劉占軍 徐慧超 龔培榮

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 張江園區(qū) 上海 201204）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)是一臺(tái)高性能第三代中能同步輻射光源，具有輸出 X光的穩(wěn)定性高、相干性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。其X光束位置信息的精準(zhǔn)測(cè)量，是同步輻射裝置向廣大用戶提供可穩(wěn)定使用光束的必不可少的條件之一，而影響X光位置測(cè)量精度的因素很多，其中電子學(xué)讀出設(shè)備就是其主要因素之一。為此，上海光源選用了新一代數(shù)字信號(hào)處理器 Libera Photon作為構(gòu)建X光束位置測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)新的光束線站和改造原有的光束線站的相關(guān)設(shè)備。這是一款高性能的專為同步輻射X射線位置探測(cè)器(X-ray Beam Position Monitor, XBPM)探測(cè)器設(shè)計(jì)制造的電子學(xué)儀器，由 Instrumentation Technologies公司制造，其軟件架構(gòu)基于目前國際上廣泛采用的實(shí)驗(yàn)物理及工業(yè)控制系統(tǒng) EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)[2]構(gòu)建，其X光束位置測(cè)量的分辨率最高可達(dá)0.01 μm，能實(shí)現(xiàn)高精度和快速測(cè)量的目標(biāo)。

1 XBPM系統(tǒng)簡介

上海光源束線前端區(qū) XBPM 探測(cè)器是一種刀片式X光位置探測(cè)設(shè)備，可以工作在較大功率密度和高熱負(fù)荷的環(huán)境中，能精確測(cè)量出光束的中心位置，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要由四部分組成：4個(gè)刀片電極的探頭、精密移動(dòng)的二維滑臺(tái)、高精度分辨的電流電壓轉(zhuǎn)換器和高分辨率的數(shù)字信號(hào)處理器。其中，前兩者位于隧道內(nèi)，通過4個(gè)電極被X光照射后產(chǎn)生的電流大小來計(jì)算X光的中心位置，滑臺(tái)主要用于探測(cè)器的標(biāo)定；后兩者為探測(cè)器的信號(hào)讀出設(shè)備，分別用于測(cè)量電流的放大和數(shù)值化，以便于計(jì)算處理和輸出顯示。

圖1 上海光源前端XBPM結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Framework of XBPM in SSRF.

上海光源一期建成之時(shí)，由于多種原因使得前端區(qū)XBPM的使用滿足不了線站的要求，為此，我們開始了該探測(cè)器的升級(jí)改造，首先就是其電子學(xué)讀出設(shè)備的性能提高。原有的電子學(xué)讀出設(shè)備是NIM插件式的I/V轉(zhuǎn)換器加MOXA公司的16位ADC模塊E2240，這種組合方式的測(cè)量分辨率不高，且數(shù)據(jù)的采樣率不大于10 Hz，限制了被測(cè)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間，給使用帶來不便；同時(shí)還需改進(jìn)XBPM的其他部分，以便能更好地滿足使用者的要求。

2 XBPM的讀出過程

根據(jù)光束位置測(cè)量和數(shù)據(jù)獲取方法，前端區(qū)XBPM探測(cè)器測(cè)量數(shù)據(jù)讀出流程框圖由操作員接口(Operator Interface, OPI)、輸入輸出控制(Input/output Controller, IOC)和底層設(shè)備(Device)三部分組成，如圖2所示。

圖2 XBPM系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀出流程示意圖Fig.2 Data flow chart of XBPM system.

操作員界面OPI位于系統(tǒng)頂層，通過圖形化的人機(jī)交互界面，完成機(jī)器參數(shù)的設(shè)置/回讀、報(bào)警處理、操作記錄、數(shù)據(jù)存檔和訪問控制等基本功能。IOC是控制系統(tǒng)的核心，通過現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)（基于TCP/IP協(xié)議）完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集/存儲(chǔ)、控制量的設(shè)置/調(diào)節(jié)，控制算法與控制邏輯也在IOC中實(shí)現(xiàn)。此外，IOC還需響應(yīng)來自O(shè)PI或其它IOC的數(shù)據(jù)請(qǐng)求、處理來自設(shè)備控制層的外部事件等。底層設(shè)備完成束流信號(hào)的獲取和信號(hào)處理，主要由X光束位置測(cè)量探頭及數(shù)字信號(hào)處理器(如Libera Photon)等組成。

XBPM 探測(cè)電極輸出的是電流信號(hào)，需要 I/V轉(zhuǎn)換器將光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(Analog to digital converter, ADC)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)一步處理，提供給IOC分析，并采用如下的計(jì)算公式給出光束中心位置的測(cè)量結(jié)果[3]。光束位置計(jì)算公式為：

式中，Ia、Ib、Ic、Id分別對(duì)應(yīng) 4個(gè)刀片電極的探測(cè)電流；SUM=Ia+Ib+Ic+Id；K1、K2為校正系數(shù)。

為了更準(zhǔn)確地讀出X光的中心位置，還必須考慮雜散光等的影響，這都可以通過IOC編程，在計(jì)算方法上加以改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)。

3 Libera Photon的數(shù)據(jù)通道和功能

在所有被調(diào)研的、提供弱電流信號(hào)處理的設(shè)備中，Libera Photon是一款專用儀器，包含了XBPM信號(hào)處理所需的各種功能模塊，包括一塊模擬信號(hào)處理子板與一塊包含數(shù)字信號(hào)處理FPGA和單板計(jì)算機(jī)的基板，擁有4路高性能的模擬輸入通道和24位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以及其他特定功能的輸入輸出信號(hào)接口。在其輸出信號(hào)中，有多達(dá)6種不同類型的數(shù)據(jù)通道提供給使用者調(diào)用，可以滿足各種不同用途的需求，使用十分方便。所有信道的數(shù)據(jù)均來自Libera中ADCs輸出的原始數(shù)據(jù)。ADC的采樣時(shí)鐘由板上內(nèi)置的壓控晶體振蕩器(Voltage controlled crystal oscillator, VCCO)提供，最高采樣頻率為300 kHz[4]。

在圖3所示的數(shù)字信號(hào)通道中，E和F信道是2種非常有用的信號(hào)。采樣濾波器對(duì)ADCs原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降頻濾波處理，將其數(shù)據(jù)率降至10 kHz，即得到E信道數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)處理在FPGA中完成。E信號(hào)包含4個(gè)傳感器電流對(duì)應(yīng)的數(shù)值Ia、Ib、Ic、Id，以及計(jì)算得到的光束中心位置X、Y值，6個(gè)數(shù)據(jù)一起打包發(fā)送，用戶可以通過光纖接口訪問該數(shù)據(jù)包，但不能單獨(dú)獲得其任一項(xiàng)數(shù)據(jù)（如不能僅獲取Ia）。將E信道數(shù)據(jù)通過另一個(gè)采樣濾波器進(jìn)一步降頻濾波處理，將數(shù)據(jù)率再降至10 Hz，即得到F信道數(shù)據(jù)，它包含4個(gè)傳感器電流對(duì)應(yīng)的數(shù)值Ia、Ib、Ic、Id，以及計(jì)算得到的光束中心位置X、Y值。該數(shù)據(jù)通過控制接口獲取，6個(gè)數(shù)值均可單獨(dú)獲取。

圖3 Libera Photon的數(shù)字信號(hào)通道Fig.3 Parallel signal processing paths of Libera Photon.

數(shù)字信號(hào)處理由Libera Photon的FPGA芯片(Virtex II PRO)和固化在Flash中的算法構(gòu)成，主要采用了快反饋數(shù)據(jù)低通濾波器和靜態(tài)數(shù)據(jù)低通濾波器等模塊。單板計(jì)算機(jī)安裝了嵌入式Linux操作系統(tǒng)，主要完成如下功能：

(1) 為FPGA芯片提供啟動(dòng)時(shí)的配置信息；

(2) 運(yùn)行Libera Photon自身監(jiān)控、分析程序；

(3) 通過網(wǎng)絡(luò)接口與上層控制系統(tǒng)通信。

Libera Photon的一個(gè)突出特點(diǎn)是高度可定制化，容易集成到多種控制系統(tǒng)和上層應(yīng)用軟件之中，這都是由其軟件結(jié)構(gòu)(圖4)決定的。這里設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通用的面向Libera設(shè)備和數(shù)據(jù)采集的控制系統(tǒng)編程接口層(Control System Programming Interface,CSPI)，它提供了一系列類 C的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集API函數(shù)接口供開發(fā)人員調(diào)用，從而隱藏了底層硬件和驅(qū)動(dòng)的細(xì)節(jié)，使得底層軟硬件升級(jí)或改動(dòng)不會(huì)影響到上層的應(yīng)用程序和控制系統(tǒng)[5]。

圖4 Libera Photon的軟件結(jié)構(gòu)Fig.4 Software structure of Libera Photon.

4 XBPM采集程序的變更

選擇了Libera Photon后，其原有的采集程序也需要重新編寫。由于 EPICS系統(tǒng)的軟件包括 OPI和IOC，以及在兩者之間提供了通道訪問的數(shù)據(jù)交換模塊，且EPICS采用分層式結(jié)構(gòu)，每一層都相對(duì)獨(dú)立，只需要知道通道名就可以訪問。EPICS控制系統(tǒng)中，IOC中每條記錄值可來自硬件設(shè)備輸出、操作員命令或其它記錄輸出，如全部來自操作員命令或其它記錄，則為Soft IOC[6]。Soft IOC具有很強(qiáng)的移植性，可以非常靈活地實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用，它完全脫離了底層硬件的細(xì)節(jié)，能運(yùn)行在局域網(wǎng)內(nèi)的任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)之中，甚至可臨時(shí)在OPI上啟動(dòng)來實(shí)現(xiàn)其功能。因此，采集程序的變更可以如下進(jìn)行。

數(shù)據(jù)獲取流程：Soft IOC從Libera Photon獲取數(shù)據(jù)，OPI端應(yīng)用從Soft IOC獲取數(shù)據(jù)。Soft IOC通過調(diào)用Libera Photon CSPI 的API函數(shù)接口獲取需要的數(shù)據(jù)。

如獲取F信道Ia的控制程序如下：

光束的中心位置X、Y值可以直接通過CSPI 的API函數(shù)接口調(diào)用，也可以在Soft IOC中調(diào)用Ia、Ib、Ic、Id值后計(jì)算得出，這樣可以結(jié)合具體運(yùn)行環(huán)境實(shí)現(xiàn)采樣后的標(biāo)定或加入特殊的算法等，來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償或矯正，上海光源束線前端區(qū)XBPM給出的光斑位置顯示的控制程序如下：

5 Libera Photon的信道數(shù)據(jù)分析

E信道數(shù)據(jù)采樣率為F信道數(shù)據(jù)采樣率的1 000倍，E信道對(duì)信號(hào)波動(dòng)的捕獲能力遠(yuǎn)優(yōu)于F信道，從兩信道對(duì)輸入正弦波信號(hào)的采集結(jié)果就能很清楚地看出其差異。圖5是輸入信號(hào)頻率為 0.5 Hz和5Hz時(shí)F信道采集數(shù)據(jù)的波形重現(xiàn)結(jié)果（輸入電壓幅值為3.2 V）。由圖5，0.5 Hz以下輸入信號(hào)重現(xiàn)的不失真度為 1，這意味著該信道能直接準(zhǔn)確反映2s以上慢變化的信號(hào)輸入情況；由于該信道的數(shù)據(jù)采樣率只有10 Hz，因此5 Hz的輸入正弦波信號(hào)的波形不能直接簡單的重現(xiàn)，需經(jīng)過信號(hào)的處理才能重現(xiàn)。

圖5 F信道數(shù)據(jù)波形重現(xiàn) (a) 輸入信號(hào)頻率0.5 Hz，(b) 輸入信號(hào)頻率5 HzFig.5 F channel data waveform. (a) Input signal frequency is 0.5 Hz, (b) Input signal frequency is 5 Hz

E信道在輸入信號(hào)頻率500 Hz時(shí)的采集數(shù)據(jù)的波形重現(xiàn)情況如圖6所示。其輸入信號(hào)重現(xiàn)的不失真度大于 0.99，也就是說該信道能較準(zhǔn)確地反映2ms以上變化的信號(hào)輸入情況。一般情況下，光斑位置的毫秒量級(jí)變化對(duì)光斑的穩(wěn)定性影響就可以忽略，也就是說E信道的10 kHz的采樣率若用作光斑穩(wěn)定反饋控制回路中采樣輸出信號(hào)是足夠的，即E信道將能反映光斑位置的快速變化情況。

F信道雖然數(shù)據(jù)采樣率相對(duì)較低，但可以提供單獨(dú)采集的4個(gè)傳感器電流對(duì)應(yīng)的數(shù)值Ia、Ib、Ic、Id，這給其增加不少的用途，如用作光斑位置的長期穩(wěn)定性的監(jiān)控，也能對(duì)4個(gè)電流做加權(quán)計(jì)算以滿足不同的測(cè)量條件等。如圖7所示的運(yùn)行數(shù)據(jù)截圖，就是在儲(chǔ)存環(huán)電子束流強(qiáng)(Current)和插入件磁隙值(Gap)不變的情況下，上海光源BL17U線站記錄得到的前端區(qū)X光水平方向位置（XBPMX有一個(gè)上跳變）隨電子軌道水平方向位置（EBPMX有一個(gè)對(duì)應(yīng)的下跳變）的變化而引起的變化情況。通過 F信道記錄的數(shù)據(jù)，能準(zhǔn)確反映電子軌道變化引起的光斑位置的變化，這進(jìn)一步證明了Libera Photon是能滿足上海光源前端區(qū) XBPM 探測(cè)器測(cè)量信號(hào)的讀出要求。

圖7 F信道記錄數(shù)據(jù)的應(yīng)用舉例(XBPM X)Fig.7 F channel data application example (XBPM X).

6 結(jié)語

上海光源光束線站設(shè)計(jì)了基于新一代數(shù)字信號(hào)處理器Libera Photon的X光位置測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了X光束位置的高精度和快速測(cè)量的目標(biāo)，其前端區(qū)X光位置測(cè)量精度達(dá)到了垂直方向1 mm、水平方向2 mm（可參見其內(nèi)部測(cè)試報(bào)告，測(cè)量結(jié)果的文章待發(fā)表）還能提供用于X光輸出穩(wěn)定的反饋控制信號(hào)做軌道校正。下一步計(jì)劃對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的分析，以求降低相關(guān)因素（如插入件Gap的變化）對(duì)測(cè)量精度的影響等，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的測(cè)量。除此之外，Libera Photon應(yīng)該還能用于上海光源的絲掃描探測(cè)器的信號(hào)讀出，以改善該類探測(cè)器的測(cè)量精度。

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