PXI在重離子加速器－冷卻存儲環控制系統的應用

HIRFL-CSR工程
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。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系統平面結構示意圖示于圖1。

圖1  蘭州近代物理所HIRFL-CSR系統平面結構示意圖
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系統的架構圖示于圖2。

圖2  HIRFL-CSR控制系統結構圖

HIRFL-CSR控制系統對數據采集平臺的需求
HIRFL－CSR控制系統
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?？刂葡到y結構圖示于圖3。

     圖3  蘭州HIRFL-CSR控制示意圖
 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。
在圖3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。
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。整個控制系統的拓撲圖示于圖4。

圖4  HIRFL-CSR控制系統拓樸圖
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總線。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。
選用PXI總線做為高速信號數據獲取平臺的原因
PXI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：