暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星BGO量能器地面自動化測試軟件

馬思源 封常青 沈仲弢 王 奇 劉樹彬 安 琪

暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星BGO量能器地面自動化測試軟件

馬思源1,2封常青1,2沈仲弢1,2王 奇1,2劉樹彬1,2安 琪1,2

1（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室 合肥 230026）
2（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系 合肥 230026）

鍺酸鉍(Bismuth Germanate, BGO)量能器是我國即將發(fā)射的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一。在為期數(shù)年的工程研制過程中，需開展大量測試工作，包括初樣鑒定件、正樣飛行件共計40塊前端電子學(xué)板的性能測試，初、正樣共計約1600個光電倍增管的LED光源刻度測試，以及初、正樣單機各長達(dá)數(shù)月的多項地面環(huán)境模擬試驗。針對以上測試和試驗過程中的自動化數(shù)據(jù)采集和指令參數(shù)配置等需求，設(shè)計開發(fā)完成了一個基于LabWindows/CVI開發(fā)平臺和虛擬儀器技術(shù)的自動化測試系統(tǒng)，并投入實際應(yīng)用，減輕了實驗人員的工作強度，提高了測試效率，為暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星BGO量能器的研制和工程生產(chǎn)的順利進行提供了保障。

暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，鍺酸鉍量能器，LabWindows/CVI，虛擬儀器

暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星(Dark Matter Particle Explorer, DAMPE)是中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項的首批衛(wèi)星之一，預(yù)計于2015年底發(fā)射[1]。其主要科學(xué)目標(biāo)是通過觀測高能電子和γ射線來間接尋找暗物質(zhì)粒子。作為DAMPE的關(guān)鍵分系統(tǒng)（子探測器），鍺酸鉍(Bismuth Germanate, BGO)量能器的主要功能是測量入射粒子和射線的能量、實現(xiàn)高能強子本底的鑒別以及為整個有效載荷提供觸發(fā)信息。

自2011年底立項以來，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星工程在4年內(nèi)先后經(jīng)歷了方案、初樣、正樣階段。按照工程管理的要求，初樣、正樣階段分別要完成一套BGO量能器初樣鑒定件、正樣飛行件單機的研制生產(chǎn)。在BGO量能器的實驗室研制及工程化生產(chǎn)、試驗的各個環(huán)節(jié)，均需要進行大量測試，包括初樣鑒定件、正樣飛行件共計40塊前端電子學(xué)板(Front-End Electronics, FEE)的性能測試，初、正樣共計約1600個光電倍增管(Photomultiplier Tubes, PMT)的LED光源刻度測試，以及初、正樣單機長達(dá)數(shù)月的多項地面環(huán)境模擬試驗。這些測試工作主要涉及對信號發(fā)生器等儀器的頻繁操作和參數(shù)配置、周期性的指令發(fā)送及獲取單機狀態(tài)參數(shù)，以及實時收集測試數(shù)據(jù)并保存文件等，由于項目周期很長、測試工作量大，如全部依賴手工完成，不僅耗費巨大人力物力，更難以保證項目進度。本文針對以上測試和試驗過程中的數(shù)據(jù)采集和自動化控制的需求，設(shè)計并完成了一個基于LabWindows/CVI開發(fā)平臺和虛擬儀器技術(shù)的自動化測試軟件。

1 地面測試系統(tǒng)需求

1.1 PMT的批量篩選測試

BGO探測器共有14層，每層有22根BGO晶體并排排列，在晶體兩端分別配有一個濱松(Hamamatsu)公司的R5610A-01 PMT進行多打拿極讀出，14層共使用了616只PMT。在工程研制過程中，BGO量能器初樣和正樣各需用到700和800只PMT組件（包括篩選余量及備件），對每只PMT組件都需要進行性能測試并標(biāo)定其動態(tài)范圍。在動態(tài)范圍測試過程中，每個PMT需要掃描90個點，每個測試點需30 s左右，僅完成一個PMT的測試就需要1 h左右。為此，項目組設(shè)計了閃爍晶體熒光模擬器，用于PMT的批量測試，該模擬器由外接信號發(fā)生器驅(qū)動內(nèi)部LED光源根據(jù)信號發(fā)生器提供的波形幅度產(chǎn)生光強可控的熒光同時輸入多個PMT，并由FEE采集PMT各打拿極的輸出電荷信號進行處理[2]。因此需設(shè)計一個自動化的軟件來控制信號發(fā)生器，并接收PMT的輸出信號，實現(xiàn)自動化批量測試。

1.2 FEE的工程化生產(chǎn)

PMT各打拿極的輸出信號，由FEE接收并進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息由FEE上的現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)打包并上傳。根據(jù)工程需求，F(xiàn)EE分為A、B、C三種型號，F(xiàn)EE-A、FEE-B分別有144路信號通道，F(xiàn)EE-C有72路信號輸入通道，初樣和正樣一共需要調(diào)試20塊A型板、10塊B型板和10塊C型板，在FEE的調(diào)試和測試過程中，每一路信號通道都需要進行多次刻度掃描測試和信號源掃描測試，以確定通道的性能。以信號源掃描為例，信號源頻率設(shè)定為50 Hz，則每個幅度點需持續(xù)15 s左右（以保證得到足夠的數(shù)據(jù)統(tǒng)計量），如每個通道掃描50個幅度點，則測試40塊FEE共需要252000個幅度點，耗時1050 h（不考慮信號源設(shè)置等操作所耗的時間）。由于FEE-A還有96路通道需要輸出擊中信號，因此需要對每一路的閾值功能進行測試，一次標(biāo)定共需要進行1920次測試。這些工作如果由手工完成將耗費大量人力，為快速測得所有FEE通道的性能指標(biāo)，亟待設(shè)計一個自動測試軟件。

1.3 單機地面環(huán)境模擬試驗

根據(jù)航天項目的工程管理要求，BGO量能器初、正樣在正式交付前均需要進行單機的環(huán)境模擬試驗，主要包括力學(xué)試驗、EMC試驗、常壓熱循環(huán)試驗、真空熱試驗（包括熱平衡和真空熱循環(huán)）及老煉試驗。這些試驗一旦開始，就往往需要很多天的連續(xù)加電，期間需要試驗值班人員24 h值守。其中常壓熱循環(huán)試驗需要持續(xù)約10 d，老煉試驗需要持續(xù)10 d，熱真空試驗需要持續(xù)15 d，加上前后準(zhǔn)備工作共計近兩個月。因測試過程中需要不間斷地監(jiān)測BGO量能器的工作狀態(tài)，因此對于軟件的穩(wěn)定性有較高要求。其次，為減輕值班人員的工作強度，一方面需要軟件自動化記錄各項狀態(tài)參數(shù)以及操作日志，另一方面需要提供報警功能，并定期提醒值班人員手工記錄一些試驗設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)等。

2 測試系統(tǒng)框架設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

為模擬數(shù)管（數(shù)據(jù)管理器）對量能器的控制，在FEE調(diào)試和地面環(huán)境模擬試驗中采用了由上位機控制的地檢數(shù)據(jù)管理板（在本項目中也稱為Sub Data Acquisition, SUB-DAQ）來收發(fā)指令和采集科學(xué)數(shù)據(jù)[3]，SUB-DAQ負(fù)責(zé)匯總量能器的16個FEE的電荷測量數(shù)據(jù)以及其中8塊FEE-A的擊中信號，并產(chǎn)生觸發(fā)信號給FEE以控制其采集數(shù)據(jù)。SUB-DAQ通過USB總線和RS422總線和上位機相連，具體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 測試系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of testing system.

2.2 軟件框架

本軟件結(jié)合項目的需求，基于LabWindows/CVI平臺開發(fā)，LabWindows/CVI是美國NI (National Instruments)公司利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的面向計算機測控領(lǐng)域的軟件開發(fā)平臺，廣泛地應(yīng)用于各種測控儀器儀表的開發(fā)。它是一個ANSI C的集成開發(fā)環(huán)境，將使用靈活的C語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)的測控專業(yè)工具有機地結(jié)合起來[4]。利用其集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法和函數(shù)面板，大大增強了C語言的功能，并集成了GPIB、VX、VISA、TCP等函數(shù)庫，為編寫自動測試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用軟件提供了一個理想的開發(fā)環(huán)境。

軟件參考了同樣是基于NI公司LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的快速掃描X射線精細(xì)結(jié)構(gòu)譜數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)[5]，采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，仔細(xì)考慮了接口需求和測試需求，設(shè)計了命令收發(fā)、數(shù)據(jù)獲取等模塊，基本軟件框圖如圖 2所示。

命令控制模塊通過RS422接口連接SUB-DAQ，負(fù)責(zé)對FEE發(fā)送指令，控制FEE的工作狀態(tài)，同時將返回參數(shù)寫入日志文件并將遙測狀態(tài)顯示于用戶界面；數(shù)據(jù)獲取模塊由用戶界面控制，通過USB接口從SUB-DAQ獲取采集到的科學(xué)數(shù)據(jù)，存入指定文件；信號發(fā)生器模塊被用戶界面的TA自檢、信號源掃描和PMT測試等子模塊控制，通過USB接口連接信號發(fā)生器和SUB-DAQ，完成FEE功能測試和PMT性能測試。

圖2 軟件模塊關(guān)聯(lián)圖Fig.2 Associated diagram of software modules.

3 測試功能實現(xiàn)

3.1 接口部分

系統(tǒng)通過USB接口和RS422接口連接相關(guān)的硬件。USB接口由SUB-DAQ上的芯片CY68013驅(qū)動，實現(xiàn)與上位機的硬件連接，負(fù)責(zé)把科學(xué)數(shù)據(jù)由SUB-DAQ傳輸給上位機，并將上位機對SUB-DAQ的控制命令傳輸給SUB-DAQ。傳輸方式在CY68013的固件中設(shè)置為批量(BULK)傳輸模式，并采用SLAVE FIFO的方式，保證了數(shù)據(jù)傳輸高速可靠。

同時，在信號源掃描測試和PMT測試中需要上位機通過USB接口對Tektronix AFG3252信號發(fā)生器進行控制[6]。上位機通過虛擬儀器軟件架構(gòu)(Virtual instrument software architecture, VISA)來連接USB接口并控制SUB-DAQ和信號源，所有相關(guān)控制函數(shù)都采用VISA所提供的函數(shù)進行處理。

RS422接口在SUB-DAQ上由FT230X芯片轉(zhuǎn)換為USB接口，實現(xiàn)與上位機的硬件連接。在上位機軟件里通過LabWindows/CVI自帶函數(shù)庫中OpenComConfig()來連接該接口，實現(xiàn)命令的發(fā)送和狀態(tài)字的接收。

3.2 數(shù)據(jù)獲取模塊

FEE的科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸至SUB-DAQ，由SUB-DAQ匯總并打包，添加包頭包尾后通過USB接口傳輸?shù)缴衔粰C，由軟件負(fù)責(zé)讀取。在軟件中專門為讀取科學(xué)數(shù)據(jù)開辟了一個線程，在線程中使用VISA庫中的viRead()函數(shù)循環(huán)讀取USB緩存中的數(shù)據(jù)，每次讀取512 bytes。讀取到的數(shù)據(jù)會保存到事先指定的文件中，用以離線分析。同時為了對讀取進度進行控制，軟件會對數(shù)據(jù)量進行記錄，每512bytes為一個數(shù)據(jù)包，每讀取1000個數(shù)據(jù)包就會在用戶界面的文本窗口顯示數(shù)據(jù)包總量。若執(zhí)行viRead()函數(shù)沒有讀取到數(shù)據(jù)，軟件會在文本窗口顯示“等待數(shù)據(jù)”，若連續(xù)20次沒有讀取到數(shù)據(jù)，軟件會彈出提示窗口警告操作員。

數(shù)據(jù)采集完全通過USB接口進行，因此USB接口的狀態(tài)非常重要。為此，軟件在數(shù)據(jù)采集過程中會專門開辟一個線程監(jiān)測USB接口狀態(tài)，在線程中周期性調(diào)用VISA庫函數(shù)viFindRsrc()查找該USB設(shè)備，一旦該函數(shù)執(zhí)行失敗，則認(rèn)為USB設(shè)備連接中斷，此時軟件會彈出窗口提示操作者USB設(shè)備出現(xiàn)問題。

用戶界面的刻度掃描子模塊通過數(shù)據(jù)獲取模塊控制SUB-DAQ對最多16塊FEE同時進行刻度掃描測試，用戶只需要設(shè)置起始電壓、終止電壓和步長電壓再點擊Start_cali按鈕，程序就會自動進行刻度掃描，刻度測試流程如圖 3所示。

圖3 刻度測試流程圖Fig.3 Flow chart of calibration process.

連接硬件、上電并初始化軟件后開始刻度測試，設(shè)置刻度電壓后開始刻度采集，采完一個電壓點后自動開始下一個電壓點的采集，全部完成后對所有通道的電荷ADC碼進行離線分析，得到每個通道的線性增益和非線性指標(biāo)。圖 4為某通道的線性擬合結(jié)果。圓圈表示實際輸出的ADC碼值，直線是線性擬合結(jié)果。可以看出該通道在電荷量0-1600 fC，輸出ADC碼與輸入電荷量的線性關(guān)系很好。

圖4 某FEE通道的刻度結(jié)果的線性擬合Fig.4 Linear fitting of calibration results for one channel.

3.3 信號發(fā)生器控制模塊

美國泰克公司的Tektronix AFG3252信號發(fā)生器自帶USB芯片，上位機可通過VISA庫函數(shù)實現(xiàn)對該信號發(fā)生器的控制。實際操作中，通過VISA庫函數(shù)viFindRsrc()來定位該設(shè)備，通過viWrite()函數(shù)向信號發(fā)生器的USB端口寫入規(guī)定格式的數(shù)據(jù)，即可控制信號發(fā)生器產(chǎn)生幅度和相位已知的信號。

從軟件模塊化的理念出發(fā)，控制信號發(fā)生器的一系列命令被設(shè)計成子函數(shù)的形式，以方便軟件調(diào)用。在信號源掃描測試中，只需要設(shè)置起始電壓、終止電壓和步長電壓，軟件即可自動控制信號發(fā)生器和SUB-DAQ完成對FEE的信號源掃描。

在PMT測試中也只需要設(shè)置電壓參數(shù)，軟件即可控制信號源產(chǎn)生需要的信號進而控制驅(qū)動電路完成PMT測試。

3.4 命令控制模塊

在各項測試中，軟件需要發(fā)送控制命令給FEE用以控制其工作狀態(tài)。命令由4字節(jié)構(gòu)成，加上包頭包尾一共12字節(jié)，在軟件中將命令以十六進制的形式存放于unsignedchar型數(shù)組中，使用CVI函數(shù)庫中的ComWrt()函數(shù)將命令字通過RS422接口發(fā)送至SUB-DAQ，再由SUB-DAQ發(fā)送至FEE。每次收到命令，F(xiàn)EE會返回狀態(tài)參數(shù)，狀態(tài)參數(shù)通過SUB-DAQ傳送回上位機，上位機通過函數(shù)ComRdByte()逐字節(jié)接收返回參數(shù)，存放于unsignedchar型數(shù)組中。為方便對FEE的控制，所有發(fā)送接收的指令都會實時顯示在用戶界面中的文本顯示窗口。同時，為了追蹤以往發(fā)送接收過的指令，在軟件啟動時會由用戶指定一個文件夾用以存放指令日志文件(CMD_LOG)，軟件在發(fā)送和接收指令時會同時把指令寫入CMD_LOG，每次寫入前會讀取系統(tǒng)時間對指令進行標(biāo)記，方便對每一條指令進行追查。常用指令被設(shè)計為子函數(shù)，方便調(diào)用。

由于FEE工程化生產(chǎn)和BGO量能器地面環(huán)境模擬試驗中需要對FEE進行大塊指令包注入，因此軟件提供了批量參數(shù)配置模式。把所有需要注入的指令以4字節(jié)為單位提前寫入二進制文件中，在使用時通過直接導(dǎo)入二進制文件，實現(xiàn)對FEE的快速配置。

在BGO量能器地面環(huán)境模擬試驗中需隨時關(guān)注FEE的溫度和電流信息，因此我們設(shè)計了一個遙測狀態(tài)顯示界面以方便值班人員隨時觀測遙測狀態(tài)。軟件中專門開發(fā)了一個線程，循環(huán)向FEE發(fā)送狀態(tài)監(jiān)測指令，返回狀態(tài)字經(jīng)過軟件運算處理得到FEE的電流和溫度數(shù)據(jù)，存入專門為此建立的文件內(nèi)。同時在軟件中定義了兩個數(shù)組，分別存放實時返回的溫度和電流數(shù)據(jù)，每當(dāng)FEE的返回狀態(tài)字到達(dá)時程序會自動查詢命令類型，當(dāng)確認(rèn)是溫度或電流遙測指令時，就會把狀態(tài)字中的ADC碼轉(zhuǎn)化為溫度或電流數(shù)據(jù)，按FEE編號存放于數(shù)組中相應(yīng)位置。軟件中開發(fā)了一個線程，每隔10 s會自動把溫度數(shù)組和電流數(shù)組里存放的數(shù)據(jù)顯示在遙測界面，實現(xiàn)了遙測狀態(tài)的實時監(jiān)測。探測器每個側(cè)面有16個溫度遙測點和8個電流遙測點，4個側(cè)面一共需要同時監(jiān)測64路溫度信息和32路電流信息。

3.5 值班報警功能模塊

在BGO量能器地面環(huán)境模擬試驗中需要值班人員連續(xù)數(shù)天至數(shù)十天不間斷地進行數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測，需要軟件有報警功能和定時提醒功能。

在軟件中專門創(chuàng)建了一個線程用以實現(xiàn)這些功能，此線程內(nèi)有一個定時器，每間隔2 h會觸發(fā)一個回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)通過播放鈴聲和彈出提示窗口的方式提醒操作人員記錄高壓模塊電流等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在此線程中還會循環(huán)地主動查詢每個FEE的溫度和電流參數(shù)，通過對比預(yù)先設(shè)置的閾值來判斷量能器是否工作在正常狀態(tài)，當(dāng)溫度或電流超過閾值就會以發(fā)出報警鈴聲的方式告知操作人員。

3.6 圖形界面的實現(xiàn)

測試軟件的用戶面板如圖 5所示，面板分為多個區(qū)域。狀態(tài)顯示區(qū)域用于監(jiān)測SUB-DAQ與上位機的連接狀態(tài)，其文本窗口可以顯示命令配置情況和數(shù)據(jù)采集進度；子窗口目錄區(qū)域可以打開包括溫度監(jiān)測和值班模式在內(nèi)的一系列子窗口，方便操作人員對探測器的狀態(tài)進行監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集區(qū)域可以控制采集模式，包括正常模式和刻度模式，也可以對具體采集狀態(tài)進行配置；命令區(qū)域可以人工發(fā)送指令給FEE，也可以進行模塊化配置，同時也會把發(fā)送的命令和FEE返回狀態(tài)字實時顯示出來；觸發(fā)配置區(qū)域負(fù)責(zé)對具體觸發(fā)模式進行控制；基本連接區(qū)域負(fù)責(zé)初始化工作狀態(tài)，包括連接相應(yīng)的FEE、選擇文件存儲路徑等。軟件結(jié)合了各模塊功能，設(shè)計了人性化的圖形界面，有效提高了功能測試和地面模擬試驗的效率。

圖5 用戶面板Fig.5 User interface.

4 結(jié)語

本軟件使用了LabWindows/CVI開發(fā)平臺，開發(fā)出了能夠獨立運行于測試工控機上的程序，具有數(shù)據(jù)采集、功能測試、狀態(tài)監(jiān)測和報警提醒的功能，

滿足了BGO量能器初樣和正樣中FEE的工程化生產(chǎn)、PMT測試及單機地面環(huán)境模擬試驗的需要。該軟件于2013年底開發(fā)、調(diào)試成功，對BGO量能器單機初樣和正樣的生產(chǎn)、測試具有重要意義，極大地提高了測試效率，減輕了測試人員和值班人員的工作強度，保證了BGO量能器的項目進度。目前

BGO量能器正樣件已經(jīng)完成所有測試和地面試驗，并已順利交付。

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6 Tektronix. TekVISA programmer manual[EB/OL]. 071-1101-04, www.tektronix.com, 2015-08-10

A ground automatic testing system for the BGO calorimeter of dark matter particle explorer satellite

MA Siyuan1,2FENG Changqing1,2SHEN Zhongtao1,2WANG Qi1,2LIU Shubin1,2AN Qi1,2
1(State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)
2(Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Background:Bismuth Germanate (BGO) calorimeter is the key sub-detector of the Dark Matter Particle Explorer (DAMPE) satellite. There are extensive tests including the performance testing of 40 Front-end Electronics (FEE) in the engineering development model and flight model, the LED source calibration of 1600 Photomultiplier Tubes (PMT) and different kinds of ground environment simulation test as long as several months during production. Purpose: This study aims to ensure the progress of production by developing a ground test system to meet the demand for automated data collection and command parameters during the experiments and tests.Methods:First of all, the testing requirements were analyzed in details, then a framework of hardware and software was designed according to available resources. Finally the software was implemented and optimised by means of LabWindows/CVI and virtual instrument technology to fulfil all test functionalities.Results:The user interface (UI) and function modules of the software meet the requirements of data acquisition and automatic control for the BGO calorimeter of DAMPE satellite.Conclusion:This testing system has been put into practical application for more than 18 months, successfully reduced the working strength and improved the test efficiency.

DAMPE, BGO calorimeter, LabWindows/CVI, Virtual instruments

MA Siyuan, male, born in 1990, graduated from University of Science and Technology of China in 2013, master student, mainly engaged in particle physics and experiments electronics

FENG Changqing, E-mail: fengcq@ustc.edu.cn

TL8

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.120403

中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(No.XDA04040202-4)資助

馬思源，男，1990年出生，2013年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，主要從事粒子物理實驗電子學(xué)研究

封常青，E-mail: fengcq@ustc.edu.cn

Supported by the Strategic Priority Research Program on Space Science of Chinese Academy of Sciences (No.XDA04040202-4)

2015-09-08，

2015-11-02

CLCTL8