PXI平臺實現(xiàn)同步高速多通道數(shù)據(jù)采集

二十世紀以來，同步輻射一直是科技研究最重要的光源。同步輻射裝置就像一臺超巨型顯微鏡，將研究人員帶入形形色色的微觀世界。研究人員可以藉由同步輻射從事物理、化學、生物、電子、材料、化工、能源、奈米技術等純粹與應用科學研究。因此，建造同步輻射設施已成為各國高科技能力的指針。目前全球供實驗用的同步輻射加速器估計至少超過七十座，同時在世界各地有更多建構同步輻射的計劃正積極推動著。

同步輻射（synchrotron radiation）是由以近光速行進的電子束在受外在偏轉磁鐵的磁力改變運動方向時所發(fā)射的電磁波。同步加速器的結構包含電子槍或離子源、線型加速器、偏轉磁鐵、真空腔、RF腔、實驗站等。電子或離子首先由電子槍或離子源激發(fā)產生，經直線加速器加速到接近光速，再通過輸送管道進入儲存環(huán)。儲存環(huán)是由許多磁鐵組成。粒子在儲存環(huán)旋轉處受到偏轉磁鐵作用發(fā)生偏轉，并在直線段持續(xù)加速以保持動能，并在儲存環(huán)中作回旋運動，同時不斷發(fā)出同步光。光束路線將同步光從儲存環(huán)引導出來，憑借內部精密的光學組件將同步光聚焦并選取合適波段的同步輻射送入實驗站?？茖W研究人員在實驗站測量同步輻射經過物體反射、衍射、散射及透射后的光譜或是探測物體被光子激發(fā)出的電子、離子等，來研究物體的結構性能，探索微觀世界的奧秘。

圖一：同步輻射設施架構

圖二：同步輻射產生原理

同步輻射系統(tǒng)
同步輻射設備以系統(tǒng)分類可分為磁鐵系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、高頻系統(tǒng)、注入與引出系統(tǒng)、電子冷卻系統(tǒng)、內靶系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、束流診斷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、準直與測量系統(tǒng)。系統(tǒng)架構圖如下：

圖三：同步輻射系統(tǒng)架構

以PXI量測平臺實現(xiàn)同步輻射之應用整體系統(tǒng)所需要的監(jiān)控I/O非常龐大，一般來說中型的同步輻射設施所用到的監(jiān)測通道估計數(shù)量如下表：

若再加上高頻系統(tǒng)、束流診斷系統(tǒng)以及其它子系統(tǒng)，則整個監(jiān)測控制平臺需要的監(jiān)測控制通道數(shù)勢必超過一萬五千點甚至兩萬點以上，如此龐大的監(jiān)測控制通道點數(shù)需要用到為數(shù)眾多的數(shù)據(jù)采集卡。工作平臺若采用工業(yè)計算機則將遇到插槽數(shù)量有限的瓶頸，若采用CompactPCI作為平臺則無法滿足大量量測控制模塊間必須達到同步的要求。所以，唯有最先進的PXI量測平臺技術方能同時達成支持與同步大規(guī)模量測控制模塊的高端嚴苛需求。

在同步輻射控制系統(tǒng)中，因為各量測點相距甚遠，所以控制系統(tǒng)通常是采用WEB的分布式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括前端控制服務器和整體控制系統(tǒng)本身。系統(tǒng)結構圖如下：

圖四：同步輻射分布式控制系統(tǒng)架構

前端控制服務器用來提供對受控目標和裝置的完全控制，它們可以接收命令和資料，運行算法則，向設備送出控制信號，返回設備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，提供人機界面等。按照現(xiàn)場要求執(zhí)行裝置量測與控制。
通過網站服務器和用戶瀏覽器，操作人員能夠通過WEB形式發(fā)出指令并接收設備狀態(tài)信息。同時，它能夠和運行在內部網絡（Intranet）上的數(shù)據(jù)庫自動交換數(shù)據(jù)。

在圖中，除了前端控制服務器的其余部分皆為整體控制系統(tǒng)本身。整體控制本身包括：網絡通訊系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，集群服務器系統(tǒng)。所有系統(tǒng)控制和束流診斷所需的數(shù)據(jù)，都存放在整體控制數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)裝置按照數(shù)據(jù)庫中的命令和數(shù)據(jù)操作。這個解決方案控制所有的前端服務器，確保各個系統(tǒng)裝置工作良好，而它也為各控制部件之間提供高速數(shù)據(jù)交換，同時為操作人員提供接口和信息。

解決方案
由凌華的PXI量測平臺建構前端控制服務器成為一個分布式量測控制網，使整體系統(tǒng)具有統(tǒng)一的通訊協(xié)議、模塊規(guī)范、與獨立的開發(fā)環(huán)境，以盡可能避免非標準化設計所造成的問題。凌華的PXI量測產品如A/D，D/A和I/O控制模塊，主要用在前端控制系統(tǒng)中。前端控制系統(tǒng)控制的對象主要包括：電子冷卻裝置，真空腔控制裝置，內靶系統(tǒng)，輻射防護系統(tǒng)，非脈沖電源，束流診斷，加速環(huán)磁鐵控制，門禁系統(tǒng)，供水供電等。每一對象相互之間環(huán)環(huán)相扣，需要高可靠且精密的量測控制。

一般同步輻射的軟件平臺基于微軟的Windows技術，并采用各式的開發(fā)程序如Visual Studio、BCB、Delphi等開發(fā)。其中的核心技術包括微軟的dcom/com+、DNA，好處在于有許多成熟高端的軟件支持可供選擇。不過，也有使用LINUX作為開發(fā)平臺的，其好處在于GNU C++的高效率。無論在Windows或Linux的軟件支持上，凌華都有完整且多樣的驅動軟件供使用者使用。

在量測控制產品領域中，凌華提供完整且多樣化的PXI量測產品與平臺，無論在性能與規(guī)格上都相當優(yōu)越，也因此從歐洲到中國大陸的許多大型同步輻射計劃均采用凌華所提供的量測解決方案。