PXI平台实现同步高速多通道数据采集

二十世纪以来，同步辐射一直是科技研究最重要的光源。同步辐射装置就像一台超巨型显微镜，将研究人员带入形形色色的微观世界。研究人员可以藉由同步辐射从事物理、化学、生物、电子、材料、化工、能源、奈米技术等纯粹与应用科学研究。因此，建造同步辐射设施已成为各国高科技能力的指针。目前全球供实验用的同步辐射加速器估计至少超过七十座，同时在世界各地有更多建构同步辐射的计划正积极推动着。

同步辐射（synchrotron radiation）是由以近光速行进的电子束在受外在偏转磁铁的磁力改变运动方向时所发射的电磁波。同步加速器的结构包含电子枪或离子源、线型加速器、偏转磁铁、真空腔、RF腔、实验站等。电子或离子首先由电子枪或离子源激发产生，经直线加速器加速到接近光速，再通过输送管道进入储存环。储存环是由许多磁铁组成。粒子在储存环旋转处受到偏转磁铁作用发生偏转，并在直线段持续加速以保持动能，并在储存环中作回旋运动，同时不断发出同步光。光束路线将同步光从储存环引导出来，凭借内部精密的光学组件将同步光聚焦并选取合适波段的同步辐射送入实验站。科学研究人员在实验站测量同步辐射经过物体反射、衍射、散射及透射后的光谱或是探测物体被光子激发出的电子、离子等，来研究物体的结构性能，探索微观世界的奥秘。

图一：同步辐射设施架构

图二：同步辐射产生原理

同步辐射系统
同步辐射设备以系统分类可分为磁铁系统、电源系统、高频系统、注入与引出系统、电子冷却系统、内靶系统、真空系统、束流诊断系统、控制系统、准直与测量系统。系统架构图如下：

图三：同步辐射系统架构

以PXI量测平台实现同步辐射之应用整体系统所需要的监控I/O非常庞大，一般来说中型的同步辐射设施所用到的监测通道估计数量如下表：

若再加上高频系统、束流诊断系统以及其它子系统，则整个监测控制平台需要的监测控制通道数势必超过一万五千点甚至两万点以上，如此庞大的监测控制通道点数需要用到为数众多的数据采集卡。工作平台若采用工业计算机则将遇到插槽数量有限的瓶颈，若采用CompactPCI作为平台则无法满足大量量测控制模块间必须达到同步的要求。所以，唯有最先进的PXI量测平台技术方能同时达成支持与同步大规模量测控制模块的高端严苛需求。

在同步辐射控制系统中，因为各量测点相距甚远，所以控制系统通常是采用WEB的分布式控制系统。系统主要包括前端控制服务器和整体控制系统本身。系统结构图如下：

图四：同步辐射分布式控制系统架构

前端控制服务器用来提供对受控目标和装置的完全控制，它们可以接收命令和资料，运行算法则，向设备送出控制信号，返回设备的状态和数据，提供人机界面等。按照现场要求执行装置量测与控制。
通过网站服务器和用户浏览器，操作人员能够通过WEB形式发出指令并接收设备状态信息。同时，它能够和运行在内部网络（Intranet）上的数据库自动交换数据。

在图中，除了前端控制服务器的其余部分皆为整体控制系统本身。整体控制本身包括：网络通讯系统，数据库系统，集群服务器系统。所有系统控制和束流诊断所需的数据，都存放在整体控制数据库中，系统装置按照数据库中的命令和数据操作。这个解决方案控制所有的前端服务器，确保各个系统装置工作良好，而它也为各控制部件之间提供高速数据交换，同时为操作人员提供接口和信息。

解决方案
由凌华的PXI量测平台建构前端控制服务器成为一个分布式量测控制网，使整体系统具有统一的通讯协议、模块规范、与独立的开发环境，以尽可能避免非标准化设计所造成的问题。凌华的PXI量测产品如A/D，D/A和I/O控制模块，主要用在前端控制系统中。前端控制系统控制的对象主要包括：电子冷却装置，真空腔控制装置，内靶系统，辐射防护系统，非脉冲电源，束流诊断，加速环磁铁控制，门禁系统，供水供电等。每一对象相互之间环环相扣，需要高可靠且精密的量测控制。

一般同步辐射的软件平台基于微软的Windows技术，并采用各式的开发程序如Visual Studio、BCB、Delphi等开发。其中的核心技术包括微软的dcom/com+、DNA，好处在于有许多成熟高端的软件支持可供选择。不过，也有使用LINUX作为开发平台的，其好处在于GNU C++的高效率。无论在Windows或Linux的软件支持上，凌华都有完整且多样的驱动软件供使用者使用。