SSC-Linac离子源及束运线真空度读取方法

刘小军，常建军，安 石，顾可伟

（中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000）

在兰州重离子研究装置（HIRFL）中，为了实现分离扇回旋加速器（SSC）的直线注入，以提高离子源的注入效率，研发了直线加速器（Linac），目前射频四极场（RFQ）已经出束，下一步工作正在进行中。在SSC-Linac调束过程中，真空度是束流环境的重要参考，及时为调束人员提供可靠的真空度非常必要。

NI公司生产的CompactRIO 不仅体积较小，且坚固耐用，有很好的抗干扰能力，特别适合在环境恶劣的现场使用，其搭载的Vxworks系统使得编程更加灵活，开发周期较短。

本工作研究采用CompactRIO 9022 控制器、NI 9114 机 箱 及NI 9870RS232 串 口 模 块来读取SSC-Linac离子源及束运线真空度。

1 真空计简介

SSC-Linac离子源真空计均采用INFICON 公司的TPG300，每台真空计共有4路压力测量通道（A1、A2、B1、B2），与上位机通过RS232串行接口进行通信，指令格式列于表1。

表1 真空计指令格式Table 1 Format of vacuum gauge instruction

表1中：xx表示压力测量通道，发送该指令后将测量该通道的压力，并返回“0000”作为确认指令，再次发送询问指令“〈ENQ〉”时，则返回测量通道的状态信息与压力；“，”之前的x表示测量通道的6种状态，当x 为0时表示测量数据正常，为1时表示测量值在变化，为2时表示测量值超出传感器测量范围，为3时表示测量回路错误，为4时表示测量回路关闭，为5时表示没有发现硬件；“，”之后是用科学计数法表示的压力［1］。以测量B1 通道的压力为例，首先发送PB1，并以回车符结尾，在收到确认信息后再发送ASCII字符“〈ENQ〉”或十六进制数“05”，返回“1，1.6E-3”，说明此时的压力是在变化中，当前压力为1.6×10-3，单位可在真空计前面板手动预先设置完成。

2 硬件系统

硬件系统采用NI公司生产的CompactRIO，它是一种小巧而坚固的工业化控制和采集系统，采用可重新配置I／O（RIO）FPGA 技术实现超高性能和可自定义功能。CompactRIO 包含一个实时控制器与可重新配置的FPGA 芯片，适用于可靠的独立嵌入式或分布式应用系统。CompactRIO 还包含热插拔工业I／O 模块，内置可直接与传感器／调节器连接的信号调理。因CompactRIO 具有低成本开放性架构，用户可轻松访问到底层的硬件设备，且Compact-RIO嵌入式系统可使用高效的Labview 图形化编程工具进行快速开发［2］。

本文采用的控制器为CompactRIO 9022，在此嵌入式控制器中运行Labview Real-Time，以实现确定性控制、数据记录和分析，此控制器具有533 MHz处理器，2GB 非易失性存储介质，256MB DDR2内存，双以太网端口，并具有嵌入式Web和文件服务器，可实现远程用户连接，工作温度范围为0～55 ℃。机箱采用NI 9114 8插槽可重配置嵌入式机箱，在满足现需功能的前提下为以后的升级或实现其他I／O功能留有空间。串口模块采用NI 9870，它带有4个全功能的独立RS232DTE端口，它们与系统中的其他模块相隔离。每个端口均与ANSI／EIA／TIA-232标准完全兼容。配置完成的硬件系统如图1所示。

图1 CompactRIO 硬件系统Fig.1 Hardware system of CompactRIO

图1中的机箱不仅插有串口模块，还有3块DI模块及1块DO 模块，用来实现对其他数字I／O 设备的控制与状态读取，留有的3个空插槽作为后期备用。

3 软件系统

本文所有程序均采用Labview 编写，机箱与控制器通过FPGA 模式通信，因此需编写FPGA 接口程序。Labview-FPGA 编程简单易懂，无需使用VHDL语言。

现场需连接多台真空计，因此串口模块的每个端口均被使用，为此必须采用中断模式实现4个串口的同时通信。以端口1通信为例：系统检测到中断1发生，在第1次循环时先发送指令PA1，表示将测量A1通道的压力，此时真空计返回确认信息，只要保证收到返回信息即可，无需将信息显示，再发送十六进制数“05”，此时返回的数据通过Index Vacuum.vi将通道A1 的压力解析出来并发送到显示面板，第2次循环时将测量通道A2 的压力。同理，可实现剩余3路端口与对应真空计的通信。1个串口模块共可连接4 台真空计，可同时测量16个通道的真空压力，程序流程图如图2所示。

图2 程序流程图Fig.2 Flow chart of program

由图2可见，首先需将CompactRIO 与串口模块建立连接并完成初始化，根据TPG300真空计的协议格式发送指令，如果接收到返回的数据，则将其转换为真空度并发送到用户界面，否则返回重新初始化。

在编写串口模块FPGA 接口程序时，主要用到FPGA 的两个方法节点，即写字节和读字节，并在每个端口设置不同的中断。所用VI如图3所示。

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

SSC-Linac控制系统的统一架构为EPICS，CompactRIO 作为真空控制系统的IOC，需生成过程变量（PV），目前NI已经开发出EPICS模块，使得软件编写过程更加简单。IOC程序示意图如图4所示。

当建立起通道访问服务时，WRITE PV.vi将把解析出的真空度写入统一命名的PV 中，操作界面只需知道PV 名称即可读取真空压力。

图4 IOC程序示意图Fig.4 Sketch of IOC program

4 结束语

本文采取的真空度读取方法硬件结构简单，且稳定可靠，具有很强的抗干扰能力，机箱插槽较多，可与气动阀等其他真空设备硬件连锁，后期升级改造成本较低，Labview 程序与NI硬件完全兼容，且兼容EPICS架构，不用单独设计IOC，系统整体实时性、鲁棒性较好。

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

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