劉小軍，常建軍，安 石，顧可偉

（中國科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

在蘭州重離子研究裝置（HIRFL）中，為了實現(xiàn)分離扇回旋加速器（SSC）的直線注入，以提高離子源的注入效率，研發(fā)了直線加速器（Linac），目前射頻四極場（RFQ）已經(jīng)出束，下一步工作正在進(jìn)行中。在SSC-Linac調(diào)束過程中，真空度是束流環(huán)境的重要參考，及時為調(diào)束人員提供可靠的真空度非常必要。

NI公司生產(chǎn)的CompactRIO 不僅體積較小，且堅固耐用，有很好的抗干擾能力，特別適合在環(huán)境惡劣的現(xiàn)場使用，其搭載的Vxworks系統(tǒng)使得編程更加靈活，開發(fā)周期較短。

本工作研究采用CompactRIO 9022 控制器、NI 9114 機(jī) 箱 及NI 9870RS232 串 口 模 塊來讀取SSC-Linac離子源及束運線真空度。

1 真空計簡介

SSC-Linac離子源真空計均采用INFICON 公司的TPG300，每臺真空計共有4路壓力測量通道（A1、A2、B1、B2），與上位機(jī)通過RS232串行接口進(jìn)行通信，指令格式列于表1。

表1 真空計指令格式Table 1 Format of vacuum gauge instruction

表1中：xx表示壓力測量通道，發(fā)送該指令后將測量該通道的壓力，并返回“0000”作為確認(rèn)指令，再次發(fā)送詢問指令“〈ENQ〉”時，則返回測量通道的狀態(tài)信息與壓力；“，”之前的x表示測量通道的6種狀態(tài)，當(dāng)x 為0時表示測量數(shù)據(jù)正常，為1時表示測量值在變化，為2時表示測量值超出傳感器測量范圍，為3時表示測量回路錯誤，為4時表示測量回路關(guān)閉，為5時表示沒有發(fā)現(xiàn)硬件；“，”之后是用科學(xué)計數(shù)法表示的壓力［1］。以測量B1 通道的壓力為例，首先發(fā)送PB1，并以回車符結(jié)尾，在收到確認(rèn)信息后再發(fā)送ASCII字符“〈ENQ〉”或十六進(jìn)制數(shù)“05”，返回“1，1.6E-3”，說明此時的壓力是在變化中，當(dāng)前壓力為1.6×10-3，單位可在真空計前面板手動預(yù)先設(shè)置完成。

2 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)采用NI公司生產(chǎn)的CompactRIO，它是一種小巧而堅固的工業(yè)化控制和采集系統(tǒng)，采用可重新配置I／O（RIO）FPGA 技術(shù)實現(xiàn)超高性能和可自定義功能。CompactRIO 包含一個實時控制器與可重新配置的FPGA 芯片，適用于可靠的獨立嵌入式或分布式應(yīng)用系統(tǒng)。CompactRIO 還包含熱插拔工業(yè)I／O 模塊，內(nèi)置可直接與傳感器／調(diào)節(jié)器連接的信號調(diào)理。因CompactRIO 具有低成本開放性架構(gòu)，用戶可輕松訪問到底層的硬件設(shè)備，且Compact-RIO嵌入式系統(tǒng)可使用高效的Labview 圖形化編程工具進(jìn)行快速開發(fā)［2］。

本文采用的控制器為CompactRIO 9022，在此嵌入式控制器中運行Labview Real-Time，以實現(xiàn)確定性控制、數(shù)據(jù)記錄和分析，此控制器具有533 MHz處理器，2GB 非易失性存儲介質(zhì)，256MB DDR2內(nèi)存，雙以太網(wǎng)端口，并具有嵌入式Web和文件服務(wù)器，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶連接，工作溫度范圍為0～55 ℃。機(jī)箱采用NI 9114 8插槽可重配置嵌入式機(jī)箱，在滿足現(xiàn)需功能的前提下為以后的升級或?qū)崿F(xiàn)其他I／O功能留有空間。串口模塊采用NI 9870，它帶有4個全功能的獨立RS232DTE端口，它們與系統(tǒng)中的其他模塊相隔離。每個端口均與ANSI／EIA／TIA-232標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。配置完成的硬件系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 CompactRIO 硬件系統(tǒng)Fig.1 Hardware system of CompactRIO

圖1中的機(jī)箱不僅插有串口模塊，還有3塊DI模塊及1塊DO 模塊，用來實現(xiàn)對其他數(shù)字I／O 設(shè)備的控制與狀態(tài)讀取，留有的3個空插槽作為后期備用。

3 軟件系統(tǒng)

本文所有程序均采用Labview 編寫，機(jī)箱與控制器通過FPGA 模式通信，因此需編寫FPGA 接口程序。Labview-FPGA 編程簡單易懂，無需使用VHDL語言。

現(xiàn)場需連接多臺真空計，因此串口模塊的每個端口均被使用，為此必須采用中斷模式實現(xiàn)4個串口的同時通信。以端口1通信為例：系統(tǒng)檢測到中斷1發(fā)生，在第1次循環(huán)時先發(fā)送指令PA1，表示將測量A1通道的壓力，此時真空計返回確認(rèn)信息，只要保證收到返回信息即可，無需將信息顯示，再發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)“05”，此時返回的數(shù)據(jù)通過Index Vacuum.vi將通道A1 的壓力解析出來并發(fā)送到顯示面板，第2次循環(huán)時將測量通道A2 的壓力。同理，可實現(xiàn)剩余3路端口與對應(yīng)真空計的通信。1個串口模塊共可連接4 臺真空計，可同時測量16個通道的真空壓力，程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖Fig.2 Flow chart of program

由圖2可見，首先需將CompactRIO 與串口模塊建立連接并完成初始化，根據(jù)TPG300真空計的協(xié)議格式發(fā)送指令，如果接收到返回的數(shù)據(jù)，則將其轉(zhuǎn)換為真空度并發(fā)送到用戶界面，否則返回重新初始化。

在編寫串口模塊FPGA 接口程序時，主要用到FPGA 的兩個方法節(jié)點，即寫字節(jié)和讀字節(jié)，并在每個端口設(shè)置不同的中斷。所用VI如圖3所示。

圖3 FPGA 接口程序所用VIFig.3 VIs for FPGA interface program

SSC-Linac控制系統(tǒng)的統(tǒng)一架構(gòu)為EPICS，CompactRIO 作為真空控制系統(tǒng)的IOC，需生成過程變量（PV），目前NI已經(jīng)開發(fā)出EPICS模塊，使得軟件編寫過程更加簡單。IOC程序示意圖如圖4所示。

當(dāng)建立起通道訪問服務(wù)時，WRITE PV.vi將把解析出的真空度寫入統(tǒng)一命名的PV 中，操作界面只需知道PV 名稱即可讀取真空壓力。

圖4 IOC程序示意圖Fig.4 Sketch of IOC program

4 結(jié)束語

本文采取的真空度讀取方法硬件結(jié)構(gòu)簡單，且穩(wěn)定可靠，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，機(jī)箱插槽較多，可與氣動閥等其他真空設(shè)備硬件連鎖，后期升級改造成本較低，Labview 程序與NI硬件完全兼容，且兼容EPICS架構(gòu)，不用單獨設(shè)計IOC，系統(tǒng)整體實時性、魯棒性較好。

［1］ DONDORF W.TPG300 operating instructions［M］.Germany：［s.n.］，2003.

［2］ NI公 司.產(chǎn) 品 手 冊［R／OL］.（2011-01）［2014-10］.http：∥www.ni.com／compactrio／whatis／zhs／＃h11.