萬 鈞 冷用斌, 賴龍偉 陳 杰 高 波 陳方舟 陳 健 曹珊珊

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

3（中國科學(xué)院上海高等研究院 上海 201204）

目前，國內(nèi)對(duì)于自由電子激光（Free Electron Laser，F(xiàn)EL）的束流截面測量還都依靠熒光靶［1］和多絲靶［2］等傳統(tǒng)手段。這些傳統(tǒng)手段對(duì)于束流有阻擋作用，無法在不影響束流運(yùn)行的情況下完成在線測量。同時(shí)由于信號(hào)的采集使用相機(jī)，測量精度將受到影響［3］。絲掃描截面測量系統(tǒng)（Wire scanner）［4-5］是國內(nèi)外各大加速器裝置普遍采用的技術(shù)，用于半阻攔束流截面測量。作為一種常用于直線加速器束流截面測量的方法，其在國外FEL裝置：如第二代直線加速器相關(guān)光源（Linac Coherent Light Source-II，LCLS-II）［6］、瑞士自由電子激光（SwissFEL）［7］、歐洲X射線自由電子激光（European X-ray FEL，EXFEL）［8］、韓國浦項(xiàng)X射線自由電子激光（Pohang Accelerator Laboratory XFEL，PAL-XFEL）［9］等加速器裝置上應(yīng)用并取得了很好的效果。該技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用于電子束團(tuán)截面測量目前主要是中國科學(xué)院高能物理研究所的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（Beijing Electron Positron Collider，BEPC）［10］的 改 進(jìn) 項(xiàng) 目BEPC-II，該裝置將電子加速至能量為1.89 GeV，束流重復(fù)頻率為50 Hz。中國科學(xué)院高能物理研究所的中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）［11］和中國科學(xué)院近代物理研究所的加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)（Accelerator-Driven Subcritical System，ADS）［12］是將絲掃描系統(tǒng)應(yīng)用于質(zhì)子或H-離子的束團(tuán)截面測量。從整體上雖然各個(gè)加速器實(shí)驗(yàn)室在絲掃描截面測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)大致相同，但由于加速器的粒子種類、粒子能量、束團(tuán)重復(fù)頻率等參數(shù)不同，各裝置使用絲掃描系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)和工作模式存在很大不同。對(duì)于SHINE［13-14］裝置，其重復(fù)頻率可達(dá)1 MHz，電子能量達(dá)8 GeV，絲掃描截面測量系統(tǒng)應(yīng)用于SHINE，是國內(nèi)首次將該技術(shù)應(yīng)用于高重頻自由電子激光裝置，其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將面臨數(shù)據(jù)吞吐量大、探測器輸出數(shù)據(jù)同步難度高等問題。因此，國內(nèi)目前有的絲掃描截面測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)方案無法滿足需求?；谝陨显颍許HINE的建設(shè)為契機(jī)，開始自行研發(fā)用于SHINE絲掃描截面測量系統(tǒng)樣機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 背景

SHINE的絲掃描截面測量系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，大致結(jié)構(gòu)包括絲靶探測器、束損探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［15］。絲靶探測器使用LinMot直線電機(jī)帶動(dòng)裝有掃描絲的探頭，電機(jī)帶動(dòng)探頭在束流管道截面方向直線掃描運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)探頭和束流的相互接觸和分離。在絲靶探測器安裝位置的下游，裝有光電倍增管和閃爍體組成的束損探測器，探測束流和掃描絲相互作用產(chǎn)生的次級(jí)粒子。次級(jí)粒子在束損探測器中產(chǎn)生的信號(hào)稱束損信號(hào)，可以根據(jù)每一次束損信號(hào)提取出一個(gè)束損強(qiáng)度值，完成一次掃描過程中多次同步記錄束損信號(hào)并得到束損強(qiáng)度值和對(duì)應(yīng)的掃描絲位置，最后對(duì)這一列束損強(qiáng)度值和對(duì)應(yīng)的一列掃描絲位置值進(jìn)行高斯擬合即可得到束流的截面尺寸信息。

圖1 SHINE的絲掃描截面測量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of wire scanner system for SHINE

束損探測器包含：塑料閃爍體、石英光纖、光電倍增管（H10720-110）。當(dāng)束流與掃描絲碰撞發(fā)生作用產(chǎn)生的次級(jí)粒子入射閃爍體時(shí)，將沉積部分能量并激發(fā)光子，光子通過光纖進(jìn)入光電倍增管轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（稱為束損信號(hào)），該信號(hào)為脈沖信號(hào)，信號(hào)的寬度約為200 ns。對(duì)于束損探測器產(chǎn)生的束損信號(hào)采集主要需要考慮采樣時(shí)間和采樣率的選擇。為扣除本底噪聲，需要選取大于200 ns的時(shí)間窗口采集數(shù)據(jù)。為確保束損強(qiáng)度值提取的準(zhǔn)確性，要求對(duì)脈沖信號(hào)采集至少100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要高于500 MHz的采樣率對(duì)束損信號(hào)進(jìn)行采樣。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

對(duì)于掃描絲位置的測量，我們可以使用以下方式實(shí)現(xiàn)：

1）上位機(jī)通過COM端口與電機(jī)通信，發(fā)送命令字并等待電機(jī)回復(fù)內(nèi)部磁柵尺的位置測量值；2）電機(jī)控制芯片直接讀取磁柵尺讀數(shù)并存入片上的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）中，掃描結(jié)束后再把數(shù)據(jù)通過COM端口發(fā)送給上位機(jī)；3）在電機(jī)上安裝光柵尺（分辨率為2.5 μm），將光柵尺平行于電機(jī)運(yùn)行軌道固定在支架上，滑動(dòng)頭固定于電機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滑動(dòng)頭與光柵尺相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)掃描絲相對(duì)位置的測量。為了實(shí)時(shí)存儲(chǔ)掃描絲位置即光柵尺讀數(shù)，采取將光柵尺輸出信號(hào)通過Pmod接口（Peripheral Module Interface）連接現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）管腳后對(duì)信號(hào)處理的方式，通過對(duì)FPGA編程實(shí)現(xiàn)讀出電機(jī)位置測量值。

如果使用方式1），從電機(jī)控制芯片接收指令再到該芯片回復(fù)上位機(jī)位置數(shù)據(jù)，整個(gè)過程數(shù)據(jù)經(jīng)歷了多次協(xié)議轉(zhuǎn)換和編解碼的過程，這將導(dǎo)致較大的延遲（可達(dá)1 ms）和較大延遲時(shí)間抖動(dòng)，這使得同一個(gè)觸發(fā)來臨時(shí)，采集到的束損信號(hào)和掃描絲位置的數(shù)據(jù)是不同步的，最終將增大擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的束流截面尺寸的誤差，顯著降低絲掃描系統(tǒng)的分辨率。如果使用方式2），該電機(jī)控制芯片最高支持每秒鐘采集并存儲(chǔ)1 000次磁柵尺的讀數(shù)，其片上隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）大小為1 Mb，無法滿足實(shí)際測量中以1 MHz的頻率采集掃描絲位置讀數(shù)并持續(xù)約1 s的需求。而如果我們選擇方式3），采集掃描絲位置數(shù)據(jù)，可以在FPGA內(nèi)部對(duì)掃描絲位置信號(hào)進(jìn)行處理，控制其與束損探測器產(chǎn)生的束損信號(hào)保持可調(diào)的時(shí)延。這種方案數(shù)據(jù)流不需要進(jìn)行額外的協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而使得信號(hào)從產(chǎn)生到轉(zhuǎn)換成FPGA內(nèi)部信號(hào)的時(shí)間延遲變化小于1個(gè)FPGA內(nèi)部時(shí)鐘的周期，該周期遠(yuǎn)小于1 μs，實(shí)現(xiàn)同步采集束損信號(hào)和掃描絲位置。

此外，在直線加速器實(shí)際運(yùn)行中，電子束流可能會(huì)有微米量級(jí)的橫向抖動(dòng)［16］，因此即使掃描絲不動(dòng)，掃描絲與束團(tuán)的相對(duì)位置也會(huì)不斷變化，如果只測量掃描絲位置和束損信號(hào)并擬合得到的橫向截面尺寸有較大誤差，將極大地影響絲掃描系統(tǒng)的分辨率和精度。目前，SHINE裝置尚未完成建設(shè)，其束流橫向截面尺寸理論上可至20 μm，以上海軟X射線自由電子激光裝置（Shanghai Soft X-ray Free-Electron Laser，SXFEL）［17］為例，其束流橫向位置測量值的標(biāo)準(zhǔn)差約為20 μm。如圖2所示，假如SHINE裝置實(shí)際運(yùn)行時(shí)橫向截面尺寸20 μm的束流抖動(dòng)情況類似SXFEL裝置，其重復(fù)頻率為1 MHz，電機(jī)掃描速度0.5 m·s-1，則實(shí)際測得的束損信號(hào)序列為圓圈部分，與理想的束損信號(hào)序列（圖2中曲線部分）相差較大。為了更準(zhǔn)確地測量掃描絲與束團(tuán)的相對(duì)位置，我們將在絲掃描系統(tǒng)絲靶探測器的上游安裝腔式束流位置測量系統(tǒng)（Cavity Beam Position Monitor，CBPM）［18］用于測量束團(tuán)的橫向位置。CBPM的測量原理如圖3所示，對(duì)位置腔和參考腔輸出信號(hào)處理可得束團(tuán)橫向位置，采用CBPM測量到的束團(tuán)橫向位置補(bǔ)償光柵尺的測量值，可以得到更精確的掃描絲與束團(tuán)相對(duì)位置。目前根據(jù)SHINE裝置的C波段CBPM樣機(jī)研制情況［19］，該CBPM的分辨率好于1 μm，該系統(tǒng)用于圖2例子的校正，可以得到三角形部分表示的束損信號(hào)序列，滿足改善掃描絲位置測量值的需求。另外CBPM系統(tǒng)輸出信號(hào)衰減時(shí)間為200 ns，它的最佳采樣窗口約為250 ns［20］，CBPM系統(tǒng)輸出的原始信號(hào)由前端調(diào)理模塊下變頻至約為60 MHz的低中頻段（中心頻率不超過100 MHz）。

圖2 絲掃描系統(tǒng)測量值校正示意圖Fig.2 Diagram of correction for wire scanner system

圖3 CBPM的測量原理Fig.3 Measurement principle of CBPM

綜上所述，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可由射頻采集板卡和數(shù)字母版組成。射頻采集板卡對(duì)來自束損探測器和CBPM的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)字化，經(jīng)高速接插件進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理板卡，利用FPGA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、傳輸、存儲(chǔ)。光柵尺信號(hào)經(jīng)過外部接口與FPGA管腳相連接并進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。ARM處理器的應(yīng)用程序?qū)⒋娣庞趦?nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果通過以太網(wǎng)口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)供科研人員進(jìn)行分析研究。

3 系統(tǒng)開發(fā)

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示，開發(fā)內(nèi)容包括4部分：高速射頻采集板卡設(shè)計(jì)、數(shù)字母版設(shè)計(jì)、FPGA固件開發(fā)和應(yīng)用程序開發(fā)。

圖4 絲掃描數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.4 Design block diagram of data acquisition system for wire scanner

3.1 高速射頻采集板卡

高速射頻采集板卡由高速ADC模塊、外部觸發(fā)模塊、時(shí)鐘模塊和FMC（FPGA Mezzanine Card）連接器組成。高速ADC模塊共4通道，其中分別用于對(duì)來自束損探頭原始信號(hào)、經(jīng)過下變頻的CBPM位置腔X方向信號(hào)和Y方向信號(hào)以及CBPM參考腔輸出信號(hào)的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。信號(hào)輸入采用單端交流耦合方式，模擬信號(hào)經(jīng)過巴倫耦合實(shí)現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分以增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾性，并傳輸給ADC芯片。模擬輸入阻抗為50 Ω，ADC模塊使用了兩塊德州儀器公司設(shè)計(jì)的ADS54J60芯片，最高1 GHz采樣率，有效位約11.5 bit，模擬輸入帶寬1.2 GHz。外部觸發(fā)模塊支持LVTTL/LVCMOS電平輸入方式，通過板上單端轉(zhuǎn)差分電平芯片轉(zhuǎn)換成LVDS信號(hào)，連接到FMC連接器。時(shí)鐘模塊的核心部分是德州儀器公司設(shè)計(jì)的LMK04828芯片，其參考時(shí)鐘由122.88 MHz的晶振產(chǎn)生。通過對(duì)該芯片內(nèi)部寄存器的賦值來配置ADC芯片的采樣時(shí)鐘，能實(shí)現(xiàn)以晶振輸出122.88 MHz為參考的內(nèi)時(shí)鐘最高采樣率1 GHz，或使用外部采樣時(shí)鐘輸入最高采樣時(shí)鐘1 GHz。FMC連接器采用HPC形式，最多能夠支持80對(duì)LVDS（160根LVTTL/LVCMOS），80對(duì)LVDS分別從屬于三個(gè)塊（BANK）。

3.2 數(shù)字母版

數(shù)字母版由主控模塊、存儲(chǔ)模塊、外設(shè)接口、電源模塊組成。主控模塊包括Xilinx公司設(shè)計(jì)的Zynq MPSoC芯片，即支持該芯片正常工作的外圍電 路。Zynq MPSoC芯 片 分 為PS（Processing System）端和PL（Programmable Logic）端兩部分。在本設(shè)計(jì)中使用的芯片型號(hào)為ZU9EG，包括四核ARM Cortex-A53處理器、雙核Arm Cortex-R5F處理器、16 nm FinFEL+工藝的嵌入式FPGA。存儲(chǔ)模塊包括DDR4（Double-Data-Rate Fourth Generation）內(nèi)存、64 MB Quad SPI Flash、SD卡槽。其中PS端有存儲(chǔ)空間4 GB的64 bit DDR4 SODIMM（小型雙列直插式內(nèi)存模塊），PL端有存儲(chǔ)空間512 M的DDR4 SDRAM（同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存）。DDR4內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸速率為2 133 MT·s-1，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完整地存儲(chǔ)。Flash和SD卡用來存儲(chǔ)FPGA固件和應(yīng)用程序，提供Flash啟動(dòng)或SD卡啟動(dòng)兩種啟動(dòng)方式。外設(shè)接口包含USB-JTAG接口、USB-UART接口、RJ45以太網(wǎng)接插件、SFP光口、FMC連接器。電源模塊為數(shù)字母版上各芯片提供工作電源。由于各芯片需要的電壓幅度不全相同，且主控芯片啟動(dòng)時(shí)對(duì)各芯片上電順序有要求，電源分為三級(jí)：0.85 V、1.2 V和1.8 V，配合控制上電順序，確保電子學(xué)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 FPGA固件開發(fā)

在SHINE絲掃描截面測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電子學(xué)中，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)多項(xiàng)任務(wù)。主要包括ADS54J60芯片和LMK04828芯片的寄存器初始化配置；射頻子板采集數(shù)據(jù)的接收、處理、傳輸、存儲(chǔ)；用于開發(fā)過程中調(diào)試的在線邏輯分析模塊。根據(jù)任務(wù)需求對(duì)Zynq MPSoC芯片的PL端進(jìn)行固件開發(fā)，在IDE軟件Vivado平臺(tái)上使用verilog硬件描述語言編寫底層邏輯。

3.4 軟件應(yīng)用程序開發(fā)

在ARM處理器上運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，上位機(jī)可以通過網(wǎng)口登錄Linux Shell用戶登錄界面。編寫的Python腳本在Linux本地運(yùn)行，接收命令行輸入的參數(shù)，通過串口發(fā)送命令字對(duì)電機(jī)進(jìn)行初始化配置，使得電機(jī)按照預(yù)定的模式運(yùn)動(dòng)。數(shù)據(jù)處理程序由C語言開發(fā)，程序邏輯如圖5所示，負(fù)責(zé)在電機(jī)一次掃描結(jié)束后計(jì)算出束流橫向截面尺寸。

圖5 軟件應(yīng)用程序邏輯框圖Fig.5 Software application logic block diagram

4 實(shí)驗(yàn)室功能驗(yàn)證

4.1 掃描絲位置讀取

掃描絲位置的測量由安裝于電機(jī)支架上的光柵尺完成，光柵尺的滑動(dòng)頭與電機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，保持滑動(dòng)頭的運(yùn)動(dòng)方向與掃描絲運(yùn)動(dòng)方向一致，通過讀取光柵尺信號(hào)可以間接測量掃描絲的位置。

光柵尺是通過摩爾條紋原理［21］，通過光電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字方式表示位移量的高精度位移傳感器。光柵尺輸出數(shù)字信號(hào)主要包括3種：串行信號(hào)、正弦波信號(hào)和方波信號(hào)。本系統(tǒng)采用輸出A和B兩路方波信號(hào)（TTL接口輸出信號(hào)）的光柵尺，其信號(hào)如圖6所示，兩路信號(hào)A和B的相位差為90°。

圖6 光柵尺輸出信號(hào)示意圖Fig.6 Schematic diagram of grating ruler output signal

A或B信號(hào)每輸出一個(gè)方波表示光柵尺滑動(dòng)頭移動(dòng)了一個(gè)柵距，A和B的相位前后關(guān)系表示光柵尺的運(yùn)動(dòng)方向，因而可以使用FPGA對(duì)該兩路信號(hào)進(jìn)行處理，得到實(shí)時(shí)的光柵尺相對(duì)位置的讀數(shù)。根據(jù)上述光柵尺信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了狀態(tài)機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖7所示。當(dāng)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)變?yōu)镕orward時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)變?yōu)锽ack時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部計(jì)數(shù)器減1。這樣，當(dāng)FPGA接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)直接存儲(chǔ)該計(jì)數(shù)器的值即可實(shí)現(xiàn)掃描絲實(shí)時(shí)位置讀取。

圖7 讀取光柵尺信號(hào)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.7 State transition diagram for reading grating ruler signal

在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)掃描絲位置讀取進(jìn)行了測試驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中我們使用上位機(jī)發(fā)送串口命令設(shè)置電機(jī)按一定周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖8所示，對(duì)比了電機(jī)內(nèi)置磁柵尺測量結(jié)果和FPGA讀取光柵尺信號(hào)的結(jié)果。其中磁柵尺的數(shù)據(jù)率為10 Hz，而FPGA讀光柵尺則是外部輸入與SHINE重復(fù)頻率相同的觸發(fā)信號(hào)，其數(shù)據(jù)率為1 MHz。由于兩種測量方法結(jié)果一致，因此驗(yàn)證了使用FPGA讀取光柵尺信號(hào)得到同步于觸發(fā)的實(shí)時(shí)位置數(shù)值的方法是可靠的。

圖8 光柵尺信號(hào)讀取值與磁柵尺測量結(jié)果對(duì)比圖Fig.8 Comparison between results of grating ruler signal and magnescale

4.2 射頻采集板卡數(shù)據(jù)采集功能驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室使用任意波形發(fā)生器提供1 MHz的觸發(fā)信號(hào)，通過在線邏輯分析模塊（Integrated Logic Analyzer，ILA）觀察FPGA內(nèi)部信號(hào)來驗(yàn)證該系統(tǒng)采集CBPM信號(hào)和束損信號(hào)的功能。FPGA電路設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了每當(dāng)定時(shí)系統(tǒng)的觸發(fā)到來時(shí)，射頻采集板卡的4個(gè)通道數(shù)據(jù)開始通過DMA模塊存入內(nèi)存中，其相應(yīng)信號(hào)的變化如圖9所示。

圖9 ILA模塊對(duì)FPGA內(nèi)部關(guān)鍵信號(hào)抓取圖Fig.9 Collection of the key signals captured by ILA module inside FPGA

由于該型ADC的特性，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)為64位，是由4個(gè)250 MHz采樣率的ADC的采樣數(shù)據(jù)互相延遲1 ns合成。設(shè)計(jì)中每個(gè)觸發(fā)后每個(gè)通道存200個(gè)64位數(shù)值入內(nèi)存，即該絲掃描數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在1 MHz的觸發(fā)下，每個(gè)觸發(fā)可以同步采集單通道800個(gè)16位采樣點(diǎn)。將通道in1連接束損信號(hào)，通道in2連接CBPM位置強(qiáng)X方向信號(hào)，通道in3連接CBPM位置腔Y方向信號(hào)，通道in4連接CBPM參考腔信號(hào)即可獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。為了保證在觸發(fā)后的800 ns內(nèi)可以采集到有效信號(hào)，可以配置延遲線調(diào)節(jié)每個(gè)通道的延時(shí)。該方法有效的原因是束流產(chǎn)生離開電子槍的時(shí)刻即發(fā)生觸發(fā)信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換，而束流從產(chǎn)生到與掃描絲發(fā)生碰撞還需經(jīng)過固定延時(shí)約1 μs（假設(shè)電子槍距離絲掃描裝置300 m）。另外，對(duì)于不同頻率的觸發(fā)信號(hào)，單次觸發(fā)的采樣點(diǎn)數(shù)可以在軟件應(yīng)用程序內(nèi)進(jìn)行修改，通過GPIO（General-Purpose Input/Output）接口輸入配置FPGA內(nèi)AXI總線控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)可變采樣點(diǎn)數(shù)。

綜上所述，該系統(tǒng)滿足SHINE絲掃描數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求。該絲掃描樣機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在SHINE裝置的1 MHz高重頻下工作時(shí)的流程如下：首先，外部的運(yùn)動(dòng)控制模塊發(fā)送指令給直線電機(jī)，使其以一定速度前進(jìn)，與此同時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)啟動(dòng)，每當(dāng)直線加速器裝置的1 MHz觸發(fā)信號(hào)的上升沿到來時(shí)，存儲(chǔ)ADC采樣數(shù)據(jù)和光柵尺當(dāng)前位置值于PS端內(nèi)存中，當(dāng)電機(jī)完成掃描到達(dá)指定位置后數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)完畢，之后，ARM運(yùn)行應(yīng)用程序?qū)?nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并得到束流橫向截面尺寸測量值。

5 結(jié)語

本工作為SHINE絲掃描截面測量系統(tǒng)研制了專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測試達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，目前可用于SHINE絲掃描樣機(jī)的數(shù)據(jù)采集處理需求。

作者貢獻(xiàn)聲明萬鈞：負(fù)責(zé)文章的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)處理，起草撰寫以及最終版本的修訂；冷用斌：負(fù)責(zé)文章的修改和整體把握；賴龍偉：負(fù)責(zé)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案的和實(shí)驗(yàn)儀器的提供；陳杰：負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)儀器的組裝和參與實(shí)驗(yàn)；高波：負(fù)責(zé)文章資料的查閱整理并參與實(shí)驗(yàn)；陳方舟：負(fù)責(zé)文章資料的查閱整理并參與實(shí)驗(yàn)；陳健：負(fù)責(zé)文章資料的查閱和整理并參與實(shí)驗(yàn)；曹珊珊：負(fù)責(zé)文章資料的查閱和整理并參與實(shí)驗(yàn)。