第39卷第2期2019年3月
核电子学与探测技术
Nuclear Electronics&Detection Technology
Vol.39No.2
Mar.2019
王威贾文红1，郑丽芳I，王劫'
(1.中国科学院上海应用物理研究所，上海201204；2.中国科学院大学，北京100049)
摘要：针对上海光源先进实验方法中要求的微秒级同步控制精度问题，设计并实现了飞行扫描下的运动控制与数据采集系统。系统应用基于Power UMAC控制器和自行研制的五相驱动器控制步进电机运动，以及EPICS平台下应用电流计采集光电二极管读数，实现了步进电机扫描过程中与数据采集系统的精确同步。SSRF测试线站在线测试结果表明，测量得到的出射光摇摆曲线的半高宽与步进扫描测试结果的误差约为0.17%。飞行扫描同步精度达到亚微秒级，满足先进实验方法的要求。 关键词:UMAC；位置比较；飞行同步；上海光源
中图分类号：TP273+.5文献标志码：A
自2009年5月对外开放以来，上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)已成为生物、化学、材料等国内众多领域的重要研究平台，众多用户在上海光源大平台支持下取得了卓著成果⑷。随着同步辐射应用领域的拓宽，发展更多先进的实验方法已迫在眉睫。其中很多先进方法都涉及在飞行(on the fly)扫描下的光束线站设备的运动控制与探测器数据采集的同步技术，如快速扫描X射线精细结构谱(Quick-scanning X-ray Absorption Fine Structure, QXAFS)实验方法中单器能量扫描与电离室数据采集的同步⑷，单晶衍射方法中衍射仪样品圆运动与快门、CCD数据获取的同步，微束荧光成像方法中多维样品台位置扫描与光强探
收稿日期：2019-02-19
作者简介：王威(1993-)，男，山东烟台人，在读硕士研究生，研究方向为大型实验物理装置的控制。
*通讯作者：郑丽芳，女，研究员，E-mail:zhenglifang@ 。
文章编号：0258-0934(2019)2-0127-06
测、荧光计数同步⑶等。不同于以往步进(step by step)扫描中运动-停止-采集的间歇式时序逻辑，飞行扫描同步技术要求在运动不停止的前提下同步采集实验数据，即在连续扫描单器能量或者连续运动样品台的情况下同步采集探测器数据，同步精度要求达到微秒量级，这样将大幅缩短实验时间，提高实验效率。以XAFS实验为例，应用步进扫描采集一个完整图谱需要20-60min，而在相同能量段应用飞行扫描的QXAFS实验采集类似图谱只需要8s。飞行扫描同步是上海光源二期工程同步辐射实验方法的基础，将在纳米自旋与磁学、硬X射线通用谱学、中能谱学、表面衍射、纳米探针等光束线站中普遍应用。
本文设计的运动控制与数据采集系统以美国Delta Tau Data System公司生产的Power UMAC (Universal Motion and Automation Controller)控制器为基础，应用其扩展板卡ACC-24E2S控制步进电机运动，通过位置捕捉和比较功能，在电机运动到预先设定的位置时输出硬件同步信
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号，以触发并采集光电二极管数据。本系统在上海光源X光学测试线上进行了在线测试，同步触发信号精度满足先进实验方法对飞行扫描同步技术的要求。
1运动控制与数据采集系统硬件结构系统硬件结构如图1所示，运动控制器UMAC通过ACC-24E2S模块输出控制脉冲到步进电机驱动器，进而控制步进电机运动，同时计算步进电机当前位置。数据采集系
统由光电二极管、电流计、输入/输出控制器(Input Output Controller,IOC)及操作员界面(Operator Interface,OPI)计算机组成。当步进电机运动到预先设定位置后，UMAC控制器通过ACC-24E2S输出同步信号，触发电流计采集光电二极管数据。
1.1运动控制系统
1.1.1上位机
UMAC控制器的集成开发环境(Integrated Development Environment,IDE)运行在PC/ Windows系统上，具有硬件参数初始化、控制命令执行与测试、控制器当前状态监测等功能，同时提供编写、编译、调试控制程序等功能，通过局域网下装到UMAC控制器。整个控制任务在控制器内独立执行，具有实时、超快等其他控制器无可匹配性能。
1.1.2Power UMAC控制器
简易信号发生器
常规的运动控制器如美国Pro-Dex公司的MAXv系列以及Galil公司的DMC系列⑷等，必须在MVME5500或PC等外置处理器下才能工作。而Power UMAC控制器自带运行Linux 的CPU和编程指令集，将操作系统和软硬件资源无缝连接与高度集成，具有良好实时性、多任务同步执行、超快控制等强大功能。支持步进、交流伺服、直流伺服、直线等电机控制，支持绝对编码器、增量编码器、光栅尺、激光干涉仪等检测元件的反馈回读。
1.1.3ACC-24E2S
用于控制步进电机的扩展板卡，位于UMAC 村廂第二槽，拥有4通道输入/输出及位置捕捉和比较功能①，提供DAC(Digital Analog Converter)、PWM(Pulse Width modulation)、PFM(Pulse Frequency modulation)三种电路输岀信号。本文应用脉冲频率调制(PFM)电路产生的脉冲加方向信号(pulse and direction)控制步进电利谴动。
1.1.4步进电机驱动器
自行研制的SMD5002驱动器适用于五相五线步进电机，驱动电流范围为0.34-1.35A，最高可达800细分，保持电流可设定为驱动电流的10%~100%。其应用CPLD实现逻辑控制、限位开关信号处理、硬件保护等功能。
1.2数据采集系统
样品中的原子或电子经同步光照射后产生散射谱、衍射谱或吸收谱，由光电二极管、电离室或CCD等探测器探测，得到原始实验数据。尽管应用的探测器类型不同，但其中涉及的同步技术相似。本系统选用电流计采集光电二极管的读数，研究的控制与数据采集系统的同步技术具有通用性。
1.2.1光电二极管与电流计
光电二极管输出的电信号与探测到的光子
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通量即光子数成正比，其读数通过Keithley 6485电流计读入。电流计测量范围为2nA-20mA，具有内部计时触发与外部触发功能，与上层计算机之间应用RS232串口进行通信。1.2.2输入/输出控制器
运行EPICS/IOC核心控制任务，根据分布式数据库内容实施过程控制，采用串口通信读取电流表值，通过局域网将电流表值发送到操作员接口进行显示和保存。
1.2.3操作员接口
通过局域网将控制命令发送给I0C，接收来自IOC的数据、状态等信息。
真空磁悬浮列车2运动控制与数据采集系统软件设计运动控制系统软件设计包括配置硬件参数、设定PFM信号参数和步进电机运动变量、捕获电机当前位置以及与预设位置比较、实现同步触发信号输出等国。
风刀干燥机数据采集系统在EPICS(Experimental Physics and Industrial System)环境下应用streamDevice 驱动程序及实时数据库读取电流计数据。
2.1基本硬件参数
UMAC控制器基本硬件参数包括配置ACC-24E2S模块、指定控制通道，见表1。
2.2步进电机控制
UMAC控制器支持直流伺服电机、步进电机、压电陶瓷等多种电机类型控制，因此要实现对步进电机的控制，必须配置相关参数：PFM 脉冲信号输出、步进电机运动、编码器解码方式、编码器回读信号储存与预处理，见表1。
表1基本硬件参数
参数名称意义
Gatel[订
Chan[j]
Gate1[i].Chan[j].OutputMode Gatel[i].Chan[j].EncCtrl
Gate1[i].Chan[j].Pfm.a
EncTablef n].a
Motor[x]
Motor[x].ServoCtrl
Motor[x].pDac
Motor[x].pEnc
Motor[x].pEnc2
扩展板卡地址,ACC-24E2S位于第二槽，为Gatel[6]
控制通道号,j取0~3对应通道1~4
选择输出信号类型，设为3时输出PFM信号
0~7对应支持的8种编码器解码方式，设为8时不用编码器
通道j的PFM信号输出地址
控制器内保存编码器回读信号的地址
电机号，对应控制通道Chan[j]
设为1时激活电机
指定电机x读控制器信号的寄存器地址，取Gatel[6].Chan[j].Pfm.a
电机x位置环编码器冋读信号的寄存器，Motor]x].pEnc=EncTable[n].a 电机x速度环编码器回读信号的寄存器，Motor[x].pEnc2=EncTable[n].a
2.3位置捕捉、比较与同步信号输出
以等间隔距离输出同步触发为例，在步进电机连续运动过程中，当前位置捕捉、比较与输出同步触发信号的流程如图2所示，初始化涉及步进电机起始位置S o、终止位置Sj以及触发同步信号相关变量CompA和Comp A dd。CompA为起始同步信号位置,CompAdd为等间隔距离,PhaseCapt为步进电机当前位置(控制程序中应在每个变量前加上前缀Gatel[6]. Chan[j].)o
图3中上方的序列为控制器时钟脉冲，下方的序列为输出的同步触发信号，此处CompAdd设置为4，因此每隔4个时钟脉冲输出一个同步信号。
CompB用于设定同步信号高电平的宽度。
飞行扫描同步控制的关键在于触发信号的延迟时间，即控制器捕获到电机当前位置，经内部处理后，输出控制信号，到电流计被触发开始采集之间的延迟，延迟时间越短，同步精度越高，系统同步性能越好。
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图2位置比较实现流程4
status LaCro v IH 1/2003 6 47 50 PU
图3脉冲信号和同步信号放大图3的时间标尺，如图4所示，同步触 发信号相对于运动脉冲的延迟时间约400 ns, 完全满足先进实验技术微秒级同步精度的 要求。图4脉冲信号与同步信号同步精度
2.4数据采集系统
EPICS 的 streamDevice 支持字节流(byte器械消毒
stream )的通信接口，如RS232、RS488、以太网 等。在PC/Linux 下建立基于streamDevice 的 I0C 运行环境，电流计与PC 机之间RS232通 信的配置参数：波特率为57 600,7 bits 数据位， 偶校验,1个停止位。上层0P1的操作界面如图5所示，每个参数
一一对应I0C 实时数据库的记录域，选择外部触
发方式，无延迟立即触发，电流计量程采用Auto 模式，界面左上角实时显示电流表读数⑺。
图5数据采集系统界面3在线测试
本系统在上海光源X 光学测试线站(X-ray
test beamline)进行了控制、数据采集和同步触 发相关功能的在线测试，验证系统的合理性和
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有效性。单器是同步辐射光束线站的核心设备, 其重要指标是能量分辨率。加速器储存环内以 接近光速运动的电子经过二极磁铁或插入件时 在切线方向发出同步辐射光，经单器的两块 平行晶体衍射后，选出用户实验需求的单光。 光源点发散角、白光狭缝开口大小以及单器 晶体的本征宽度都将影响单器出射的单光 能量带宽。在光源点发散角稳定、狭缝开口固 定情况下，利用Si （711）分析晶体（带宽为 0.72"）⑻测量出射光的摇摆曲线，可以定量评 价单器的摇摆曲线，进而通过能量与摇摆曲 线的关系计算出单器在该能量的能量分 辨率。
测试系统如图6所示，分析晶体与单器
第二晶体成散型的（+,-）排列，从单器 DCM 出射的单光，经分析晶体反射后，被光 电二极管探测，通过电流计读入计算机。选择 能量为11.5 keV 的单光，入射到分析晶体上 的角度为0（入射光与分析晶体的夹角），通过 摇摆分析晶体测量岀射光通量与摇摆角度的关 系，表征单器出射光的摇摆曲线。系统应用 UMAC 控制器和SMD5OO2驱动器控制分析晶 体滑台上步进电机的运动，以调节e 角，同时测 量电流计读数，得到耦合了光源发散角和狭缝 开口的光子通量随o 变化的分布曲线，曲线形 状类似于单器的摇摆曲线。图6在线测试系统图
拉长虾目前X 光学测试线应用步进扫描软件控 制模式的流程为：启动步进电机运动，将分析晶 体运动到某一
角度，待电机完全停稳后，开始采 集光电二极管读数。该模式下电机位置与光电 二极管数据一一对应，测量得到的单器摇摆 曲线正确，但耗费时间相对较长。本系统采用 步进电机连续运动并等间隔同步触发一次数据 采集，测量得到的数据与步进扫描测量结果如 图7所示。步进扫描下电流计读数随0分布曲 线的 半高宽（Full Width at Half Maximum , FWHM ）为27.612", 3次飞行扫描测量所得分 布曲线的FWHM 如表2所示，与步进扫描结果 相比,RMS 值为0.218，相对于步进扫描的平均 误差约为0.17%。该误差在合理范围内，验证 了本系统的正确性。
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