重离子加速器同步定时触发系统的实现

赵 江，陈又新，黄玉珍，张华剑，吴凤军，闫怀海，周忠祖，高大庆

(1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049)

同步定时触发系统作为同步加速器的重要组成部分，通过分发事件的方式驱动磁场电源等前端设备对离子进行加速。一般而言，同步定时触发系统不仅要满足一定的定时精度，还要可靠性高。在国内外，许多加速器实验室利用第三方软硬件平台已实现了多种同步定时触发系统，如基于PXIe、VME、PCI和CPCI总线的定时触发系统。这些系统的成本高，软硬件不易裁剪，因此它们适用于大型加速器系统。兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)是一种全粒子、多用途的大型同步加速器[1]，基于该系统，中国科学院近代物理研究所已成功研制了重离子肿瘤治疗技术。为推广这种技术，一种重离子治癌专用装置正在建设中。该装置由ECR离子源、回旋加速器、低能束运线、同步加速器、高能束运线及4个治疗终端组成。与HIRFL-CSR不同的是，该装置中大部分磁铁电源采用基于FPGA控制器的数字电源方案。相对于模拟电源，数字电源能接收并处理数字信号，因此，数字电源进入加速器系统改变了加速器电源的测控方式。为满足这种小型医用加速器建设的需求，结合小型医用加速器的粒子单一、触发事件组合固定等特点，研制低成本、灵活、高效的同步定时触发系统十分必要。本工作采用ALTERA公司的可编程片上技术实现一种基于可编程硬件的同步定时触发系统。结合数字脉冲电源，对该系统进行同步触发测试。

1 重离子同步加速

重离子同步加速器采用高频变谐波同步加速的方式对重离子进行同步加速，是通过同步改变磁场和高频电场频率来实现的[2]。重离子在偏转磁场作用下作闭合轨道运动，随着离子能量的增加，偏转磁场与加速离子的高频电场频率也同步增加[3]，这样就可维持离子在固定轨道上的谐振加速。在谐振加速的同时，磁场电源系统提供加速偏转磁场。其中，二极磁铁电源、四极磁铁电源、注引切割磁铁电源等数以百计的电源均要同步运行。特别在加速不同能量的离子时，磁场电源要能输出不同的电流波形。这些同步动作是由同步定时触发系统来驱动完成的。同步定时触发系统可通过分发不同事件的方式来实时通知磁场电源更换电流的参考波形或同步输出电流，以加速不同离子、不同能量的束流。因此，同步定时触发系统的可靠性、实时性、定时精确性对离子的同步加速产生重要影响。分发的不同事件表现为一系列的事件序列，在同步触发系统的光纤网络上实时传输，即同步定时触发系统是重离子同步加速器对带电离子进行同步加速的驱动器。

2 同步定时触发系统设计

2.1 系统结构

重离子同步定时触发系统作为同步加速器的组成部分，包括事件的组织、控制、传输、接收等环节。考虑到小型化同步加速器是一种专用、结构紧凑、可靠性高的装置，同时为提高系统集成度，增加安全联锁保护功能，系统采用一种树形结构，如图1所示。该系统由操作软件、事件控制器、中心扇出器、前端扇出器组成。

图1 同步定时触发系统

2.2 工作原理

同步定时触发系统的主要任务是在每个加速周期内，将代表不同意义的触发事件分发到前端设备。当重离子同步加速器的磁场电源收到触发事件时，电源控制器根据收到的触发事件或选择电流参考波形、或启动输出电流、或不作任何动作。因此，为了使同步触发信号以无时间差的方式同时到达多台磁场电源端，且能区分不同离子、不同能量的电流参考波形，系统采用一种事件触发的方式，即按加速要求定义一种定长的二进制序列(1～1 024 bit)，用以代表不同的触发事件，送入磁场电源控制器，以指示电源执行某种动作[4]。一般情况下，触发事件至少包含两种：更换波形事件和同步启动事件。在加速器运行的过程中，根据设定的顺序和时间间隔，这些触发事件周期性地被送入电源端，以进行连续加速。对HIRFL-CSR而言，这个周期通常有十几秒。

分发事件的顺序是固定的。首先，事件控制器根据加速要求先送出更换波形事件，事件经过等长光纤、中心扇出器和前端扇出器，以接近无时间差的方式到达多台电源端。此时，电源因收到更换波形事件而选择事件指定的波形，并开始等待，等待的时间就是设定的延时，若延时完成，事件控制器将立即送出同步启动事件，当电源收到同步启动事件时，系统便启动一次加速过程。同步加速器对事件延时的精度要求高，一般要小于500 ns[5]，这由同步定时触发系统保证。

除了用于组织触发事件和延时，操作软件还用于控制事件发送过程的启动、停止及运行模式。触发事件和延时列于表1。系统可根据加速器的要求定义事件组合，通过发送这些事件组合的方式来驱动前端控制器产生多种行为。对同步加速器而言，分发不同的事件组合意味着加速不同种类的离子或加速不同能量的离子。

表1 触发事件和延时

3 系统实现

3.1 事件控制器

1) 硬件平台

同步定时触发系统的核心是事件控制器。可编程片上系统(SOPC)是一种特殊的嵌入式系统，其基于FPGA电路，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，具备软硬件在系统可编程能力。ALTERA公司的SOPC技术，提供以NIOSII(32 bit处理器)和实时多任务操作系统为中心的软件设计技术及丰富的IP Core，这使FPGA灵活的硬件设计与处理器的强大软件功能有机地结合在一起，从而实现软硬件协同设计。采用这种协同设计方法，能高效地实现事件控制器，其硬件结构如图2所示。运用硬件描述语言把系统需要的事件控制功能转化为SOPC的一个外围I/O块，即触发模块。这样，NIOSII既能通过以太网(Ethernet)或通用异步收发器(UART)与上位机进行数据交互，又能通过Avalon总线与触发模块交互数据。NIOSII的嵌入式程序要编译成elf格式的文件才能烧入外部FLASH，并借助外部RAM运行。

图2 事件控制器硬件结构

2) 触发模块的实现

触发模块是事件控制器的核心功能单元，通过VHDL编程来实现，其工作原理如图3所示。触发模块是通过读写控制寄存器并利用双口RAM交换数据的方式工作的。根据加速要求而设置的更换波形事件、同步启动事件及其相应的延时通过Avalon总线分别写入事件RAM(1～1 024 bit)和延时RAM(1～1 024 bit)。逻辑控制块是触发模块工作过程的控制单元，其内部的控制寄存器用于控制触发模块的工作方式。此外，逻辑控制块内部的工作状态将实时反馈到NIOSII的嵌入式程序，以便系统对触发模块的工作状态进行监测。

图3 触发模块的工作原理

在触发模块工作过程中，首先，读取事件 RAM和延时RAM中的数据，并分别送入延时单元和移位寄存器，同时启动移位寄存器发送第一个事件及启动延时单元的第一个延时过程。一旦事件发送完毕且延时完成后，立即进入第二个事件的读取、发送及延时过程，如此直至发送完最后一个事件。在最后一个触发延时结束时，根据触发模式(连续触发模式或单次触发模式)或重新进入第一个事件的发送过程，或停止发送过程。同步加速器加速时，需设置为连续触发模式，以驱动前端设备周期性地加速带电离子；而单次触发模式仅用于系统测试。安全联锁信号是来自现场的安全保护信号，若发生安全问题，该信号能立即屏蔽触发事件，以便快速停止加速过程。

3.2 系统软件

1) 操作软件

操作软件是通过计算机对事件控制器进行监控的界面，是由VC6实现的一种基于TCP/IP协议的对话框程序，可配置到控制中心的计算机上。界面与事件控制器的通信有两种方式：Ethernet和UART。相对于利用网页与事件控制器进行数据交互的方式，操作软件的数据交互方式则具备更好的灵活性和实时性，且易于实时监测事件触发器的运行状态。操作软件可设置的参数为：更换波形事件、更换波形的触发延时、同步启动事件、同步启动的触发延时及加速周期；监控参数为：安全信号、事件总数、当前事件号及触发状态(连续触发，单次触发，停止)。

2) 嵌入式程序

嵌入式程序是一种在事件控制器中运行的基于NIOSII的多线程服务器程序，植入了UCOSII操作系统。该程序的主要功能是借助SOPC的以太网口(或通用异步收发器)与NIOSII处理器来对触发模块实时地进行数据读写，以便触发模块与上位机交互数据或命令。

3.3 事件接收

在电源端，触发事件通过光纤进入数字控制器的事件接收单元，如图4所示。通过硬件描述语言编程实现的事件接收单元，利用过采样方法对事件进行接收和验证，然后根据事件的内容向波形处理单元分别送出两个上升沿信号：一个代表更换波形，另一个代表输出电流。由于事件接收单元是一种可编程硬件电路，因此，事件接收的时间可得到精确控制。

图4 事件接收单元

4 系统测试

以数字脉冲电源为触发对象，建立同步定时触发测试系统，并利用示波器对电源收到的触发事件进行测试。测试中，所有光纤的长度为5 m。

4.1 同步时差

在两台电源上，同一触发事件的波形如图5中的通道1、2所示。高电平表示二进制0，低电平表示二进制1。该事件是一32 bit的二进制序列，其十六进制形式表示为(C05A0001)16。利用示波器测量通道延时的功能，在两台电源上测试同一事件首个上升沿的时延，结果如图6所示。经过240 h的触发测试，通道1与通道2时延的统计最大值为44 ns。该时差主要来自光纤上传输信号的抖动。此外，经测试，在390 kHz的通信时钟下，15 m长的光纤上信号抖动小于120 ns。由于现场光纤长度不大于15 m，且系统的同步误差要求小于500 ns，因此，15 m的光纤上信号的抖动不影响系统的同步性。

图5 两台电源上的事件波形

4.2 事件间的延时误差

将触发事件定义为一个32 bit的二进制序列，其十六进制形式为(FFFFFFFF)16，触发延时设为100 μs，并选择连续触发模式，测试事件间的延时误差，其波形如图7所示。事件发送时间应为一段80 μs的低电平，实际测试值在82.4～82.6 μs之间，其中有2.5 μs的固定延时。对于事件间的延时(光标a与b之间的时差)，实际测试的平均值为104.8 μs，其中有5 μs的固定延时。固定延时属于系统延时，其值固定不变，通过数据补偿方法可消除(从事件间延时中减去固定延时)。经测试，补偿后事件间的延时抖动小于200 ns。此外，由于该系统基于可编程技术实现，通过改变延时RAM的数据宽度和延时时钟，就能改变延时单位，即控制延时精度。

图6 首个上升沿的时延

图7 事件间的延时误差

4.3 可靠性测试

在实验室240 h的触发测试过程中，该系统未出现触发中断或误触发的现象。同时，通过实验验证了安全联锁功能的可靠性，当安全联锁信号出现时，事件的发送过程可靠停止。

5 结论

本文基于SOPC，结合NIOSII软件及VHDL实现了一种重离子加速器同步定时触发系统。该系统不但使用可靠、灵活，易升级，而且可控制延时精度，能自定义触发事件，可对触发过程进行联锁保护。随着同步加速器的小型化及磁场电源的数字化趋势，该系统以其灵活、易升级、开发周期短、成本低等特点向小型化的同步加速器及重离子治癌等应用工程提供了切实可行的方案。

参考文献：

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