰＩＣＳ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ，ｓ　

Ｇｕｉｄｅ［Ｚ］．２０１０．　

［７］Ｗｅｌｃｏｍｅ　ｔｏ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｔｕｄｉｏ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／　

ＣＳ—ｓｔｕｄｉｏ．ｓｏｕｒｃｅｆｏｒｇｅ．ｎｅｔ／．　

５结束语　

柬流损失读出系统使用ＧＥ高性能数据采　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　Ｐｒｏｔｏｎ　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　Ｂｅａｍ　Ｌｏｓｓ　Ｒｅａｄｏｕｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　

ＭＡ　Ｘｉａｏ—ｙｕａｎ，ＬＥＩ　Ｇｅ，ＸＵ　Ｔａｏ—ｇｕａｎｇ　

（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｈｉｈ　ｇＥｎｅｒｇｙ　Ｐｈｙｓｉｓ，Ｂｅｉｃｊｉｎｇ　１０００４９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｂｅａｍ—Ｌｏｓｓ—Ｒｅａｄｏｕｔ　ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｂｅａｍ—Ｌｏｓｓ—　

Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｐｒｏｔｏｎ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ＢＬＲ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｅ　ＡＤＣ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｅ。　

ｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＶＭＥ　ｂｕｓ　ｐｒｏｔｏｃｏ１．Ｔｈｅ￣ｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　Ｏｉｌ　ｔｈｅ　Ｌｉｎｕｘ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｕｓｉｎｇ　ＥＰＩＣＳ　ｃｏｎｔｒｏｌ　

ｓｙｓｔｅｍ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｄｒｉｖｅｒ．ｄｅｖｉｃｅ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｒｅｃｏｒｄ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｐｒｏｇｒａｍ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｇｅｔｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅ。　

ｖｉｃｅ　ａｎｄ　ｒｅａｄｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｄａｔａ．Ｉｔ　ｔｕｒｎｓ　ｏｕｔ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｔａｒｇｅｔ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｅａｍ　ｌＯＳＳ　ｒｅａｄｏｕｔ　ｓｙｓｔｅｍ；ＥＰＩＣＳ；ｄｅｖｉｃｅ　ｄｒｉｖｅｒ；ｖｘＷｏｒｋｓ　

６４６　

本文标签： 系统设备读出束流进行