束流收集器的束流位置读出收集系统
概述
束流位置信息是控制束流轨道的必要参数，它对环的闭轨校正等物理过程具有重要作用。中科院高能所为研究强流束的束流损失问题，在“973计划”支持下建立了973－RFQ束流测量线整个束流测量线共有6个BPM。为了控制束流轨道，实时监测束流位置状态，需要对此6个BPM制作一套束流位置读出系统，将束流位置信息实时显示。制作完成的系统将移植到中国散裂中子源(CSNS)的束流位置测量系统中。
公司的对数比处理模块，输出束流水平、垂直方向的位置信号X、Y各6路，和信号的对数和(SUM)共3路，因此制作的束流位置读出系统需要读出此15路信号。X、Y和SUM信号都是脉宽为50～1200μs，重复频率为1～125Hz，幅值动态范围为±2V的脉冲信号。
BPM信号收集系统
1.系统布局
该系统用来采集X、Y、SUM信号到软件数据库中。CSNS工程的控制系统是基于EPICS(ExperimentalPhysicsandIndustrialControlSys-tem，实验物理和工业控制系统)的，所以973－RFQ的BPM信号采集系统也采用EPICS作为软件平台，便于移植。EPICS是用来开发基于网络的分布式控制系统的一组软件工具，它的基本组成部分为OPI(操作员接口)层———采用UNIX、Linux等操作系统的工作站，运行各种EPICS工具;IOC(输入输出控制器)层———一般采用VME/VXI系统，包括机箱、处理器和各种I/O插件;网络通讯模块层(通道访问CA)———为IOCs和OPIs提供基于TCP/IP协议的CA访问通信，它提供CAClient和任意数目的CAServ-er之间的透明通信。
OPI采用了BEPCII工程的bepc21工作站，在Solaris操作系统下已安装EPICS3．13．8开发环境，已有MEDM/EDM/StripTool(显示界面绘制工具)、ChannelArchiver(历史数据存档工具)等丰富的OPI工具。IOC层选用了VME系统，由VME64x机箱，Motorola公司的MVME5100机箱控制器，Hytec公司的A/D卡、载板、信号转接板组成。实验中采用PC机来远程访问EPICS服务器和终端调试IOC。
2.硬件性能
选定各硬件产品的性能指标如下:MVME5100———主频450MHz;内存512MB;运行VxWorks5．4操作系统。A/D卡———型号为Hytec公司的ADC8411U;采样频率1Hz～100kHz可选，实验中选定100kHz;通道数16;分辨率16位;量程±5V;采样时间2μs，转换时间8μs;IP(In-dustrialPackage)结构，需配合VME总线的载板使用。载板———型号为Hytec公司的VCB8002;VME64x标准;支持IP接口，可以同时搭载4块IP板;需配合信号后转接板使用。信号后转接板———型号为Hytec公司的VTB8307;VME64x标准;有4个SCSI50路接口。信号连接线———DB15转SCSI，一端是6个DB15口，一端是1个SCSI口。0.3IOC数据库开发IOC层是EPICS控制系统中最重要的部分，其结构如图2所示。其中，IOC数据库是IOC层的核心，它的基本单位是记录(Record)，每个数据通道对应一个记录，这样一个个的记录就构成了模块化的IOC动态数据库。在EPICS环境下，一个I/O设备的IOC实例开发包括两部分内容:主机上IOC数据库开发及交叉编译和IOC数据库下载到目标机运行。而IOC数据库开发又包括Record(用户应用程序)、RecordSupport、DeviceSupport以及DeviceDriver的开发。
本系统的A/D卡和载板的RecordSup-port、DeviceSupport以及DeviceDriver都由生产厂家提供。实验中结合实际采集需求，在应用环境下对它们进行了删减、编译、调试，发现了A/D卡用户手册中2个缺少的内容和A/D卡驱动程序中2个bug，进行了修正及完善。整个IOC数据库开发过程包括以下内容:
(1)运行A/D卡和载板驱动于应用环境下通过建立应用目录，修改Makefiles文件内容，使用gmake命令编译，并下载应用到目标机，使A/D卡和载板的驱动程序能在实际应用环境下运行。调试中发现问题如下:AD卡对MVME5100来说有一个内存偏移量，在设置载板的下载参数时应将此参数设置上，否则MVME5100将读不到A/D卡。A/D卡手册上没有写明此内容，给的驱动程序中也没有定义此参数。后经过跟厂商交流解决此问题，MVME5100读到A/D卡。
(2)选定A/D卡工作模式并编写应用程序选定的A/D卡有2种工作模式:寄存器模式，触发模式。根据BPM位置信息是脉冲信号特点，选定触发工作模式，其工作过程为:当A/D卡被触发时，信号被A/D卡采集，经过ADC变换被储存到A/D卡的FIFO内存中(每个通道有自己独立的一个FIFO内存，一次最多可存储256个位的样本);当FIFO已满时，就会产生一个中断;之后FIFO保持不变直到它的值被完全读取，才能进行下一次的触发。根据A/D卡驱动内容编写A/D卡数据读出的应用程序，用15个waveform记录实现对15个BPM位置信号的读出，其记录扫描方式选为中断扫描。将应用程序下载到目标机运行，发现问题如下:只能读取A/D卡1个通道采集到的数据，不能实现多通道读取。通过跟厂商交流找出原因是由于A/D卡的固件程序中存在bug，返回厂商进行修改。修改后发现问题:读不到A/D卡所有通道的数据;VME超级终端一直显示FIFO已满。通过阅读A/D卡驱动程序找出原因是由于驱动程序中存在bug，没有在中断函数中使能waveform记录开始读取数据的标志变量。通过修改驱动程序将此问题解决。
(3)制定A/D卡触发方案由于采集的信号为窄脉冲信号，实验中选定同步触发方案进行A/D卡采集，这样每次都能将脉宽段信号采集到数组前端，便于舍去后面的无效点。
输入同步触发信号给A/D卡后，发现问题如下:实验中的A/D卡采用的是双重使能触发，先通过软件启动硬件，然后通过硬件输入外触发信号启动采样。厂商给的A/D卡用户手册中没有写明此内容，导致没有进行软件使能，输入外触发信号后，A/D卡不工作。通过阅读驱动代码，并与厂商进行交流后，编写了ARM使能程序，并在EPICS终端输入ARM使能命令，解决此问题。
3.测试结果
实验中用信号源模拟出一个脉宽为500μs、周期为40ms的窄脉冲信号进行测试，并模拟出它的同步信号触发A/D卡进行采样。测试得到的数据如图3所示。该信号采集系统实现了对窄脉冲信号的100kHz同步触发采样(500μs脉宽内50个采样点)。对脉宽内数据求方差值，得到读出系统分辨率远远好于BPM全系统分辨的要求，符合设计要求。
信号处理
实验中对A/D卡采集到的束流位置信号进行了数值平均滤波，滤除噪声影响，具体算法:将脉宽段内数据去掉一个最大和一个最小值，对剩余数据求平均。信号采集系统采集到的X、Y信号是电平信号，单位为V;而束流位置x、y是距离，单位为mm;要将X、Y通过一个转换系数转换成x、y。对于973－RFQ的束流而言，束流在真空管道中的一定范围内，此系数是一个常数。实验中采用100mV=1mm进行转换。这两部分内容通过添加在A/D卡的驱动程序中来实现。
束流位置显示
该束流位置读出系统采用了EPICS客户端软件EDM(扩展显示管理器)来制作用户界面。共制作了2种不同的显示界面来展示束流位置信息，一种是沿时间轴将每个束团的位置信号绘制成波形动态显示;另一种是在XY平面绘制束团的动态位置。用该束流位置读出系统对973－RFQ调试阶段的频率为1Hz、脉宽为50μs的束流位置信号进行测量。由现场动态运行结果看出，973－RFQ中束流位置基本状态，波动很小。 [3]
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