重離子加速器同步定時觸發系統的實現

趙 江，陳又新，黃玉珍，張華劍，吳鳳軍，閆懷海，周忠祖，高大慶

(1.中國科學院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院大學，北京 100049)

同步定時觸發系統作為同步加速器的重要組成部分，通過分發事件的方式驅動磁場電源等前端設備對離子進行加速。一般而言，同步定時觸發系統不僅要滿足一定的定時精度，還要可靠性高。在國內外，許多加速器實驗室利用第三方軟硬件平臺已實現了多種同步定時觸發系統，如基于PXIe、VME、PCI和CPCI總線的定時觸發系統。這些系統的成本高，軟硬件不易裁剪，因此它們適用于大型加速器系統。蘭州重離子加速器冷卻儲存環(HIRFL-CSR)是一種全粒子、多用途的大型同步加速器[1]，基于該系統，中國科學院近代物理研究所已成功研制了重離子腫瘤治療技術。為推廣這種技術，一種重離子治癌專用裝置正在建設中。該裝置由ECR離子源、回旋加速器、低能束運線、同步加速器、高能束運線及4個治療終端組成。與HIRFL-CSR不同的是，該裝置中大部分磁鐵電源采用基于FPGA控制器的數字電源方案。相對于模擬電源，數字電源能接收并處理數字信號，因此，數字電源進入加速器系統改變了加速器電源的測控方式。為滿足這種小型醫用加速器建設的需求，結合小型醫用加速器的粒子單一、觸發事件組合固定等特點，研制低成本、靈活、高效的同步定時觸發系統十分必要。本工作采用ALTERA公司的可編程片上技術實現一種基于可編程硬件的同步定時觸發系統。結合數字脈沖電源，對該系統進行同步觸發測試。

1 重離子同步加速

重離子同步加速器采用高頻變諧波同步加速的方式對重離子進行同步加速，是通過同步改變磁場和高頻電場頻率來實現的[2]。重離子在偏轉磁場作用下作閉合軌道運動，隨著離子能量的增加，偏轉磁場與加速離子的高頻電場頻率也同步增加[3]，這樣就可維持離子在固定軌道上的諧振加速。在諧振加速的同時，磁場電源系統提供加速偏轉磁場。其中，二極磁鐵電源、四極磁鐵電源、注引切割磁鐵電源等數以百計的電源均要同步運行。特別在加速不同能量的離子時，磁場電源要能輸出不同的電流波形。這些同步動作是由同步定時觸發系統來驅動完成的。同步定時觸發系統可通過分發不同事件的方式來實時通知磁場電源更換電流的參考波形或同步輸出電流，以加速不同離子、不同能量的束流。因此，同步定時觸發系統的可靠性、實時性、定時精確性對離子的同步加速產生重要影響。分發的不同事件表現為一系列的事件序列，在同步觸發系統的光纖網絡上實時傳輸，即同步定時觸發系統是重離子同步加速器對帶電離子進行同步加速的驅動器。

2 同步定時觸發系統設計

2.1 系統結構

重離子同步定時觸發系統作為同步加速器的組成部分，包括事件的組織、控制、傳輸、接收等環節。考慮到小型化同步加速器是一種專用、結構緊湊、可靠性高的裝置，同時為提高系統集成度，增加安全聯鎖保護功能，系統采用一種樹形結構，如圖1所示。該系統由操作軟件、事件控制器、中心扇出器、前端扇出器組成。

圖1 同步定時觸發系統

2.2 工作原理

同步定時觸發系統的主要任務是在每個加速周期內，將代表不同意義的觸發事件分發到前端設備。當重離子同步加速器的磁場電源收到觸發事件時，電源控制器根據收到的觸發事件或選擇電流參考波形、或啟動輸出電流、或不作任何動作。因此，為了使同步觸發信號以無時間差的方式同時到達多臺磁場電源端，且能區分不同離子、不同能量的電流參考波形，系統采用一種事件觸發的方式，即按加速要求定義一種定長的二進制序列(1～1 024 bit)，用以代表不同的觸發事件，送入磁場電源控制器，以指示電源執行某種動作[4]。一般情況下，觸發事件至少包含兩種：更換波形事件和同步啟動事件。在加速器運行的過程中，根據設定的順序和時間間隔，這些觸發事件周期性地被送入電源端，以進行連續加速。對HIRFL-CSR而言，這個周期通常有十幾秒。

分發事件的順序是固定的。首先，事件控制器根據加速要求先送出更換波形事件，事件經過等長光纖、中心扇出器和前端扇出器，以接近無時間差的方式到達多臺電源端。此時，電源因收到更換波形事件而選擇事件指定的波形，并開始等待，等待的時間就是設定的延時，若延時完成，事件控制器將立即送出同步啟動事件，當電源收到同步啟動事件時，系統便啟動一次加速過程。同步加速器對事件延時的精度要求高，一般要小于500 ns[5]，這由同步定時觸發系統保證。

除了用于組織觸發事件和延時，操作軟件還用于控制事件發送過程的啟動、停止及運行模式。觸發事件和延時列于表1。系統可根據加速器的要求定義事件組合，通過發送這些事件組合的方式來驅動前端控制器產生多種行為。對同步加速器而言，分發不同的事件組合意味著加速不同種類的離子或加速不同能量的離子。

表1 觸發事件和延時

3 系統實現

3.1 事件控制器

1) 硬件平臺

同步定時觸發系統的核心是事件控制器。可編程片上系統(SOPC)是一種特殊的嵌入式系統，其基于FPGA電路，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，具備軟硬件在系統可編程能力。ALTERA公司的SOPC技術，提供以NIOSII(32 bit處理器)和實時多任務操作系統為中心的軟件設計技術及豐富的IP Core，這使FPGA靈活的硬件設計與處理器的強大軟件功能有機地結合在一起，從而實現軟硬件協同設計。采用這種協同設計方法，能高效地實現事件控制器，其硬件結構如圖2所示。運用硬件描述語言把系統需要的事件控制功能轉化為SOPC的一個外圍I/O塊，即觸發模塊。這樣，NIOSII既能通過以太網(Ethernet)或通用異步收發器(UART)與上位機進行數據交互，又能通過Avalon總線與觸發模塊交互數據。NIOSII的嵌入式程序要編譯成elf格式的文件才能燒入外部FLASH，并借助外部RAM運行。

圖2 事件控制器硬件結構

2) 觸發模塊的實現

觸發模塊是事件控制器的核心功能單元，通過VHDL編程來實現，其工作原理如圖3所示。觸發模塊是通過讀寫控制寄存器并利用雙口RAM交換數據的方式工作的。根據加速要求而設置的更換波形事件、同步啟動事件及其相應的延時通過Avalon總線分別寫入事件RAM(1～1 024 bit)和延時RAM(1～1 024 bit)。邏輯控制塊是觸發模塊工作過程的控制單元，其內部的控制寄存器用于控制觸發模塊的工作方式。此外，邏輯控制塊內部的工作狀態將實時反饋到NIOSII的嵌入式程序，以便系統對觸發模塊的工作狀態進行監測。

圖3 觸發模塊的工作原理

在觸發模塊工作過程中，首先，讀取事件 RAM和延時RAM中的數據，并分別送入延時單元和移位寄存器，同時啟動移位寄存器發送第一個事件及啟動延時單元的第一個延時過程。一旦事件發送完畢且延時完成后，立即進入第二個事件的讀取、發送及延時過程，如此直至發送完最后一個事件。在最后一個觸發延時結束時，根據觸發模式(連續觸發模式或單次觸發模式)或重新進入第一個事件的發送過程，或停止發送過程。同步加速器加速時，需設置為連續觸發模式，以驅動前端設備周期性地加速帶電離子；而單次觸發模式僅用于系統測試。安全聯鎖信號是來自現場的安全保護信號，若發生安全問題，該信號能立即屏蔽觸發事件，以便快速停止加速過程。

3.2 系統軟件

1) 操作軟件

操作軟件是通過計算機對事件控制器進行監控的界面，是由VC6實現的一種基于TCP/IP協議的對話框程序，可配置到控制中心的計算機上。界面與事件控制器的通信有兩種方式：Ethernet和UART。相對于利用網頁與事件控制器進行數據交互的方式，操作軟件的數據交互方式則具備更好的靈活性和實時性，且易于實時監測事件觸發器的運行狀態。操作軟件可設置的參數為：更換波形事件、更換波形的觸發延時、同步啟動事件、同步啟動的觸發延時及加速周期；監控參數為：安全信號、事件總數、當前事件號及觸發狀態(連續觸發，單次觸發，停止)。

2) 嵌入式程序

嵌入式程序是一種在事件控制器中運行的基于NIOSII的多線程服務器程序，植入了UCOSII操作系統。該程序的主要功能是借助SOPC的以太網口(或通用異步收發器)與NIOSII處理器來對觸發模塊實時地進行數據讀寫，以便觸發模塊與上位機交互數據或命令。

3.3 事件接收

在電源端，觸發事件通過光纖進入數字控制器的事件接收單元，如圖4所示。通過硬件描述語言編程實現的事件接收單元，利用過采樣方法對事件進行接收和驗證，然后根據事件的內容向波形處理單元分別送出兩個上升沿信號：一個代表更換波形，另一個代表輸出電流。由于事件接收單元是一種可編程硬件電路，因此，事件接收的時間可得到精確控制。

圖4 事件接收單元

4 系統測試

以數字脈沖電源為觸發對象，建立同步定時觸發測試系統，并利用示波器對電源收到的觸發事件進行測試。測試中，所有光纖的長度為5 m。

4.1 同步時差

在兩臺電源上，同一觸發事件的波形如圖5中的通道1、2所示。高電平表示二進制0，低電平表示二進制1。該事件是一32 bit的二進制序列，其十六進制形式表示為(C05A0001)16。利用示波器測量通道延時的功能，在兩臺電源上測試同一事件首個上升沿的時延，結果如圖6所示。經過240 h的觸發測試，通道1與通道2時延的統計最大值為44 ns。該時差主要來自光纖上傳輸信號的抖動。此外，經測試，在390 kHz的通信時鐘下，15 m長的光纖上信號抖動小于120 ns。由于現場光纖長度不大于15 m，且系統的同步誤差要求小于500 ns，因此，15 m的光纖上信號的抖動不影響系統的同步性。

圖5 兩臺電源上的事件波形

4.2 事件間的延時誤差

將觸發事件定義為一個32 bit的二進制序列，其十六進制形式為(FFFFFFFF)16，觸發延時設為100 μs，并選擇連續觸發模式，測試事件間的延時誤差，其波形如圖7所示。事件發送時間應為一段80 μs的低電平，實際測試值在82.4～82.6 μs之間，其中有2.5 μs的固定延時。對于事件間的延時(光標a與b之間的時差)，實際測試的平均值為104.8 μs，其中有5 μs的固定延時。固定延時屬于系統延時，其值固定不變，通過數據補償方法可消除(從事件間延時中減去固定延時)。經測試，補償后事件間的延時抖動小于200 ns。此外，由于該系統基于可編程技術實現，通過改變延時RAM的數據寬度和延時時鐘，就能改變延時單位，即控制延時精度。

圖6 首個上升沿的時延

圖7 事件間的延時誤差

4.3 可靠性測試

在實驗室240 h的觸發測試過程中，該系統未出現觸發中斷或誤觸發的現象。同時，通過實驗驗證了安全聯鎖功能的可靠性，當安全聯鎖信號出現時，事件的發送過程可靠停止。

5 結論

本文基于SOPC，結合NIOSII軟件及VHDL實現了一種重離子加速器同步定時觸發系統。該系統不但使用可靠、靈活，易升級，而且可控制延時精度，能自定義觸發事件，可對觸發過程進行聯鎖保護。隨著同步加速器的小型化及磁場電源的數字化趨勢，該系統以其靈活、易升級、開發周期短、成本低等特點向小型化的同步加速器及重離子治癌等應用工程提供了切實可行的方案。

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