翟港佳 孫曉康 宣 科 陳留國 李 川 劉功發(fā)

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室 合肥 230029）

合肥先進(jìn)光源（Hefei Advanced Light Facility，HALF）是由國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室（National Synchrotron Radiation Laboratory，NSRL）提出的第四代衍射極限同步輻射光源。HALF主要包括注入器、儲(chǔ)存環(huán)和光束線等部分。如圖1所示，注入器的滿能量為2.2 GeV，儲(chǔ)存環(huán)的周長為480 m，儲(chǔ)存環(huán)的電子束能量為2.2 GeV［1?3］。

圖1 HALF裝置的布局圖Fig.1 Layout of HALF

定時(shí)系統(tǒng)的主要功能是向裝置中的多種被控設(shè)備提供具有特定時(shí)序關(guān)系的觸發(fā)信號，使它們協(xié)調(diào)一致地工作，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存環(huán)的任意束團(tuán)填充。定時(shí)系統(tǒng)觸發(fā)的設(shè)備包括：注入器的電子槍、微波系統(tǒng)和束流測量系統(tǒng)，儲(chǔ)存環(huán)的注入系統(tǒng)、高頻系統(tǒng)，光束線站。圖2為各子系統(tǒng)收到定時(shí)系統(tǒng)觸發(fā)后實(shí)際工作順序示意圖，由于各子系統(tǒng)工作原理不同，收到定時(shí)系統(tǒng)的觸發(fā)信號的時(shí)間與該系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)間的延時(shí)不同，定時(shí)系統(tǒng)可以通過改變觸發(fā)時(shí)間來保證各子系統(tǒng)按照設(shè)定時(shí)間工作。在束團(tuán)的填充過程中，要求較高的觸發(fā)信號的穩(wěn)定性，以滿足各子系統(tǒng)正常工作的需求，據(jù)此提出觸發(fā)信號抖動(dòng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要小于30 ps。為了保證定時(shí)系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定地運(yùn)行，要降低因光纖長度變化導(dǎo)致的觸發(fā)信號漂移。表1列出了HALF定時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表1 HALF定時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 1 Design specifications of HALF timing system

圖2 各子系統(tǒng)收到定時(shí)系統(tǒng)觸發(fā)后實(shí)際工作順序示意圖（橫軸僅代表時(shí)間先后順序）Fig.2 Schematic diagram of the actual working sequence of each subsystem after receiving the trigger from the timing system(the horizontal axis only represents the chronological order)

表2列舉了近期建成或者正在建設(shè)的大型粒子加速器裝置定時(shí)系統(tǒng)的技術(shù)路線［4?10］，包括第四代同步輻射光源和自由電子激光裝置。由表2可知，目前應(yīng)用的定時(shí)技術(shù)主要有2種：事件定時(shí)技術(shù)（Event Timing）和白兔定時(shí)技術(shù)（White Rabbit，WR），兩者均可以滿足第四代同步輻射光源和自由電子激光裝置的定時(shí)需求。事件定時(shí)技術(shù)相對于WR發(fā)展得更早也更成熟，所以在大型粒子加速器裝置中的應(yīng)用更廣泛。

表2 第四代同步輻射光源和自由電子激光裝置定時(shí)系統(tǒng)Table 2 The timing system of some accelerator facilities

為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存環(huán)的束團(tuán)注入，定時(shí)系統(tǒng)需要傳輸高頻系統(tǒng)的時(shí)鐘信號。事件定時(shí)技術(shù)通過可調(diào)節(jié)的事件流傳輸頻率，可以直接傳輸滿足HALF設(shè)計(jì)需求的特定高頻頻率［11］。而WR采用固定的125 MHz基準(zhǔn)時(shí)鐘，當(dāng)傳輸特定頻率的高頻信號時(shí)還需要基于RF over Ethernet（RFoE）模塊做進(jìn)一步的分布式DDS（Direct Digital Synthesis）功能模塊開發(fā)［6］?？紤]到HALF的建設(shè)工期較緊，HALF定時(shí)系統(tǒng)采用事件定時(shí)技術(shù)方案。在分布式觸發(fā)設(shè)備的基礎(chǔ)上，為注入器的電子槍、微波系統(tǒng)，儲(chǔ)存環(huán)的高頻系統(tǒng)選擇合適的工作頻率，滿足各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的定時(shí)需求，以實(shí)現(xiàn)不同的束團(tuán)填充模式。HALF控制系統(tǒng)是基于實(shí)驗(yàn)物理和工業(yè)控制系統(tǒng)（Experimental Physics and Industrial Control System，

EPICS）的分布式系統(tǒng)，因此基于EPICS架構(gòu)開發(fā)了定時(shí)系統(tǒng)軟件，包括驅(qū)動(dòng)程序、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和操作界面。本文詳細(xì)描述了系統(tǒng)開發(fā)過程，在原型系統(tǒng)上驗(yàn)證了系統(tǒng)的觸發(fā)功能，并測試了系統(tǒng)的主要指標(biāo)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件選型

HALF的定時(shí)系統(tǒng)是基于Micro-Research Finland（MRF）Oy的MTCA.4（Micro Telecommunications Computing Architecture）總線定時(shí)板卡進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。MTCA.4是由PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturers Group）創(chuàng)建的開放的嵌入式計(jì)算規(guī)范，通過標(biāo)準(zhǔn)高級夾層卡（Advanced Mezzanine Card，AMC）實(shí)現(xiàn)信息處理和I/O功 能。MTCA.4使 用 后 轉(zhuǎn) 換 模 塊（Rear Transition Module，RTM）擴(kuò)展AMC的PCB（Printed Circuit Board）空間，提高了定時(shí)板卡的靈活性和擴(kuò)展性［12］。MTCA.4總線定時(shí)板卡的事件時(shí)鐘最高為166.6 MHz，傳 輸 速 率 為3.33 Gbps［11］，可 以 滿 足HALF定時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

一般來說，事件定時(shí)系統(tǒng)由事件生成器（Event Generator，EVG）、扇出層（Fan-Out）和事件接收器（Event Receiver，EVR）組成。在MTCA.4總線的板卡中，EVG和Fan-Out已集成到一個(gè)單獨(dú)的產(chǎn)品，即事件主機(jī)（Event Master，EVM）中。圖3為定時(shí)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，EVM可以響應(yīng)多個(gè)事件源的觸發(fā)，生成不同的事件碼。EVM對事件碼和分布式總線信號進(jìn)行編碼形成事件流（Event Stream）［13］，通過光纖將事件流發(fā)送至EVR。EVR對事件流解碼，將其轉(zhuǎn)換成脈沖輸出信號，以觸發(fā)相關(guān)設(shè)備。

圖3 定時(shí)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware structure diagram of timing system

1.2 系統(tǒng)頻率選擇

在設(shè)計(jì)定時(shí)系統(tǒng)時(shí)，要使電子槍發(fā)射的電子束能填充到儲(chǔ)存環(huán)的任一束團(tuán)，需要為注入器和儲(chǔ)存環(huán)選擇合適的工作頻率。

在HALF預(yù)研階段設(shè)計(jì)了兩種電子槍方案，即光陰極微波電子槍和熱陰極電子槍。從定時(shí)系統(tǒng)的角度來看，光陰極微波電子槍需要由激光驅(qū)動(dòng)，其要求更高。因此，以下將針對光陰極微波電子槍展開討論。

光陰極微波電子槍使用的是具有固定重復(fù)頻率的脈沖激光器，其重復(fù)頻率為fLaser。電子直線加速器的微波頻率為fModu，電子束要在直線加速器加速，需要滿足fModu=KfLaser，其中K為正整數(shù)。

從直線加速器輸出的電子束，經(jīng)輸運(yùn)線注入到儲(chǔ)存環(huán)。儲(chǔ)存環(huán)高頻腔的頻率fRf為499.8 MHz，回旋頻率為fRevo，fRf與fRevo滿足fRf=HfRevo，H為儲(chǔ)存環(huán)諧波數(shù)。

據(jù)此，得出比例關(guān)系：

為實(shí)現(xiàn)電子槍發(fā)射的電子束能填充到儲(chǔ)存環(huán)的

表3 注入器和儲(chǔ)存環(huán)的兩種頻率設(shè)計(jì)方案Table 3 Two frequency design schemes of injection and storage ring

將方案一中的各參數(shù)代入式（1）得出，K=36，若H選為800，只能填充的束團(tuán)；H選為801，則有的束團(tuán)能被填充；僅當(dāng)H為799，才能填充所有的束團(tuán)。當(dāng)H=799時(shí)，H的質(zhì)因數(shù)較大，可能影響到其他系統(tǒng)的分頻設(shè)計(jì)。

將方案二中的各參數(shù)代入式（1）得出，K=36，此時(shí)H設(shè)計(jì)為800，可以保證電子束填充所有的束團(tuán)。

因此，在不影響其他系統(tǒng)的情況下，選擇第二種方案來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存環(huán)任意束團(tuán)的填充。在定時(shí)系統(tǒng)中，事件發(fā)生器的輸入信號頻率等于fRf，選擇與H互質(zhì)的分頻數(shù)3，則事件時(shí)鐘頻率，定時(shí)系統(tǒng)調(diào)節(jié)延時(shí)的步長為結(jié)合式（1）得到表示將電子槍發(fā)射電子束的間隔設(shè)置為可以實(shí)現(xiàn)對儲(chǔ)存環(huán)以63個(gè)束團(tuán)長度為間隔填充。當(dāng)需要填充某個(gè)束團(tuán)時(shí)，電子最多在儲(chǔ)存環(huán)旋轉(zhuǎn)63圈就能完成。

1.3 儲(chǔ)存環(huán)任意束團(tuán)填充

定時(shí)系統(tǒng)通過設(shè)置電子槍延時(shí)、直線加速器延時(shí)和儲(chǔ)存環(huán)延時(shí)，實(shí)現(xiàn)任意束團(tuán)填充。這些系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)的延時(shí)為各自周期的整數(shù)倍，如電子槍的延時(shí) 為NLaser×TLaser，直 線 加 速 器 的 延 時(shí) 為NModu×TModu，儲(chǔ)存環(huán)的延時(shí)為NRf×TRf。NLaser、NModu和NRf有最大公約數(shù)NGCD，如圖4所示，NGCD與儲(chǔ)存環(huán)束團(tuán)號n的對應(yīng)關(guān)系為：

圖4 儲(chǔ)存環(huán)任意束團(tuán)填充示意圖Fig.4 Schematic diagram of arbitrary bucket filling in storage ring

NLaser、NModu和NRf的表達(dá)式為：

1.4 事件碼的分配

定時(shí)系統(tǒng)共有256個(gè)事件碼可以使用，其中有些是特殊功能事件碼，比如空事件碼0x00，當(dāng)沒有要傳輸?shù)氖录r(shí)，則傳輸0x00［14］。

表4為目前定時(shí)系統(tǒng)的事件碼分配情況。因?yàn)楣怅帢O電子槍和熱陰極電子槍的工作頻率不同，所以為它們分配不同的事件碼，操作人員可通過軟件控制電子槍切換。

表4 定時(shí)系統(tǒng)的事件碼分配表Table 4 Event code distribution of timing system

EVM具有主動(dòng)延遲補(bǔ)償（Delay Compensation，DC）功能，可以補(bǔ)償信號受環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的延遲漂移。實(shí)現(xiàn)方式是通過收發(fā)信標(biāo)事件碼0x7E測量從EVM至EVR的事件傳播延遲，然后EVR調(diào)整內(nèi)部FIFO深度以匹配編程的目標(biāo)延遲值。

在控制軟件中，將不同的事件碼及其時(shí)間戳（Timestamp）添加到EVM的事件序列存儲(chǔ)器（Event Sequence RAM）中，在事件序列的最后，事件碼0x7F表示序列結(jié)束。

2 定時(shí)系統(tǒng)的軟件開發(fā)

圖5為EPICS架構(gòu)下的定時(shí)系統(tǒng)軟件框圖，軟件程序分為驅(qū)動(dòng)程序、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫（IOC Database）和操作界面（Operator Interface，OPI）三部分。

圖5 定時(shí)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)Fig.5 Software design of timing system

驅(qū)動(dòng)程序是硬件和EPICS Record之間的軟件接口，包含驅(qū)動(dòng)支持（Driver Support）和設(shè)備支持（Device Support）兩部分［16?17］。通過驅(qū)動(dòng)程序，建立起Record和MRF定時(shí)板卡寄存器之間的聯(lián)系。

定時(shí)系統(tǒng)的OPI程序是采用基于PyQt框架的PyDM（Python Display Manager）開發(fā)的。PyDM作為開源Qt框架和EPICS之間的接口，發(fā)布來自EPICS的數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)顯示過程變量（Process Variable，PV）的變化［15?16］。圖6是HALF定時(shí)系統(tǒng)原型系統(tǒng)的OPI。

圖6 定時(shí)系統(tǒng)的OPI界面Fig.6 Operation interface of timing system

3 原型系統(tǒng)的測試與結(jié)果分析

圖7（a）是定時(shí)原型系統(tǒng)的硬件連接圖。MTCA機(jī)箱裝有電源模塊、NAT-MCH、CPU AMC以及三塊MRF定時(shí)板卡。NAT-MCH通過背板的PCIe總線連接并管理AMC（CPU AMC和定時(shí)板卡）。定時(shí)板卡EVM的 型 號 為mTCA-EVM-300，EVR使 用 的 是mTCA-EVR-300U。

R&S?SMB100A信號發(fā)生器模擬高頻系統(tǒng)的主時(shí)鐘，在EVM中3分頻得到頻率fEvent為166.6 MHz的事件時(shí)鐘信號，因此，延遲調(diào)整的最小

步 長TEvent為使用泰克MSO64示波器測量EVR的TTL輸出信號。MSO64示波器的帶寬是8 GHz，最高采樣率為25 GHz。圖7（b）是原型系統(tǒng)的實(shí)物照片。

圖7 定時(shí)系統(tǒng)原型硬件連接圖(a)和定時(shí)原型系統(tǒng)的實(shí)物照片(b)Fig.7 Hardware structure diagram of the prototype system(a)and photo of a prototype system(b)

3.1 RF時(shí)鐘的抖動(dòng)性

RF時(shí)鐘的抖動(dòng)性是以EVR輸出信號為觸發(fā)源，測量觸發(fā)點(diǎn)與RF信號間的偏移。RF信號接入示波器通道1，EVR輸出信號接入通道2，以通道2為觸發(fā)源，測量RF時(shí)鐘的抖動(dòng)，連續(xù)測量24 h。如圖8所示，RF時(shí)鐘的抖動(dòng)小于24 ps。

圖8 RF時(shí)鐘抖動(dòng)測試結(jié)果圖（箭頭指向放大后的測試結(jié)果）Fig.8 Jitter result of RF clock(arrows point to enlarged test results)

3.2 延遲補(bǔ)償測試

信號在傳輸過程中，實(shí)際位置與理想位置的偏差主要分為短時(shí)間的抖動(dòng)和長時(shí)間的漂移。在定時(shí)系統(tǒng)中，引起信號漂移的原因主要為環(huán)境溫度變化，可以用DC功能補(bǔ)償信號漂移產(chǎn)生的誤差。DC寄存器為32 bit，其中16 bit為整數(shù)部分，16 bit為小數(shù)部分［14］，所以DC調(diào)節(jié)的步長為≈0.09 ps）。

在測試延遲補(bǔ)償功能時(shí)，EVM用兩根長度相差100 m的光纖連接兩個(gè)EVR進(jìn)行測試。EVR響應(yīng)相同的事件碼，在示波器端觀察兩個(gè)EVR輸出的延遲平均值t1；交換EVR輸出端的連接端口，再測量兩個(gè)EVR輸出的延遲平均值t2。由t1和t2可以計(jì)算出信號漂移以及系統(tǒng)誤差，系統(tǒng)誤差主要為EVR和示波器之間連接線長度產(chǎn)生的時(shí)間誤差。測試結(jié)果如表5所示。

表5 DC的測試結(jié)果Table 5 Test results of DC

圖9中示波器的通道1和通道2分別為兩個(gè)EVR的輸出信號。當(dāng)沒有DC時(shí)，兩通道相對延遲值為516.6 ns，消除系統(tǒng)誤差230 ps影響后得出由光纖長度導(dǎo)致的信號漂移為516.37 ns。啟用DC并且設(shè)置相同延遲補(bǔ)償目標(biāo)值，兩通道相對延遲值為234.7 ps，消除系統(tǒng)誤差231.65 ps影響后兩個(gè)EVR的相對延遲值大幅減少至3.05 ps。

圖9 無DC(a)和有DC(b)的示波器輸出（箭頭指向放大后的測試結(jié)果）Fig.9 Oscilloscope output without DC(a)and with DC(b)(arrows point to enlarged test results)

為測試實(shí)際環(huán)境溫度變化對信號傳輸延遲的影響，選取長度為100.586 m的單模光纖放在溫度可調(diào)的水浴中，測試25~45℃溫度變化范圍內(nèi)光纖的信號傳輸延遲值［18?19］。以溫度為25℃時(shí)系統(tǒng)的延遲為標(biāo)準(zhǔn)值，測量各溫度條件下延遲值變化量。如圖10所示，無DC時(shí)，光纖中信號的傳輸延遲值隨溫度正向變化，在45℃時(shí)延遲值變化量超過160 ps。有DC時(shí)，光纖中信號的傳輸延遲值基本保持不變，其峰峰值在3 ps左右。表明DC可以對信號漂移進(jìn)行有效補(bǔ)償，可確保定時(shí)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖10 光纖傳輸延遲隨溫度變化Fig.10 Graph of optical fiber transmission delay with temperature

3.3 觸發(fā)信號延遲和脈寬的測量

EVM事件序列的觸發(fā)重復(fù)頻率設(shè)為1 Hz，兩個(gè)EVR的輸出信號分別連接示波器的通道1和通道2，改變通道2的延遲時(shí)間，測量觸發(fā)信號的延遲步長和范圍。如圖11（a）和圖12（a）所示，消除EVR和示波器間由連接線長度導(dǎo)致的230 ps時(shí)間誤差后，EVR的延遲步長為6 ns。EVR延遲值寄存器大小為32位［11］，延遲調(diào)節(jié)范圍是(232?1)×TEvent=25.8 s。由于系統(tǒng)的注入重復(fù)頻率為1 Hz，所以如圖11（b）所示實(shí)際設(shè)定的最大延時(shí)為900 ms。

圖11 調(diào)節(jié)延遲步長的測量(a)和延遲范圍的測量(b)（箭頭指向放大后的測試結(jié)果）Fig.11 Measurements of delay adjustment(a)and delay range(b)(arrows point to enlarged test results)

通過改變EVR事件輸出的脈沖寬度值，可以測量觸發(fā)信號的脈沖寬度的調(diào)節(jié)步長和范圍。由于脈寬設(shè)定值太小會(huì)影響實(shí)際測量值的準(zhǔn)確性，所以將脈寬預(yù)設(shè)值設(shè)為100TEvent，隨后逐漸增大設(shè)定值，觀察示波器的脈寬測量值。圖12（b）為脈寬步長的測量結(jié)果圖，直線的斜率為6.002 4 ns，則脈寬的調(diào)節(jié)步長為6 ns。mTCA-EVR-300U最多可產(chǎn)生16路脈沖信號，前4路的脈沖寬度寄存器大小為32位，其他為16位［11，19］。前4路脈寬調(diào)節(jié)范 圍是(232?1)×TEvent=25.8 s，其他路的脈寬調(diào)節(jié)范圍是(216?1)×TEvent=393.4 μs。由于系統(tǒng)的注入重復(fù)頻率為1 Hz，所以如圖13（a）所示，前4路實(shí)際設(shè)定的最大脈寬為900 ms，如圖13（b）所示，其他路的脈寬調(diào)節(jié)范圍是393 μs。

圖12 延遲步長的測量結(jié)果圖(a)和脈寬的測量結(jié)果圖(b)Fig.12 Test result of delay adjustment(a)and test result of pulse width adjustment(b)

圖13 前4路脈寬調(diào)節(jié)范圍的測量(a)和其他路脈寬范圍的測量(b)（箭頭兩端分別是放大前后的測試結(jié)果）Fig.13 Measurements of the first four pulse width adjustment range(a)and other pulses width range(b)(arrows point to enlarged test results)

以上測試表明，HALF定時(shí)原型系統(tǒng)的主要指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

針對HALF裝置中物理設(shè)備的同步需求，設(shè)計(jì)了基于MTCA.4的定時(shí)系統(tǒng)，基于采購的商業(yè)硬件，開發(fā)了定時(shí)系統(tǒng)軟件。原型系統(tǒng)的測試表明，RF時(shí)鐘的抖動(dòng)小于24 ps，延遲補(bǔ)償功能將觸發(fā)信號漂移控制在3 ps左右，硬件觸發(fā)脈沖信號的延遲和脈寬的調(diào)節(jié)步長均為6 ns，達(dá)到了HALF定時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

作者貢獻(xiàn)聲明翟港佳：負(fù)責(zé)原型系統(tǒng)的開發(fā)和系統(tǒng)性能的測試，以及文章的撰寫和修訂；孫曉康：負(fù)責(zé)資料的搜集和整理；宣科：負(fù)責(zé)資料的搜集和整理；陳留國：負(fù)責(zé)MTCA.4主機(jī)的調(diào)試；李川：負(fù)責(zé)技術(shù)方案的設(shè)計(jì)和論文的修改；劉功發(fā)：負(fù)責(zé)研究的提出和論文的修改。