【關鍵詞】HIRFL-CSR PXI
　　【內容簡介】本文介紹了近代物理所HIRFL－CSR工程概況和PXI在HIRFL－CSR的應用
　　
　　一、蘭州近代物理所HIRFL-CSR項目背景介紹
　　蘭州近代物理所HIRFL-CSR（重離子加速器－冷卻存儲環）工程是國家九五重點國家重大科學工程。蘭州HIRFL-CSR是一個集加速、累積、冷卻 、儲存、內靶實驗及高分辨測量于一體的多功能實驗裝置。蘭州近代物理所HIRFL-CSR將為二十一世紀一二十年代我國核物理學科在國際前沿領域的激烈競爭中取得一批具有國際先進水平的成果，使我國在國際重離子物理前沿領域繼續占有一席之地提供先進的實驗條件。與此同時，還能促進我國相關高科技產業的發展。例如：作為嚴重威脅人類健康的重大疾病，癌癥及其防治研究關系到人類的生存。近年來，重離子束以其獨特的深度劑量分布和高的相對生物學效應等優勢，使得重離子束治癌成為當今癌癥放射治療領域中最科學、最先進、最有效的方法。重離子束在治療腦瘤等不方便開刀治療的癌癥方面有特別好的療效，在德國已經得到成功臨床應用。
　　蘭州近代物理所HIRFL-CSR包括：主環（CSRm）、實驗環(CSRe)、束運線、放射性束(RIB)分離器、實驗探測裝置。主環周長161米，最高加速能量為900MeV/u(12C6+)和400MeV/u(238U72+)，試驗環周長129米，最大接收能量為600MeV/u (12C6+)和400MeV/u(238U90+)，束線總長473米，磁鐵總重量1451噸，磁鐵電源總功率8234千伏安，建筑面積約17000平方米。蘭州近代物理所HIRFL-CSR具有獨特的雙環結構，以現有的重離子加速器HIRFL作注入器，采用多圈注入、射頻堆積和相空間冷卻(電子冷卻)相結合的方法，在CSRm里，將束流累積到高流強，并將累積的束流能量提高，然后快引出打初級靶產生放射性束或者剝離成高離化態束流，注入到CSRe作內靶實驗和高精度質量測量。
　　

　　目前世界上科技水平最高的HIRFL-CSR系統在德國GSI、法國GANIL和日本RIKEN。一旦蘭州近代物理所HIRFL-CSR系統建成后，綜合技術指標將等于或超過上述三個系統。
　　HIRFL－CSR控制系統包括磁鐵系統、電源系統、高頻系統、注入引出系統、電子冷卻系統、內靶系統、真空系統、束流診斷系統、控制系統和準直與測量系統。HIRFl-CSR系統的架構圖如下：
　　
　　本文主要介紹PXI總線在HIRFL-CSR控制系統中的應用。
　　
　　二、蘭州近代物理所HIRFL-CSR控制系統對數據采集平臺的需求
　　2．1蘭州近代物理所HIRFL－CSR控制系統介紹
　　在蘭州近代物理所HIRFL-CSR控制系統中，科學家們采取了多種創新的系統結構和控制算法。蘭州HIRFL-CSR控制系統是基于WEB的分布式控制系統。系統主要包括前端控制服務器和HIRFL-CSR系統整體控制。系統結構圖如下：
　　
　　前端控制服務器用來提供對受控目標和裝置的完全控制。 它們可以接收命令和數據，運行算法，向設備送出控制信號，返回設備的狀態和數據，提供人機界面等。按照現場要求執行開環或閉環控制。通過HIRFL-CSR的網站服務器和用戶瀏覽器，HIRFL-CSR操作人員能夠通過WEB形式發出指令并接收設備狀態信息。同時，它能夠和運行在intranet上的數據庫自動交換數據。
　　在上圖中，除了前端控制服務器的其余部分為HIRFL-CSR整體控制。HIRFL-CSR的整體控制包括：網絡通訊系統，數據庫系統，集群服務器系統。所有HIRFL-CSR控制和束流診斷所需的數據，都存放在整體控制數據庫中，HIRFL-CSR裝置按照數據庫中的命令和數據操作。這個解決方案控制所有的前端服務器，確保HIRFL-CSR裝置工作良好。它也為HIRFL-CSR各控制部件之間提供高速數據交換。同時為HIRFL-CSR操作人員提供接口和信息。
　　蘭州HIRFL-CSR控制系統需要采集非常之多的I/O點，因此會用到數量非常多的數據采集設備。對于控制系統中的現場的高速信號如：束流診斷、高頻系統中的信號主要用基于PXI數據采集子單元實現。對于加速器控制系統上數量非常多的（數千個點）磁鐵、電源、溫度等慢速信號點，蘭州近代物理所的科學家自己設計了基于RS－485總線數據采集模塊。這些數據采集模塊的核心是一個相當于Intel Pentium CPU級別的嵌入式CPU，運行嵌入式操作系統。這些模塊可以獨立的采集A/D，I/O信號，并具有D/A，I/O控制功能。通過先進的分布式控制算法(神經元算法，模糊控制)，可以讓整個HIRFL-CSR控制系統中的上千個模塊協同工作，保證系統數據獲取的實時性。蘭州近代物理所的科學家設計了485轉以太網的網關模塊。每個網關模模塊最多可以掛接128個485模塊。這樣通過網關模塊可以將現場的所有的485模塊連接到整個HIRFL-CSR控制網。
　　PXI數據采集子單元和基于RS－485的數據采集模塊最后都通過千兆以太網將數據匯集給多個高性能服務器。這些高性能服務器通過通過SCI總線完成高速互聯(5Gbps)，形成服務器集群(cluster)，以滿足大數據量處理和記錄。整個控制系統的大致拓撲圖如下:
　　
　　目前世界上現有加速器控制系統中，對于高速信號的數據獲取，通常選用的硬件平臺為VME（VersaModule-Eurocard）總線，如德國的GSI HIRFL-CSR系統，中國北京的正負電子對撞機等等。VME總線誕生與20世紀80年代，使用歐洲卡（Eurocard）結構和針孔連接器，是一種非?？煽亢统墒斓目偩€，目前還在軍工和電信等要求高可靠性的領域廣泛應用。蘭州近代物理所的科學家在設計HIFRL－CSR控制系統過程中沒有沿襲前人經驗。為了提高HIRFL－CSR系統的總體性能，他們經過反復論證，決定采用PXI總線做為HIRFL－CSR控制系統中高速信號獲取的硬件平臺。這在全世界HIRFL－CSR工程中是首次使用。
　　2．2選用PXI總線做為高速信號數據獲取平臺的原因
　　PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）總線是CompactPCI總線在儀器測量領域的擴展，它繼承了CompactPCI總線穩定性并吸收了VXI總線中的儀器總線優點，非常適合數據采集應用。和VME總線相比，PXI總線具有如下優點：
　　A:PXI總線具有觸發總線和星形觸發總線，可以很容易的實現多路數據獲取的同步觸發。
　　
　　PXI總線系統架構圖
　　如上圖所示，PXI系統具有8條觸發總線，在背板上從系統槽連接到其余的外設槽，為所有插在PXI背板上的儀器模塊提供了一個共享的溝通管道。這個8-bit寬度的總線可以讓多個儀器模塊之間傳送時鐘信號、觸發信號以及特定的傳送協議。這8條觸發總線可以實現非常精準的觸發要求。對于要求更多觸發線和更高觸發精度的應用領域（觸發時間誤差小于1ns），PXI系統還具備星形觸發功能。系統的第2槽做為專門的星形觸發控制器槽位，星形觸發控制器與其他槽位均有專門的觸發線相連，共有13條。這些觸發線在背板布線的時候保證嚴格等長，這樣可以保證槽與槽之家小于1ns的觸發時間誤差。
　　PXI總線的這種特性對于離子束的檢測非常有用。在HIRFL－CSR控制系統中，當一個重離子與其他粒子發生碰撞時，會撞擊出其他粒子。這些粒子的軌跡和能量可以通過光電倍增管傳感器進行捕獲。匯集多個光電倍增管傳感器的數據就可以得到重離子碰撞時的圖像。在這種應用領域，要求對多個光電倍增管傳感器的數據采集是嚴格同步的。通過PXI總線的觸發可以很容易的實現這多塊PXI數據采集卡同時觸發采集。
　　B:PXI總線具有10MHz同步時鐘，可以作為多路數據獲取的同步時鐘。
　　如上圖所示，PXI背板上有一個非常精準的10MHz時鐘（誤差小于<100ppm）。10MHz時鐘源與每個槽位相連，在背板布線上也保證每個槽位距離時鐘源的布線長度嚴格一致。這樣可以實現槽間精準同步。
　　在HIRFL－CSR控制系統中的束流檢測中，要求在進行多路數據獲取時的時鐘節拍一致，不能有相位差。使用PXI總線上的10MHz同步時鐘可以做為多塊PXI數據采集卡的同步時鐘節拍。
　　C:PXI總線的帶寬為133MB/s～512MB/s，遠遠大于VME總線的40MB/s帶寬。
　　在HIRFL－CSR控制系統中，每個數據采集子單元要同時對多路信號進行長時間高速采集。由于數據采集卡的板載緩存通常較小，要實現長時間數據采集必須要求系統總線帶寬足夠大。這樣才能保證數據的實時傳送。PXI總線基于PCI總線，總線帶寬為133MB/s～512MB，數倍于VME總線。這樣如果數據采集子單元選用PXI總線，在同等采樣速率和采樣深度情況下，可以連接更多的傳感器。這樣提高了系統密度，節省了硬件投資，增強了整個控制系統的性能。
　　D:PXI總線數據采集產品種類多，產品性價比高。
　　PXI總線自1997年誕生以來，由于其具備性能先進性、開放性和低成本，越來越多的廠家宣布支持PXI總線。目前全世界已經有百余家PXI設備生產廠家提供上千種PXI數據采集產品。這樣用戶可以自由的選擇組合自己的PXI數據采集系統。PXI的硬件和軟件基于開發架構，因此和VME相應產品對比，用戶的軟硬件投資大大降低。
　　2．3近代物理所HIRFL－CSR對PXI硬件產品的需求
　　在蘭州近代物理所HIRFL－CSR控制系統中，大量PXI數據采集子單元通過網絡構成一個大的數據獲取集群，完成對整個HIRFL-CSR的的數據獲取。為了滿足系統設計要求，對于PXI硬件平臺，HIRFL－CSR控制系統的設計者要求滿足如下要求：
　　A:Pentium 4 以上的CPU處理能力，CPU功耗低，無風扇設計。
　　每個PXI數據獲取子單元需要進行高速數據采集與初步處理，并將數據通過網絡發送給後端服務器。這樣要求對于PXI每個數據獲取子單元具有很強的數據處理能力。CPU風扇是系統長期運行的不穩定因素，通常而言在惡劣環境下系統死機的原因大部分是由于CPU風扇停轉導致。為了保證每個數據獲取子單元長期可靠運行，要求控制器的CPU功耗低，僅靠散熱片（heat－sink）就能滿足系統散熱要求。
　　B :控制器具有千兆網。
　　為了保證數據傳輸的實時性，按照HIRFL－CSR控制系統的設計要求，PXI控制器必須具有千兆以太網口。每個數據獲取子單元通過千兆網與後端服務器相連，傳遞數據或響應指令。
　　C :各種規格的數據采集卡，支持Windows和Linux。
　　在蘭州近代物理所HIRFL-CSR中需要用到大量的數據采集卡。這些數據采集卡包括同步A/D采集卡，高速多路A/D采集卡，高速高分辯率數字化儀，任意波形發生器，DIO卡等。采樣速率從100K～1GHz，分辯率從8bit～24bit。此外在采集卡軟件驅動支持方面，由于在高能物理應用領域，很多科學應用軟件基于Unix/Linux，因此要求數據采集卡支持Linux。
　　三、蘭州近代物理所HIRFL-CSR使用的凌華科技PXI硬件平臺
　　3．1蘭州HIRFL-CSR控制系統中使用的凌華科技的PXI產品
　　考慮到系統造價的因素，通常一個HIRFL－CSR工程先進行土木建設和配套設備的建設。HIRFL－CSR控制系統通常在最后才實施。在蘭州近代物理所HIRFL－CSR控制系統的前期設計驗證過程中，負責HIRFL－CSR設計的小組考查了多個數據采集產品提供廠家的產品。最后凌華科技數據采集產品品質和技術支持服務得到了蘭州近代物理所的認可，在蘭州近代物理所HIRFL－CSR工程中使用的PXI產品中，凌華科技的PXI產品占了很大份額。下面是蘭州近代物理所使用的部分凌華科技提供的PXI產品。
　　機箱：
　　PXIS-2630：4U 高度，3U PXI 8槽PXI機箱，280W ATX電源，具備機箱報警功能。
　　PXIS-2556:4U 高度，3U 5槽PXI機箱，帶6。4LCD，支持觸摸屏。
　　PXIS-2700:4U 高度，3U 18槽PXI機箱，帶冗余300W冗余電源。
　　控制器：
　　PXI-3800：Pentium M 1.6G PXI控制器，512M RAM ，支持Pentium M2處理器
　　PXI/PCI-8570: PXI MXI－3控制器，可以用普通PC控制PXI系統。
　　數據采集卡：
　　PXI－2010：4CH 2MS/s 14bit 同步數據采集卡
　　PXI－2005：4CH 500KS/s 16bit同步采集卡
　　PXI－2204：64CH 3MS/s 12bit 多功能數據采集卡
　　PXI－2208：96CH 3MS/s 12bit 數據采集卡
　　PXI－9820：2CH 65MS/s 14bit 數字化儀
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　　3.2 蘭州近代物理所選擇凌華PXI產品的原因
　　A:凌華科技能夠提供較完備的PXI全系列產品。
　　凌華科技是世界上少數幾家能夠提供PXI控制器、機箱、采集卡的數據采集廠家之一。這樣能夠減少用戶的系統集成時間。
　　B:凌華科技能夠提供完備的數據采集卡的Linux驅動
　　凌華科技是世界上少數幾家能夠提供完備的Linux驅動的廠家之一。凌華科技的Linux驅動能夠實現全部Windows驅動的功能。用戶只需要花很少的時間就能進行Windows到Linux的程序移植。另外凌華科技的Linux驅動支持SMP內核，這樣可以充分發揮多CPU處理能力強的特點。
　　C:PXI-3800 PentiumM 控制器和PCI/PXI－8570 MXI－3控制器
　　PXI－3800是世界上第一款Pentium M PXI控制器。Pentium M處理具有1MB L2 cache和低功耗特點。1.6 G Pentium M處理器的運算能力相當與Pentium 4 2.8G～3G。PXI－3800還支持Intel Pentium M2 （Dothan）處理器，Intel Pentium M2處理器具有2MB L2 cache，具有更強的處理能力。PCI/PXI-8570 是一款MXI－3控制器，和其他廠家的MXI－3控制器不同之處：PCI/PXI-8570支持64bit/66MHz PCI總線并可以同時控制2個PXI機箱。這樣用戶可以用一臺具有多CPU的服務器同時控制2個18槽PXI機箱，可以實現512MB/s的PXI總線統帶寬，這樣可以讓單個數據獲取子單元插入更多的采集卡而不至于降低系統性能。
　　D:及時的技術支持
　　蘭州近代物理所HIRFL-CSR控制器的設計者為了提高數據采集的實時性，需要采取某些特殊的驅動調用方式。這樣設計者需要了解數據采集卡的底層信息，凌華科技及時的提供了相關信息和幫助，協助近代物理所完成了所需功能的實現。
　　E:高性能的數據采集產品
　　凌華科技能夠提供多種高性能的數據采集卡。如世界上最高密度――96CH 3MS/s 12bit PXI采集卡PXI－2208；具有512MB存儲深度最高采樣速率可達130MS/s 14bit數字化儀PXI－9820等。另外凌華的PXI數據采集支持無限次外部re－trig功能，這樣可以實現長時間高頻率的外部觸發，非常適合離子束數據采集。
　　F:PXI產品的高性價比
　　以往PXI產品通常給人以價格高高在上的感覺。凌華科技的PXI產品相比較國外同類產品，價格非常和藹可親。提供用戶用得起的高技術一直以來是凌華科技的宗旨。
　　四、PXI平臺在蘭州HIRFL-CSR應用的效果
　　蘭州HIRFL-CSR控制系統2004年初開始進行調試，現在已經完成主環的建設。預計整個工程2005年能夠全部完成。在蘭州HIRFL－CSR的建設過程中，國內外物理學家多次來蘭州近代物理所進行參觀，他們對蘭州HIRFL－CSR控制系統中使用的創新性的硬件控制結構和控制策略非常贊賞。國內外物理學家一致認為蘭州HIRFL－CSR的總體技術水平處于世界領先水平。蘭州近代物理所HIRFL－CSR控制系統中使用了大量PXI總線數據采集產品，在系統調試過程中，基于PXI總線的數據采集產品的性能指標遠遠超過原有VME總線產品。蘭州近代物理所的科學家們一致認為PXI總線非常適合HIRFL－CSR控制系統中的數據采集應用，在未來高端數據采集領域，PXI總線必將占據主導作用。