数字化束流信号处理器软件包研制
赵欢、冷用斌、赖龙伟、陈广花、刘亚娟、阎映炳*
（中国科学院上海应用物理研究所，上海 201800）
摘要：数字化束流信号处理器是大型加速器装置关键的束流测量设备，中国科学院上海应用物理研究所经过多年研制测试，相继完成国内首套数字化束流信号处理器的原理样机、工艺样机开发，现已实现批量化生产及应用，在上海光源装置（SSRF）、上海软X射线自由电子激光实验装置（SXFEL）和大连相干光源装置（DCLS）中投入在线运行。该处理器采用嵌入式系统（ARM-LINUX）和分布式实验物理及工业控制系统（EPICS），本文将介绍实时数据处理软件包的架构与实现。
关键词：自由电子激光；束流位置信号处理器（BPM）；EPICS；DCLS；SXFEL；SSRF
1.	引言
数字化束流信号处理器（DBPM）是加速器装置关键的束流测量设备之一，应用广、数量多。国际上已有成熟的商业产品，但为了便于进行二次开发及节约设备经费，当前国际在建的主要装置如NSLS-II，LCLS-II，Swiss FEL和European XFEL都自行研制数字信号处理器并已逐步投入使用，而国内尚无自主研制的产品。在此背景条件下，上海应物所于2010年开始启动数字化束流信号处理器的研制工作，并于2012年研制成功，用于储存环的DBPM原理样机及小批量工艺样机[1-5]。之后借助自由电子激光装置项目启动的契机，确定在FEL装置中采用自主研制的信号处理器，现已攻克批量生产过程中质量控制所需的各个工艺技术难关，完善了该类处理器的整个生产测试流程，为上海应物所及我国后续大型加速器装置的研制建设奠定了坚实的技术基础，填补了我国在粒子束流诊断领域专用仪器设备研制的空白。
2.	DBPM处理器结构
DBPM处理器采用高速AD结合现场可编程门列阵（FPGA）模块完成信号的采集处理，可实现实时的复杂信号处理算法，在配置不同的核心信号处理单元后，可分别用于储存环和直线加速器的束流信号处理，具有极其广泛的应用前景。上海应物所还将在此处理器基础上，开发更多的模拟信号处理前端及数字信号处理算法，以进一步拓展其应用范围。
BPM系统如图1所示，主要由隧道内BPM探头和信号处理两部分组成，信号处理部分包括射频信号调理，模拟/数字转换（ADC），数字信号处理（一般为FPGA）和数据采集与控制。射频信号调理将BPM探头输出的宽带或窄带信号调理成适合ADC采样的中频信号；ADC模块通过设定的采样频率将中频模拟信号转换为数字信号[6]。

图1  BPM系统框图
DBPM处理器实现信号处理部分的功能，采用一体式结构，由射频子板和数字母版组成，图2为处理器的结构图。射频子板包含四通道输入，输入信号经调理后进行ADC数字化采样，采用复杂可编程逻辑器件（CPLD）进行射频板远程控制。数字母板以FPGA和ARM CPU为核心，FPGA通过开发的自触发模块，实时检测束流信号情况，在束流通过时锁存束流数据；ARM CPU通过PCIE与FPGA通讯，进行系统控制、数据采集、信号处理。
图2  处理器结构设计
3.	软件设计和实现
EPICS IOC
EPICS是基于DCS（Distributed Control System）标准模型的分布式控制软件开发和运行工具集，在上世纪90年代由美国LANL和ANL实验室为加速器及其他大型实验装置联合开发。其后，全球多个研究机构共同参与了EPICS的版本更新、设备驱动程序开发、新记录类型扩充和应用工具开发，逐渐发展为一个国际性协作组织。
基于EPICS系统的基本模型，本项目控制系统分为三层：操作员接口层（Operator Interface，OPI）、输入输出控制层（Input/Output Controller, IOC）、设备控制层（Device Control Layer），以及连接各层的计算机网络和通讯总线，系统结构如图3。

图3  EPICS系统结构
束流测量数据采集系统作为控制系统的一个重要组成部分，数字化束流信号处理器软件包将在EPICS框架下进行构建。采用Linux嵌入式IOC，运行于DBPM处理器的单板机（SBC）上，IOC结构如图4所示。IOC程序在标准Linux平台上进行开发，通过交叉编译生成可执行程序后，下装到SBC中运行。

图4  DBPM IOC结构
IOC设备驱动程序使用C++编写，选用异步驱动支持模块（asynDriver）。asynDriver是一种通用模块，连接设备特定代码和底层驱动，对基于信息流和基于寄存器的设备均适用。选用asynDriver使软件更具通用性和标准化。
IOC中主要的数据流包括系统参数、原始ADC数据和束流位置数据。IOC根据所设参数完成系统初始化和相应配置，在主定时系统提供的触发信号同步下，采集原始ADC数据，之后根据需要完成傅里叶变换（FFT）或希尔波特变换（Hilbert），幅度信息可用于单次通过型探头计算位置，相位信息可用于腔式探头计算方向。除了基本的束流位置，还可以使用通道和信号计算束流电荷量信息。实验室测试，在不进行FFT和Hilbert变换的情况下，IOC原始ADC数据（2048 x4）刷新率可以达到80Hz。图5为DBPM处理器数据流。

图5  DBPM处理器数据流
控制台软件
OPI控制台界面基于图形化的界面设计。DBPM页面使用基于EPICS的EDM(Enhanced Display Manager)工具设计。EDM具有图形化控件的界面编辑功能，直接将各种控件与控制变量关联，通过CA访问IOC中的过程变量，在编辑完成可直接启动进入运行模式。图6为DBPM控制界面。

图6  DBPM控制界面
界面中左侧区域显示波形数据，通过选择，可以显示四个通道的ADC原始波形、傅里叶变换幅度与相位、希尔波特变换幅度与相位。右下方为数值读取与参数设置区域，粉红色背景框为数值读取区，浅蓝色背景框为参数设置区。读取的数据包括各通道时域信号最大值的绝对值、从傅里叶变换幅度或希尔波特变换幅度波形中提取的通道幅值、束流位置，通道和信号、触发信号计数值等；在参数设置区可对探头的Kx、Ky、Offset；衰减系数、ADC信号检测阈值、触发模式、探头类型、ADC采样时钟等进行设置。

4.	测试及应用
目前数字化束流信号处理器已在上海光源装置（SSRF）、上海软X射线自由电子激光实验装置（SXFEL）和大连相干光源装置（DCLS）三个大型加速器上投入在线运行，共有近八十台。在运行过程中，IOC软件包的各项功能得到了充分检验，实现了长期稳定可靠的运行。
5.	总结致谢
中国科学院上海应用物理研究所经过多年研制测试，相继完成国内首套数字化束流信号处理器的原理样机、工艺样机开发，现已实现批量化生产及应用。该处理器实验室测试信噪比达到80dB，束流单次通过测试相对位置分辨率好于千分之一。在上海光源储存环上完成的束流实验结果表明，逐圈位置分辨率达到亚微米，达到光源运行的位置监测精度要求，可用于上海光源束流测量系统升级改造。在大连相干光源装置上完成的束流实验结果表明，在500pC流强下使用该处理器的条带BPM系统和腔式BPM系统分辨率分别达到4μm和0.4μm，满足该装置超高位置分辨率的设计要求，软、硬件能够长期稳定运行，整体处理器性能达到国际同类设备先进水平。
参考文献
1	易星，冷用斌，赖龙伟，等，基于软件无线电的新型数字束流位置处理器，核技术，2012,35(5)：346-351
2	赖龙伟，冷用斌，易星，等，数字束流位置信号处理算法优化，强激光与粒子束，2013，25(1)：109-113
3	赖龙伟，冷用斌，阎映炳，周伟民，数字BPM处理器的研制进展，原子能科学技术，2015，49(增刊)：607-610
4	L.W.Lai, Y.B.Leng , Y.B.Yan, et al. AN INTELLIGIENT TRIGGER ABNORMAL BEAM OPERATION MONITORING PROCESSOR AT THE SSRF[C]//Proceedings of IPAC 2015. Richmond, VA, USA: [s.n.], 2015: 978-980.
5	L.W. Lai, F.Z. Chen, J. Chen, et al. BATCH APPLICATIONS OF DIGITAL BPM PROCESSORS FROM THE SINAP[C]//Proceedings of IBIC2016, Barcelona, Spain [s.n.], 2016 
6	L.W.Lai, Y.B.Leng, Y.B.Yan, et al. DESIGN AND PERFORMANCE OF DIGITAL BPM PROCESSOR FOR DCLS AND SXFEL *///Proceedings of IPAC 2017, Copenhagen, Denmark [s.n.], 2017

The development and application of digital beam signal processor
Zhaohuan  Chenguanghua  Yan Yingbing  Leng Yongbin  Lai Longwei
(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China)
(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract:Digital beam signal processor is key beam measurement device for large-scale accelerator. After many years research and development, Shanghai Institute of Applied Physics accomplished developing the prototype of principle and engineering of first digital beam signal processor domestically. Now the processor has been achieved the mass production and application, it is widely used in the SSRF、DCLS and SXFEL. 
	This processor utilize embedded ARM-LINUX system, Distributed System EPICS to communicate. This article will introduce the structure and implementation of real-time data processing software package   
Keywords:FEL,DBPM,EPICS,DCLS,SXFEL