SHINE絲掃描截面測量系統(tǒng)樣機數據采集系統(tǒng)研制

萬 鈞 冷用斌, 賴龍偉 陳 杰 高 波 陳方舟 陳 健 曹珊珊

1（中國科學院上海應用物理研究所 上海 201800）

2（中國科學院大學 北京 100049）

3（中國科學院上海高等研究院 上海 201204）

目前，國內對于自由電子激光（Free Electron Laser，FEL）的束流截面測量還都依靠熒光靶［1］和多絲靶［2］等傳統(tǒng)手段。這些傳統(tǒng)手段對于束流有阻擋作用，無法在不影響束流運行的情況下完成在線測量。同時由于信號的采集使用相機，測量精度將受到影響［3］。絲掃描截面測量系統(tǒng)（Wire scanner）［4-5］是國內外各大加速器裝置普遍采用的技術，用于半阻攔束流截面測量。作為一種常用于直線加速器束流截面測量的方法，其在國外FEL裝置：如第二代直線加速器相關光源（Linac Coherent Light Source-II，LCLS-II）［6］、瑞士自由電子激光（SwissFEL）［7］、歐洲X射線自由電子激光（European X-ray FEL，EXFEL）［8］、韓國浦項X射線自由電子激光（Pohang Accelerator Laboratory XFEL，PAL-XFEL）［9］等加速器裝置上應用并取得了很好的效果。該技術在國內應用于電子束團截面測量目前主要是中國科學院高能物理研究所的北京正負電子對撞機（Beijing Electron Positron Collider，BEPC）［10］的 改 進 項 目BEPC-II，該裝置將電子加速至能量為1.89 GeV，束流重復頻率為50 Hz。中國科學院高能物理研究所的中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）［11］和中國科學院近代物理研究所的加速器驅動次臨界系統(tǒng)（Accelerator-Driven Subcritical System，ADS）［12］是將絲掃描系統(tǒng)應用于質子或H-離子的束團截面測量。從整體上雖然各個加速器實驗室在絲掃描截面測量系統(tǒng)的總體結構大致相同，但由于加速器的粒子種類、粒子能量、束團重復頻率等參數不同，各裝置使用絲掃描系統(tǒng)的各項參數和工作模式存在很大不同。對于SHINE［13-14］裝置，其重復頻率可達1 MHz，電子能量達8 GeV，絲掃描截面測量系統(tǒng)應用于SHINE，是國內首次將該技術應用于高重頻自由電子激光裝置，其數據采集系統(tǒng)將面臨數據吞吐量大、探測器輸出數據同步難度高等問題。因此，國內目前有的絲掃描截面測量數據采集系統(tǒng)技術方案無法滿足需求?；谝陨显颍許HINE的建設為契機，開始自行研發(fā)用于SHINE絲掃描截面測量系統(tǒng)樣機的數據采集系統(tǒng)。

1 背景

SHINE的絲掃描截面測量系統(tǒng)的組成結構如圖1所示，大致結構包括絲靶探測器、束損探測器、數據采集系統(tǒng)［15］。絲靶探測器使用LinMot直線電機帶動裝有掃描絲的探頭，電機帶動探頭在束流管道截面方向直線掃描運動，實現探頭和束流的相互接觸和分離。在絲靶探測器安裝位置的下游，裝有光電倍增管和閃爍體組成的束損探測器，探測束流和掃描絲相互作用產生的次級粒子。次級粒子在束損探測器中產生的信號稱束損信號，可以根據每一次束損信號提取出一個束損強度值，完成一次掃描過程中多次同步記錄束損信號并得到束損強度值和對應的掃描絲位置，最后對這一列束損強度值和對應的一列掃描絲位置值進行高斯擬合即可得到束流的截面尺寸信息。

圖1 SHINE的絲掃描截面測量系統(tǒng)組成結構Fig.1 Structure diagram of wire scanner system for SHINE

束損探測器包含：塑料閃爍體、石英光纖、光電倍增管（H10720-110）。當束流與掃描絲碰撞發(fā)生作用產生的次級粒子入射閃爍體時，將沉積部分能量并激發(fā)光子，光子通過光纖進入光電倍增管轉化為電信號（稱為束損信號），該信號為脈沖信號，信號的寬度約為200 ns。對于束損探測器產生的束損信號采集主要需要考慮采樣時間和采樣率的選擇。為扣除本底噪聲，需要選取大于200 ns的時間窗口采集數據。為確保束損強度值提取的準確性，要求對脈沖信號采集至少100個數據點，因此數據采集系統(tǒng)需要高于500 MHz的采樣率對束損信號進行采樣。

2 數據采集系統(tǒng)方案設計

對于掃描絲位置的測量，我們可以使用以下方式實現：

1）上位機通過COM端口與電機通信，發(fā)送命令字并等待電機回復內部磁柵尺的位置測量值；2）電機控制芯片直接讀取磁柵尺讀數并存入片上的隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）中，掃描結束后再把數據通過COM端口發(fā)送給上位機；3）在電機上安裝光柵尺（分辨率為2.5 μm），將光柵尺平行于電機運行軌道固定在支架上，滑動頭固定于電機運動機構，當電機運動時帶動滑動頭與光柵尺相對運動，實現掃描絲相對位置的測量。為了實時存儲掃描絲位置即光柵尺讀數，采取將光柵尺輸出信號通過Pmod接口（Peripheral Module Interface）連接現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）管腳后對信號處理的方式，通過對FPGA編程實現讀出電機位置測量值。

如果使用方式1），從電機控制芯片接收指令再到該芯片回復上位機位置數據，整個過程數據經歷了多次協議轉換和編解碼的過程，這將導致較大的延遲（可達1 ms）和較大延遲時間抖動，這使得同一個觸發(fā)來臨時，采集到的束損信號和掃描絲位置的數據是不同步的，最終將增大擬合實驗數據得到的束流截面尺寸的誤差，顯著降低絲掃描系統(tǒng)的分辨率。如果使用方式2），該電機控制芯片最高支持每秒鐘采集并存儲1 000次磁柵尺的讀數，其片上隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）大小為1 Mb，無法滿足實際測量中以1 MHz的頻率采集掃描絲位置讀數并持續(xù)約1 s的需求。而如果我們選擇方式3），采集掃描絲位置數據，可以在FPGA內部對掃描絲位置信號進行處理，控制其與束損探測器產生的束損信號保持可調的時延。這種方案數據流不需要進行額外的協議轉換，從而使得信號從產生到轉換成FPGA內部信號的時間延遲變化小于1個FPGA內部時鐘的周期，該周期遠小于1 μs，實現同步采集束損信號和掃描絲位置。

此外，在直線加速器實際運行中，電子束流可能會有微米量級的橫向抖動［16］，因此即使掃描絲不動，掃描絲與束團的相對位置也會不斷變化，如果只測量掃描絲位置和束損信號并擬合得到的橫向截面尺寸有較大誤差，將極大地影響絲掃描系統(tǒng)的分辨率和精度。目前，SHINE裝置尚未完成建設，其束流橫向截面尺寸理論上可至20 μm，以上海軟X射線自由電子激光裝置（Shanghai Soft X-ray Free-Electron Laser，SXFEL）［17］為例，其束流橫向位置測量值的標準差約為20 μm。如圖2所示，假如SHINE裝置實際運行時橫向截面尺寸20 μm的束流抖動情況類似SXFEL裝置，其重復頻率為1 MHz，電機掃描速度0.5 m·s-1，則實際測得的束損信號序列為圓圈部分，與理想的束損信號序列（圖2中曲線部分）相差較大。為了更準確地測量掃描絲與束團的相對位置，我們將在絲掃描系統(tǒng)絲靶探測器的上游安裝腔式束流位置測量系統(tǒng)（Cavity Beam Position Monitor，CBPM）［18］用于測量束團的橫向位置。CBPM的測量原理如圖3所示，對位置腔和參考腔輸出信號處理可得束團橫向位置，采用CBPM測量到的束團橫向位置補償光柵尺的測量值，可以得到更精確的掃描絲與束團相對位置。目前根據SHINE裝置的C波段CBPM樣機研制情況［19］，該CBPM的分辨率好于1 μm，該系統(tǒng)用于圖2例子的校正，可以得到三角形部分表示的束損信號序列，滿足改善掃描絲位置測量值的需求。另外CBPM系統(tǒng)輸出信號衰減時間為200 ns，它的最佳采樣窗口約為250 ns［20］，CBPM系統(tǒng)輸出的原始信號由前端調理模塊下變頻至約為60 MHz的低中頻段（中心頻率不超過100 MHz）。

圖2 絲掃描系統(tǒng)測量值校正示意圖Fig.2 Diagram of correction for wire scanner system

圖3 CBPM的測量原理Fig.3 Measurement principle of CBPM

綜上所述，該數據采集系統(tǒng)可由射頻采集板卡和數字母版組成。射頻采集板卡對來自束損探測器和CBPM的模擬信號進行采樣和數字化，經高速接插件進入數字信號處理板卡，利用FPGA對數據進行處理、傳輸、存儲。光柵尺信號經過外部接口與FPGA管腳相連接并進行處理和存儲。ARM處理器的應用程序將存放于內存中的數據進行計算，計算結果通過以太網口傳輸到上位機供科研人員進行分析研究。

3 系統(tǒng)開發(fā)

該數據采集系統(tǒng)的總體設計框圖如圖4所示，開發(fā)內容包括4部分：高速射頻采集板卡設計、數字母版設計、FPGA固件開發(fā)和應用程序開發(fā)。

圖4 絲掃描數據采集系統(tǒng)設計框圖Fig.4 Design block diagram of data acquisition system for wire scanner

3.1 高速射頻采集板卡

高速射頻采集板卡由高速ADC模塊、外部觸發(fā)模塊、時鐘模塊和FMC（FPGA Mezzanine Card）連接器組成。高速ADC模塊共4通道，其中分別用于對來自束損探頭原始信號、經過下變頻的CBPM位置腔X方向信號和Y方向信號以及CBPM參考腔輸出信號的模擬信號進行模數轉換。信號輸入采用單端交流耦合方式，模擬信號經過巴倫耦合實現單端轉差分以增強信號的抗干擾性，并傳輸給ADC芯片。模擬輸入阻抗為50 Ω，ADC模塊使用了兩塊德州儀器公司設計的ADS54J60芯片，最高1 GHz采樣率，有效位約11.5 bit，模擬輸入帶寬1.2 GHz。外部觸發(fā)模塊支持LVTTL/LVCMOS電平輸入方式，通過板上單端轉差分電平芯片轉換成LVDS信號，連接到FMC連接器。時鐘模塊的核心部分是德州儀器公司設計的LMK04828芯片，其參考時鐘由122.88 MHz的晶振產生。通過對該芯片內部寄存器的賦值來配置ADC芯片的采樣時鐘，能實現以晶振輸出122.88 MHz為參考的內時鐘最高采樣率1 GHz，或使用外部采樣時鐘輸入最高采樣時鐘1 GHz。FMC連接器采用HPC形式，最多能夠支持80對LVDS（160根LVTTL/LVCMOS），80對LVDS分別從屬于三個塊（BANK）。

3.2 數字母版

數字母版由主控模塊、存儲模塊、外設接口、電源模塊組成。主控模塊包括Xilinx公司設計的Zynq MPSoC芯片，即支持該芯片正常工作的外圍電 路。Zynq MPSoC芯 片 分 為PS（Processing System）端和PL（Programmable Logic）端兩部分。在本設計中使用的芯片型號為ZU9EG，包括四核ARM Cortex-A53處理器、雙核Arm Cortex-R5F處理器、16 nm FinFEL+工藝的嵌入式FPGA。存儲模塊包括DDR4（Double-Data-Rate Fourth Generation）內存、64 MB Quad SPI Flash、SD卡槽。其中PS端有存儲空間4 GB的64 bit DDR4 SODIMM（小型雙列直插式內存模塊），PL端有存儲空間512 M的DDR4 SDRAM（同步動態(tài)隨機存取內存）。DDR4內存的數據傳輸速率為2 133 MT·s-1，保證了實驗數據完整地存儲。Flash和SD卡用來存儲FPGA固件和應用程序，提供Flash啟動或SD卡啟動兩種啟動方式。外設接口包含USB-JTAG接口、USB-UART接口、RJ45以太網接插件、SFP光口、FMC連接器。電源模塊為數字母版上各芯片提供工作電源。由于各芯片需要的電壓幅度不全相同，且主控芯片啟動時對各芯片上電順序有要求，電源分為三級：0.85 V、1.2 V和1.8 V，配合控制上電順序，確保電子學穩(wěn)定運行。

3.3 FPGA固件開發(fā)

在SHINE絲掃描截面測量系統(tǒng)數據采集電子學中，FPGA負責多項任務。主要包括ADS54J60芯片和LMK04828芯片的寄存器初始化配置；射頻子板采集數據的接收、處理、傳輸、存儲；用于開發(fā)過程中調試的在線邏輯分析模塊。根據任務需求對Zynq MPSoC芯片的PL端進行固件開發(fā)，在IDE軟件Vivado平臺上使用verilog硬件描述語言編寫底層邏輯。

3.4 軟件應用程序開發(fā)

在ARM處理器上運行Linux操作系統(tǒng)，上位機可以通過網口登錄Linux Shell用戶登錄界面。編寫的Python腳本在Linux本地運行，接收命令行輸入的參數，通過串口發(fā)送命令字對電機進行初始化配置，使得電機按照預定的模式運動。數據處理程序由C語言開發(fā)，程序邏輯如圖5所示，負責在電機一次掃描結束后計算出束流橫向截面尺寸。

圖5 軟件應用程序邏輯框圖Fig.5 Software application logic block diagram

4 實驗室功能驗證

4.1 掃描絲位置讀取

掃描絲位置的測量由安裝于電機支架上的光柵尺完成，光柵尺的滑動頭與電機運動機構連接，保持滑動頭的運動方向與掃描絲運動方向一致，通過讀取光柵尺信號可以間接測量掃描絲的位置。

光柵尺是通過摩爾條紋原理［21］，通過光電轉換，以數字方式表示位移量的高精度位移傳感器。光柵尺輸出數字信號主要包括3種：串行信號、正弦波信號和方波信號。本系統(tǒng)采用輸出A和B兩路方波信號（TTL接口輸出信號）的光柵尺，其信號如圖6所示，兩路信號A和B的相位差為90°。

圖6 光柵尺輸出信號示意圖Fig.6 Schematic diagram of grating ruler output signal

A或B信號每輸出一個方波表示光柵尺滑動頭移動了一個柵距，A和B的相位前后關系表示光柵尺的運動方向，因而可以使用FPGA對該兩路信號進行處理，得到實時的光柵尺相對位置的讀數。根據上述光柵尺信號的特點，設計了狀態(tài)機對信號進行處理，其狀態(tài)轉移圖如圖7所示。當狀態(tài)機狀態(tài)變?yōu)镕orward時，FPGA內部計數器加1，當狀態(tài)機狀態(tài)變?yōu)锽ack時，FPGA內部計數器減1。這樣，當FPGA接收到觸發(fā)信號時直接存儲該計數器的值即可實現掃描絲實時位置讀取。

圖7 讀取光柵尺信號狀態(tài)轉移圖Fig.7 State transition diagram for reading grating ruler signal

在實驗室條件下，對掃描絲位置讀取進行了測試驗證。實驗中我們使用上位機發(fā)送串口命令設置電機按一定周期往復運動，如圖8所示，對比了電機內置磁柵尺測量結果和FPGA讀取光柵尺信號的結果。其中磁柵尺的數據率為10 Hz，而FPGA讀光柵尺則是外部輸入與SHINE重復頻率相同的觸發(fā)信號，其數據率為1 MHz。由于兩種測量方法結果一致，因此驗證了使用FPGA讀取光柵尺信號得到同步于觸發(fā)的實時位置數值的方法是可靠的。

圖8 光柵尺信號讀取值與磁柵尺測量結果對比圖Fig.8 Comparison between results of grating ruler signal and magnescale

4.2 射頻采集板卡數據采集功能驗證

在實驗室使用任意波形發(fā)生器提供1 MHz的觸發(fā)信號，通過在線邏輯分析模塊（Integrated Logic Analyzer，ILA）觀察FPGA內部信號來驗證該系統(tǒng)采集CBPM信號和束損信號的功能。FPGA電路設計中實現了每當定時系統(tǒng)的觸發(fā)到來時，射頻采集板卡的4個通道數據開始通過DMA模塊存入內存中，其相應信號的變化如圖9所示。

圖9 ILA模塊對FPGA內部關鍵信號抓取圖Fig.9 Collection of the key signals captured by ILA module inside FPGA

由于該型ADC的特性，每個通道的數據為64位，是由4個250 MHz采樣率的ADC的采樣數據互相延遲1 ns合成。設計中每個觸發(fā)后每個通道存200個64位數值入內存，即該絲掃描數據采集系統(tǒng)在1 MHz的觸發(fā)下，每個觸發(fā)可以同步采集單通道800個16位采樣點。將通道in1連接束損信號，通道in2連接CBPM位置強X方向信號，通道in3連接CBPM位置腔Y方向信號，通道in4連接CBPM參考腔信號即可獲得相應數據。為了保證在觸發(fā)后的800 ns內可以采集到有效信號，可以配置延遲線調節(jié)每個通道的延時。該方法有效的原因是束流產生離開電子槍的時刻即發(fā)生觸發(fā)信號的電平轉換，而束流從產生到與掃描絲發(fā)生碰撞還需經過固定延時約1 μs（假設電子槍距離絲掃描裝置300 m）。另外，對于不同頻率的觸發(fā)信號，單次觸發(fā)的采樣點數可以在軟件應用程序內進行修改，通過GPIO（General-Purpose Input/Output）接口輸入配置FPGA內AXI總線控制信號，從而實現可變采樣點數。

綜上所述，該系統(tǒng)滿足SHINE絲掃描數據采集系統(tǒng)的需求。該絲掃描樣機數據采集系統(tǒng)在SHINE裝置的1 MHz高重頻下工作時的流程如下：首先，外部的運動控制模塊發(fā)送指令給直線電機，使其以一定速度前進，與此同時，數據采集系統(tǒng)啟動，每當直線加速器裝置的1 MHz觸發(fā)信號的上升沿到來時，存儲ADC采樣數據和光柵尺當前位置值于PS端內存中，當電機完成掃描到達指定位置后數據傳輸存儲完畢，之后，ARM運行應用程序對內存中的數據進行處理并得到束流橫向截面尺寸測量值。

5 結語

本工作為SHINE絲掃描截面測量系統(tǒng)研制了專用的數據采集系統(tǒng)，經過實驗室測試達到了設計要求，目前可用于SHINE絲掃描樣機的數據采集處理需求。

作者貢獻聲明萬鈞：負責文章的實驗設計，數據處理，起草撰寫以及最終版本的修訂；冷用斌：負責文章的修改和整體把握；賴龍偉：負責優(yōu)化實驗方案的和實驗儀器的提供；陳杰：負責實驗儀器的組裝和參與實驗；高波：負責文章資料的查閱整理并參與實驗；陳方舟：負責文章資料的查閱整理并參與實驗；陳?。贺撠熚恼沦Y料的查閱和整理并參與實驗；曹珊珊：負責文章資料的查閱和整理并參與實驗。