散裂中子源

束流位置信息是控制束流軌道的必要參數(shù)，它對環(huán)的閉軌校正等物理過程具有重要作用。中科院高能所為研究強(qiáng)流束的束流損失問題，在"973計劃"支持下建立了973-RFQ束流測量線整個束流測量線共有6個BPM。為了控制束流軌道，實(shí)時監(jiān)測束流位置狀態(tài)，需要對此6個BPM制作一套束流位置讀出系統(tǒng)，將束流位置信息實(shí)時顯示。制作完成的系統(tǒng)將移植到中國散裂中子源(CSNS)的束流位置測量系統(tǒng)中。

公司的對數(shù)比處理模塊，輸出束流水平、垂直方向的位置信號X、Y各6路，和信號的對數(shù)和(SUM)共3路，因此制作的束流位置讀出系統(tǒng)需要讀出此15路信號。X、Y和SUM信號都是脈寬為50~1200μs，重復(fù)頻率為1~125Hz，幅值動態(tài)范圍為±2V的脈沖信號。

1.系統(tǒng)布局

該系統(tǒng)用來采集X、Y、SUM信號到軟件數(shù)據(jù)庫中。CSNS工程的控制系統(tǒng)是基于EPICS(ExperimentalPhysicsandIndustrialControlSys-tem，實(shí)驗(yàn)物理和工業(yè)控制系統(tǒng))的，所以973-RFQ的BPM信號采集系統(tǒng)也采用EPICS作為軟件平臺，便于移植。EPICS是用來開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)的一組軟件工具，它的基本組成部分為OPI(操作員接口)層---采用UNIX、Linux等操作系統(tǒng)的工作站，運(yùn)行各種EPICS工具;IOC(輸入輸出控制器)層---一般采用VME/VXI系統(tǒng)，包括機(jī)箱、處理器和各種I/O插件;網(wǎng)絡(luò)通訊模塊層(通道訪問CA)---為IOCs和OPIs提供基于TCP/IP協(xié)議的CA訪問通信，它提供CAClient和任意數(shù)目的CAServ-er之間的透明通信。

OPI采用了BEPCII工程的bepc21工作站，在Solaris操作系統(tǒng)下已安裝EPICS3.13.8開發(fā)環(huán)境，已有MEDM/EDM/StripTool(顯示界面繪制工具)、ChannelArchiver(歷史數(shù)據(jù)存檔工具)等豐富的OPI工具。IOC層選用了VME系統(tǒng)，由VME64x機(jī)箱，Motorola公司的MVME5100機(jī)箱控制器，Hytec公司的A/D卡、載板、信號轉(zhuǎn)接板組成。實(shí)驗(yàn)中采用PC機(jī)來遠(yuǎn)程訪問EPICS服務(wù)器和終端調(diào)試IOC。

2.硬件性能

選定各硬件產(chǎn)品的性能指標(biāo)如下:MVME5100---主頻450MHz;內(nèi)存512MB;運(yùn)行VxWorks5.4操作系統(tǒng)。A/D卡---型號為Hytec公司的ADC8411U;采樣頻率1Hz~100kHz可選，實(shí)驗(yàn)中選定100kHz;通道數(shù)16;分辨率16位;量程±5V;采樣時間2μs，轉(zhuǎn)換時間8μs;IP(In-dustrialPackage)結(jié)構(gòu)，需配合VME總線的載板使用。載板---型號為Hytec公司的VCB8002;VME64x標(biāo)準(zhǔn);支持IP接口，可以同時搭載4塊IP板;需配合信號后轉(zhuǎn)接板使用。信號后轉(zhuǎn)接板---型號為Hytec公司的VTB8307;VME64x標(biāo)準(zhǔn);有4個SCSI50路接口。信號連接線---DB15轉(zhuǎn)SCSI，一端是6個DB15口，一端是1個SCSI口。0.3IOC數(shù)據(jù)庫開發(fā)IOC層是EPICS控制系統(tǒng)中最重要的部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，IOC數(shù)據(jù)庫是IOC層的核心，它的基本單位是記錄(Record)，每個數(shù)據(jù)通道對應(yīng)一個記錄，這樣一個個的記錄就構(gòu)成了模塊化的IOC動態(tài)數(shù)據(jù)庫。在EPICS環(huán)境下，一個I/O設(shè)備的IOC實(shí)例開發(fā)包括兩部分內(nèi)容:主機(jī)上IOC數(shù)據(jù)庫開發(fā)及交叉編譯和IOC數(shù)據(jù)庫下載到目標(biāo)機(jī)運(yùn)行。而IOC數(shù)據(jù)庫開發(fā)又包括Record(用戶應(yīng)用程序)、RecordSupport、DeviceSupport以及DeviceDriver的開發(fā)。

本系統(tǒng)的A/D卡和載板的RecordSup-port、DeviceSupport以及DeviceDriver都由生產(chǎn)廠家提供。實(shí)驗(yàn)中結(jié)合實(shí)際采集需求，在應(yīng)用環(huán)境下對它們進(jìn)行了刪減、編譯、調(diào)試，發(fā)現(xiàn)了A/D卡用戶手冊中2個缺少的內(nèi)容和A/D卡驅(qū)動程序中2個bug，進(jìn)行了修正及完善。整個IOC數(shù)據(jù)庫開發(fā)過程包括以下內(nèi)容:

(1)運(yùn)行A/D卡和載板驅(qū)動于應(yīng)用環(huán)境下通過建立應(yīng)用目錄，修改Makefiles文件內(nèi)容，使用gmake命令編譯，并下載應(yīng)用到目標(biāo)機(jī)，使A/D卡和載板的驅(qū)動程序能在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下運(yùn)行。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問題如下:AD卡對MVME5100來說有一個內(nèi)存偏移量，在設(shè)置載板的下載參數(shù)時應(yīng)將此參數(shù)設(shè)置上，否則MVME5100將讀不到A/D卡。A/D卡手冊上沒有寫明此內(nèi)容，給的驅(qū)動程序中也沒有定義此參數(shù)。后經(jīng)過跟廠商交流解決此問題，MVME5100讀到A/D卡。

(2)選定A/D卡工作模式并編寫應(yīng)用程序選定的A/D卡有2種工作模式:寄存器模式，觸發(fā)模式。根據(jù)BPM位置信息是脈沖信號特點(diǎn)，選定觸發(fā)工作模式，其工作過程為:當(dāng)A/D卡被觸發(fā)時，信號被A/D卡采集，經(jīng)過ADC變換被儲存到A/D卡的FIFO內(nèi)存中(每個通道有自己獨(dú)立的一個FIFO內(nèi)存，一次最多可存儲256個位的樣本);當(dāng)FIFO已滿時，就會產(chǎn)生一個中斷;之后FIFO保持不變直到它的值被完全讀取，才能進(jìn)行下一次的觸發(fā)。根據(jù)A/D卡驅(qū)動內(nèi)容編寫A/D卡數(shù)據(jù)讀出的應(yīng)用程序，用15個waveform記錄實(shí)現(xiàn)對15個BPM位置信號的讀出，其記錄掃描方式選為中斷掃描。將應(yīng)用程序下載到目標(biāo)機(jī)運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)問題如下:只能讀取A/D卡1個通道采集到的數(shù)據(jù)，不能實(shí)現(xiàn)多通道讀取。通過跟廠商交流找出原因是由于A/D卡的固件程序中存在bug，返回廠商進(jìn)行修改。修改后發(fā)現(xiàn)問題:讀不到A/D卡所有通道的數(shù)據(jù);VME超級終端一直顯示FIFO已滿。通過閱讀A/D卡驅(qū)動程序找出原因是由于驅(qū)動程序中存在bug，沒有在中斷函數(shù)中使能waveform記錄開始讀取數(shù)據(jù)的標(biāo)志變量。通過修改驅(qū)動程序?qū)⒋藛栴}解決。

(3)制定A/D卡觸發(fā)方案由于采集的信號為窄脈沖信號，實(shí)驗(yàn)中選定同步觸發(fā)方案進(jìn)行A/D卡采集，這樣每次都能將脈寬段信號采集到數(shù)組前端，便于舍去后面的無效點(diǎn)。

輸入同步觸發(fā)信號給A/D卡后，發(fā)現(xiàn)問題如下:實(shí)驗(yàn)中的A/D卡采用的是雙重使能觸發(fā)，先通過軟件啟動硬件，然后通過硬件輸入外觸發(fā)信號啟動采樣。廠商給的A/D卡用戶手冊中沒有寫明此內(nèi)容，導(dǎo)致沒有進(jìn)行軟件使能，輸入外觸發(fā)信號后，A/D卡不工作。通過閱讀驅(qū)動代碼，并與廠商進(jìn)行交流后，編寫了ARM使能程序，并在EPICS終端輸入ARM使能命令，解決此問題。

3.測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中用信號源模擬出一個脈寬為500μs、周期為40ms的窄脈沖信號進(jìn)行測試，并模擬出它的同步信號觸發(fā)A/D卡進(jìn)行采樣。測試得到的數(shù)據(jù)如圖3所示。該信號采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對窄脈沖信號的100kHz同步觸發(fā)采樣(500μs脈寬內(nèi)50個采樣點(diǎn))。對脈寬內(nèi)數(shù)據(jù)求方差值，得到讀出系統(tǒng)分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于BPM全系統(tǒng)分辨的要求，符合設(shè)計要求。

實(shí)驗(yàn)中對A/D卡采集到的束流位置信號進(jìn)行了數(shù)值平均濾波，濾除噪聲影響，具體算法:將脈寬段內(nèi)數(shù)據(jù)去掉一個最大和一個最小值，對剩余數(shù)據(jù)求平均。信號采集系統(tǒng)采集到的X、Y信號是電平信號，單位為V;而束流位置x、y是距離，單位為mm;要將X、Y通過一個轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換成x、y。對于973-RFQ的束流而言，束流在真空管道中的一定范圍內(nèi)，此系數(shù)是一個常數(shù)。實(shí)驗(yàn)中采用100mV=1mm進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這兩部分內(nèi)容通過添加在A/D卡的驅(qū)動程序中來實(shí)現(xiàn)。

該束流位置讀出系統(tǒng)采用了EPICS客戶端軟件EDM(擴(kuò)展顯示管理器)來制作用戶界面。共制作了2種不同的顯示界面來展示束流位置信息，一種是沿時間軸將每個束團(tuán)的位置信號繪制成波形動態(tài)顯示;另一種是在XY平面繪制束團(tuán)的動態(tài)位置。用該束流位置讀出系統(tǒng)對973-RFQ調(diào)試階段的頻率為1Hz、脈寬為50μs的束流位置信號進(jìn)行測量。由現(xiàn)場動態(tài)運(yùn)行結(jié)果看出，973-RFQ中束流位置基本狀態(tài)，波動很小。

ORNL擁有眾多的重要科學(xué)研究設(shè)施，向更高層次發(fā)展，建設(shè)了新的納米材料科學(xué)中心、基因科學(xué)中心、每秒進(jìn)行40*1012次計算的世界上最大的超級計算機(jī)中心等，負(fù)責(zé)由6個美國實(shí)驗(yàn)室共同合作建設(shè)的美國最大的民用科學(xué)研究項(xiàng)目--價值14億美元的散裂中子源，設(shè)有多個核科學(xué)實(shí)驗(yàn)室如高通量同位素反應(yīng)推等，逐漸發(fā)展成為大型綜合性研究基地，對美國的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

ORNL現(xiàn)有雇員4600人，包括科學(xué)家和工程師3000人。ORNL每年接待客座研究人員3000名，為期2周或更長的時間，其中約有25%的客座人員來自工業(yè)部門。每年接待參觀者30000人，另外加上進(jìn)大學(xué)前的10000名學(xué)生。

ORNL每年的經(jīng)費(fèi)超過16.5億美元，其中80%來自能源部，20%來自聯(lián)邦政府和私營部門的客戶。其2003財政年度的經(jīng)費(fèi)首次超過10億美元。田納西大學(xué) - Battelle紀(jì)念研究所已經(jīng)提供數(shù)百萬美元，用于支持大橡樹嶺地區(qū)的數(shù)學(xué)和科學(xué)教育、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和其他項(xiàng)目。

ORNL正計劃投資3億美元，為下一代大科學(xué)研究提供現(xiàn)代化的場所。經(jīng)費(fèi)由聯(lián)邦政府、州政府和私營部門提供，用于建造11個新的裝置，包括功能性基因組中心、納米材料科學(xué)、先進(jìn)材料表征實(shí)驗(yàn)室和計算科學(xué)聯(lián)合研究所。

投資16億美元的散裂中子源SNS是世界上最大的民用科學(xué)項(xiàng)目，ORNL從而成為世界上首屈一指的中子科學(xué)研究中心。