CSNS质子束流位置监测器电子学检测和数据获取软件研制 肖亮，赵东旭，章红宇，王修库，段依梦 核探测与核电子学国家重点实验室 中国科学院高能物理研究所 2015年08月19日

主要内容 课题背景 BPM电子学检测软件设计 BPM数据获取系统设计 总结 系统整体设计 系统运行模式 系统机箱控制器软件设计 系统上位机软件设计 系统数据格式设计 总结

课题背景 中子散射技术，是用中子做探针来探测物质的结构。 目前世界上的几大散裂中子源： 美国的SNS（Spallation Neutron Source） 英国的ISIS 日本的J-PARC （Japan Proton Accelerator Search Complex） 在建的中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source, CSNS）（广东，东莞） 中科院高能物理研究所 中科院物理研究所 中国散裂中子源系统结构示意图 一台H-直线加速器 一台快循环同步加速器（Rapid Cycling Synchrotron，RCS） 一个靶站 18台谱仪（一期建造3台谱仪）

质子束流位置监测器 质子束流位置监测器（Beam Position Monitor，BPM）是中国散裂中子源工程的快循环质子同步加速器中最重要的束测元件之一 用来测量、计算和记录质子束流的在束流管中的位置信息 整套束流位置监测系统包括BPM探头、读出电子学和数据获取系统三个主要组成部分。 快循环同步加速器与质子束流位置监测器示意图

BPM 电子学简介 预计束流位置监测器（BPM）沿RCS环上将布置32个束测元件 数据采集系统将32个束测元件按象限分为4组，每一组预设一个VME机箱 RCS环上的束测元件分布图 束流管截面上BPM探头位置 电子学VME机箱及功能插件 VP-B14是机箱控制器，负责机箱内部各插件运行控制和数据采集 BROC插件接收外部T0时钟信号，并向机箱控制器发送中断信号 BPME插件获取位置信息数据，并上传给机箱控制器 BFAN插件接收BROC插件的T0信号，并分发到各个BPME插件

BPM电子学检测软件 单机箱系统构成 插件级测试软件设计 机箱级和系统级测试软件设计

单机箱系统构成 VME机箱控制器 电子学插件 CCT VP B14/433-42单板计算机 BPM电子学测量插件（BPME）：8件 读出控制插件（BROC）：1件 T0信号扇出插件（BFAN）：1件

BPM电子学插件级测试软件设计 插件级测试软件属于单项测试 基本的VME读写测试 配置各类电子学插件 中断响应和DMA方式数据读出软件设计 测得单插件最大取数速率约为12.8MBytes/s

机箱级测试软件和系统级测试软件设计 机箱级和系统级测试属于综合测试 开发平台是1-4个机箱和上位机 综合了插件级检测软件 设计了数据上传、组装、转发与数据转换软件

BPM数据获取系统 系统整体设计 系统运行模式 系统机箱控制器软件设计 系统上位机软件设计 系统数据格式设计

BPM数据获取系统整体设计 数据流处理要求： 对所有机箱数据进行汇总、组装、本地存储和转存 将组装后的数据转换成一系列PV量 软件系统分布在RCS环上四个本地站的VME机箱控制器和控制室的DAQ上位机中，四个本地站顺时针编号1-4区 数据流处理要求： 对所有机箱数据进行汇总、组装、本地存储和转存 将组装后的数据转换成一系列PV量 将PV量发布到加速器控制系统的EPICS框架上，供调束软件使用 BPM数据获取系统结构示意图

BPM数据获取系统运行模式 运行在多种不同工作模式下： 闭轨校正工作模式 单次触发的逐束团工作模式 逐束团工作模式 束团周期20ms，T0周期40ms 每1024(可设置)个束团的测量数据作平均可得到一个COD位置信息 一个完整周期内产生约20组COD位置信息 单次触发的逐束团工作模式 在调束初期，只给单次T0触发信号 将每个束团逐个测量，并计算出每个束团的位置信息 逐束团工作模式 电子学测量一段时间(如30s）内每个束团的位置信息 在DDR2内存中记录所有束团的位置信息 数据获取软件逐个插件以DMA方式读出和处理

BPM数据获取系统机箱控制器软件设计 单机箱整体的运行控制和数据采集： 接收上位机运行控制指令，完成各类电子学插件的配置，返回配置信息 接收取数指令，启动BROC的T0时钟信号，等待BROC的中断信号 响应BROC中断信号，DMA方式读出多个BPME电子学插件数据 将读出的数据进行第一级数据组装汇总 将组装后的数据通过网络上传到上位机

BPM数据获取系统上位机软件设计 上位机对各个VME机箱进行统一的运行控制和取数管理： 通过网络连接机箱控制器、发送配置指令和取数指令、接收状态和错误返回信息 将各机箱的数据同样是按照T0编号进行组装，完成第二级数据汇总 将数据进行本地存储，同时以网络文件系统的方式转存到加速器控制系统的永久存储介质中 完成实验状态的记录，实验进程的监测，完成各类出错的处理 BPM数据获取系统功能框图

电子学COD数据格式 数据头标志位 REV 插槽物理地址 T0计数 X 方向位置信息 Y方向位置信息) …… Y方向位置信息 数据尾标志位 状态信息 数据长度 电子学COD数据格式

DAQ两级数据组装 每个机箱各自将8个BPME插件的数据按照T0编号组装：追加T0号、头标志、总数据长度等信息 机箱控制器数据头标志 机箱号 机箱控制器数据长度 T0 Rerserver2 电子学COD数据包 机箱级数据格式 上位机数据头标志 机箱个数 T0 上位机数据总长度 时间信息 Reserver1 Reserver2 机箱控制器数据包 上位机接收四个机箱的数据按T0编号组装：追加T0号，头标志、数据总长度、时间信息等信息 系统级数据格式

BPM数据格式设计 配置信息的发送和状态返回与取数使用了不同的网络I/O 配置信息采用固定长度数据包 机箱启动后，机箱控制器软件自动运行，等待上位机发送配置信息 机箱控制器接收配置信息后对各个插件进行配置 工作模式 放大器增益模式 触发模式 触发延迟 触发阈值 波形窗口大小 DDR2的深度 COD起始求均值点 单个COD点平均的计数点值 通道号 多T0读出个数 Reserve1 Reserve2 配置信息数据格式

状态和错误返回数据格式 配置状态和错误返回数据采用固定长度数据包 配置正常完成或者异常出错都会将信息进行上报 配置状态和错误数据格式头标志 机箱编号 配置成功的BROC个数 配置成功的BPME个数 配置成功BPME插槽位置 Reservers1 Reserver2 配置状态和错误返回数据格式 取数状态和错误数据格式头标志 机箱号 机箱控制器状态和错误返回数据长度 Reserver1 Reserver2 T0编号 错误类型与类型对应编号 Rerserver3 Reserve4 取数状态和错误返回数据格式采用固定长度数据包 取数完成或者出错都会将信息进行上报 取数状态和错误返回数据格式

PV量数据格式 加速器调束软件需要数据获取软件将COD模式下的位置信息以PV量形式上报 DAQ软件提供了32个束测元件 的32组PV量，每组XY方向各一个PV量，共64个PV量 1区： R1BPM01：X（n，m，……）R1BPM01：Y（n，m，……） R1BPM02：X（n，m，……）R1BPM02：Y（n，m，……） R1BPM03：X（n，m，……）R1BPM03：Y（n，m，……） R1BPM04：X（n，m，……）R1BPM04：Y（n，m，……） R1BPM05：X（n，m，……）R1BPM05：Y（n，m，……） R1BPM06：X（n，m，……）R1BPM06：Y（n，m，……） R1BPM07：X（n，m，……）R1BPM07：Y（n，m，……） R1BPM08：X（n，m，……）R1BPM08：Y（n，m，……） 2区： 3区： 4区： 左图截取1区的PV量数据格式 其中：n 表示T0计数, m表示每个T0有多少个位置数据，m后面是多个位置数据 PV量数据格式

总结 电子学检测软件完成了对各类电子学插件进行各项细致检测，帮助电子学最终定型和批量生产； 数据获取软件按照BPM整体项目需求，完成了运行控制、数据读出和数据处理等各项任务。 现有软件验证了电子学和数据获取各项技术方案的可行性，满足了目前阶段的工程需求，为最终完成与束测探头的联合测试以及现场设备的安装部署与调试做好了准备。

谢谢！