上海光源數(shù)字化束流位置信號(hào)處理器測試平臺(tái)研制

陳方舟 賴龍偉 閻映炳 冷用斌

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

上海光源數(shù)字化束流位置信號(hào)處理器測試平臺(tái)研制

陳方舟1,2賴龍偉1閻映炳1冷用斌1

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

數(shù)字化束流位置信號(hào)處理器(Digital Beam Position Monitor Processor, DBPM)是上海光源自主研發(fā)作為束流位置監(jiān)測(Beam Position Monitor, BPM)的主要設(shè)備。針對(duì)DBPM電子學(xué)處理器產(chǎn)品化測試需求開發(fā)了一套基于MATLAB和程控技術(shù)的自動(dòng)化測試平臺(tái)，用于處理器批量測試驗(yàn)收和性能評(píng)估。平臺(tái)使用Agilent MXG信號(hào)源和一分四功分器模擬4路真實(shí)探頭信號(hào)，經(jīng)過處理器采集處理后被上位機(jī)接收。測試儀器的設(shè)置和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取，整個(gè)系統(tǒng)是基于客戶端和服務(wù)器架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。采用物理實(shí)驗(yàn)與工業(yè)控制系統(tǒng)(Experimental Physics and Industrial Control System, EPICS)的通道訪問LabCA接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。目前該測試平臺(tái)已經(jīng)成功應(yīng)用于大連自由電子激光裝置和上海軟X射線自由電子激光裝置的DBPM處理器驗(yàn)收測試，處理器幅頻響應(yīng)曲線，不同衰減下模數(shù)變換器(Analog to Digital Converter, ADC)噪聲水平測試、衰減步長一致性、通道間串?dāng)_及信噪比測試結(jié)果均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

MATLAB，數(shù)字化束流位置信號(hào)處理器，物理實(shí)驗(yàn)與工業(yè)控制系統(tǒng)，程控技術(shù)，上海光源

束流位置是加速器的重要參數(shù)之一，束流位置測量(Beam Position Monitor, BPM)對(duì)加速器的狀態(tài)判斷和性能評(píng)估具有重要意義。高能束流運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生純橫電磁場(Transverse Electric and Magnetic Field, TEM)，當(dāng)束流偏離真空室中心則耦合出的束流的電磁場將被調(diào)制，由此可得到束流位置信息[1]。束流位置測量系統(tǒng)是粒子加速器的重要診斷設(shè)備，它不僅能檢測束流在加速器真空軌道中的運(yùn)行位置，還能導(dǎo)出加速器運(yùn)行過程中的束流頻譜、工作點(diǎn)、色散函數(shù)、橫向阻尼時(shí)間、β振蕩相差等重要參數(shù)。隨著各種類型加速器發(fā)展，BPM信號(hào)處理器得到了快速的發(fā)展，經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字化、智能化和一體化的三個(gè)主要階段，分辨率逐步提高，逐圈分辨率達(dá)到亞微米水平[1?4]。

數(shù)字束流位置信號(hào)處理器(Digital Beam Position Monitor Processor, DBPM)是近年來加速器束流診斷領(lǐng)域中發(fā)展起來的最新技術(shù)之一。由于它應(yīng)用了高速數(shù)字化技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，簡化了整套電子學(xué)架構(gòu)，使加速器束流診斷系統(tǒng)性能大大提高[3?6]。

上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)束測組自主研發(fā)的基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)和精簡指令集機(jī)器(Advanced RISC Machine, ARM)的一體化DBPM 數(shù)字信號(hào)處理器，是國內(nèi)首臺(tái)研制成功的BPM信號(hào)處理器，其與國外同類產(chǎn)品的性能指標(biāo)持平[6]，現(xiàn)階段已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化量產(chǎn)，并承接了大連化學(xué)物理研究所的大連自由電子激光裝置和中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所的上海光源自由電子激光裝置的束流位置測量工程[5]。在生產(chǎn)的每批次處理器正式投入使用前，需要對(duì)其各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行電子學(xué)測試驗(yàn)收，從而保證處理器的加工可靠和性能穩(wěn)定，為此要搭建一個(gè)自動(dòng)高效的測試平臺(tái)。

圖1為基于軟件無線電架構(gòu)的DBPM處理器的原理框圖。探頭采集到的束流位置信號(hào)在射頻信號(hào)調(diào)理模塊完成信號(hào)調(diào)理，處理后的信號(hào)在模數(shù)變換器(Analog to Digital Converter, ADC)模塊完成數(shù)字化，數(shù)字化采集后的信號(hào)在基于 FPGA的數(shù)字處理器中通過信號(hào)處理算法完成信號(hào)處理，整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由集成了物理實(shí)驗(yàn)與工業(yè)控制系統(tǒng)(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)軟件的 ARM-Linux 進(jìn)行系統(tǒng)控制[6?8]。

圖1 SSRF DBPM原理框圖Fig.1 Functional block diagram of DBPM at SSRF.

1 測試平臺(tái)需求分析

DBPM數(shù)字信號(hào)處理器的信號(hào)調(diào)理及數(shù)據(jù)采集由射頻信號(hào)調(diào)理模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成。射頻(Radio Frequency, RF)信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)中心頻率500MHz、帶寬約為10 MHz的信號(hào)完成濾波和增益控制；基于放大器和數(shù)控衰減器組成的增益控制電路為處理器提供了高達(dá)32 dB的動(dòng)態(tài)范圍；基于聲表面波和離散元器件的濾波器完成抗混疊濾波[6?9]。為檢測DBPM 處理器電子學(xué)性能是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，本測試平臺(tái)要求實(shí)現(xiàn)RF信號(hào)調(diào)理模塊與ADC模塊的基本測試功能。

1.1 幅頻響應(yīng)測試

DBPM 電子學(xué)工作在帶通欠采樣的模式下，SSRF加速器RF頻率是為499.654 MHz，依此設(shè)計(jì)的 DBPM 處理器電子學(xué)理想的工作頻率是500MHz，理想的通帶區(qū)間在490?510 MHz。測試電子學(xué)的通帶行為將測試區(qū)間定在480?520 MHz。選擇合適的步長需要在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段的調(diào)試過程中綜合考慮測試數(shù)據(jù)采集的循環(huán)周期及循環(huán)次數(shù)。最后固定好信號(hào)源的輸出幅度，按照選擇的步長和頻率區(qū)間掃頻并將獲取到的數(shù)據(jù)做功率譜密度分析，從而得到射頻電路模塊的頻譜響應(yīng)曲線。

1.2 線性度測試

ADC的信噪比與輸入信號(hào)幅度有關(guān)。因此，在RF信號(hào)調(diào)理模塊中使用由放大器和衰減器組成的增益控制電路調(diào)節(jié)信號(hào)幅值。對(duì)增益控制電路的測試包括了各通道增益步長一致性和噪聲衰減一致性測試。

1.3 ADC信噪比測試

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊完成了信號(hào)從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，ADC轉(zhuǎn)換精度直接影響處理器性能，其中ADC的信噪比更直接關(guān)系到處理器的分辨率。在測試過程中使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生讓 ADC臨界飽和幅度的輸入信號(hào)評(píng)估了 ADC模塊的信噪比能否滿足BPM信號(hào)處理器的需求；同時(shí)為了充分評(píng)估在不同束流狀態(tài)下的信噪比表現(xiàn)，通過改變信號(hào)源輸出功率的大小以及通過數(shù)控衰減器調(diào)節(jié)增益控制，對(duì)中心頻率500 MHz頻點(diǎn)做了全面測試。

2 系統(tǒng)測試平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

該平臺(tái)主要由射頻信號(hào)源、功分器、交換機(jī)、待測處理器及上位機(jī)構(gòu)成，利用網(wǎng)絡(luò)接口以及TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元之間的通信。用射頻信號(hào)源、功分器構(gòu)成的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)模擬儲(chǔ)存環(huán)束流信號(hào)，基于Linux平臺(tái)的EPICS IOC作為DBPM參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集工具，同樣在基于Linux操作系統(tǒng)的上位機(jī)中運(yùn)行MATLAB測試腳本進(jìn)行DBPM電子學(xué)性能的測試。

DBPM處理器上集成了上海光源束測組自主開發(fā)的基于EPICS的在線數(shù)據(jù)分析軟件包。EPICS soft IOC實(shí)現(xiàn)DBPM電子學(xué)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問和RF前端功能模塊設(shè)置[9?11]。

可編程儀器的標(biāo)準(zhǔn)命令(Standard Commands of Programmable Instruments, SCPI)是測量儀器程控命令的重要標(biāo)準(zhǔn)，定義控制可編程測試測量儀器的標(biāo)準(zhǔn)語法和命令。該標(biāo)準(zhǔn)沒有定義物理接口，綜合本測試平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的緊湊性設(shè)計(jì)原則，采用基于TCP/IP協(xié)議的程控技術(shù)操控信號(hào)源。SCPI與編程手段和程序語言無關(guān)，MATLAB可以完成SCPI命令的傳遞。

由射頻信號(hào)源和微波器件搭建信號(hào)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生模擬BPM探頭的4路輸出信號(hào)，采用SSRF束測組自主開發(fā)的EPICS IOC負(fù)責(zé)DBPM內(nèi)部參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)在MATLAB中通過 TCP/IP協(xié)議發(fā)送 SCPI命令，利用程控技術(shù)完成主機(jī)對(duì)測試儀器信號(hào)源的配置及主測試程序開發(fā)，通過交換機(jī)和TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)儀器間的互聯(lián)通信。

2.1 測試平臺(tái)的軟件架構(gòu)

圖2 軟件架構(gòu)示意圖Fig.2 Software architecture of the platform.

EPICS通道訪問客戶端和服務(wù)器端運(yùn)行在不同的平臺(tái)上，測試程序調(diào)用由 Stanford開發(fā)的基于MATLAB的LabCA library通道訪問客戶端函數(shù)用于客戶端和服務(wù)器端的相互訪問。圖2是測試平臺(tái)的軟件架構(gòu)示意圖。DBPM通過交換機(jī)與上位機(jī)相連，上位機(jī)通過EPICS通道訪問完成對(duì)DBPM處理器參數(shù)的設(shè)置，同時(shí)處理器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)處理。另外，基于網(wǎng)絡(luò)的通信模式使測試系統(tǒng)易于移植到其他類似處理器的驗(yàn)收測試中。

2.2 測試平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

測試平臺(tái)的具體搭建如圖3所示，基于Linux操作系統(tǒng)的上位機(jī)搭載EPICS IOC和MATLAB；待測 DBPM 處理器上運(yùn)行面向測試開發(fā)的 EPICS OPI，處理器基于ARM架構(gòu)并且搭載了Linux嵌入式操作系統(tǒng)；測試信號(hào)是由Angilent MXG N5181A射頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生RF頻率附近的正弦信號(hào)；信號(hào)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)由Mini-Circuits ZFSC-4-1-S功分器和電纜組成，信號(hào)經(jīng)過該網(wǎng)絡(luò)得到4路模擬BPM探頭pick up信號(hào)；MERCURY 8口10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)交換機(jī)連接各儀器形成小型局域網(wǎng)。

圖3 DBPM測試平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Block diagram of DBPM test platform.

2.3 測試程序流程圖

圖4是測試的軟件流程示意圖，主要包括上位機(jī)和信號(hào)源的自檢和初始化、設(shè)置測試參數(shù)及執(zhí)行測試、紀(jì)錄測試結(jié)果并生成測試報(bào)告。系統(tǒng)重置 4個(gè)模塊。

自動(dòng)測試主程序：包含各測試子項(xiàng)目、測試模型、測試數(shù)據(jù)及波形保存路徑。

批處理腳本文件：根據(jù)自動(dòng)測試主程序所設(shè)置的一系列參數(shù)生成可以自動(dòng)測試的腳本文件。

自動(dòng)生成測試報(bào)告：將采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及通過 MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并將處理后的波形整合在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。

測試功能模塊主要包括：幅頻響應(yīng)測試，通過程控技術(shù)使信號(hào)源輸出頻率范圍為480?520 MHz，步長為0.5 MHz的信號(hào)饋入DBPM處理器中，根據(jù)處理器讀取值繪制幅頻響應(yīng)曲線。

ADC噪聲水平的測試：通過斷開DBPM處理器與信號(hào)源之間的連接，設(shè)置DBPM處理器不同增益下處理器讀取值來評(píng)估噪聲水平。

通道串?dāng)_測試：通過逐一接通A、B、C、D信號(hào)，獲取在單一通道信號(hào)輸入狀態(tài)下，4路通道讀取值來評(píng)估通道間串?dāng)_。

圖4 DBPM測試系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 Software flow pattern of DBPM.

信噪比測試：控制信號(hào)源產(chǎn)生不同幅度的信號(hào)，在不同增益下的讀數(shù)，參考 ADC噪聲水平模塊的測試結(jié)果，信噪比計(jì)算公式：

式中：RADC是信號(hào)源輸入 DBPM 處理器讀取值；Rnoise是ADC噪聲水平測試時(shí)讀取值。根據(jù)式(1)可計(jì)算得到不同信號(hào)強(qiáng)度及不同增益下 DBPM 處理器信噪比熱圖。

3 實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果

測試平臺(tái)已完成大連相干光源(Dalian Coherent Light Source, DCLS)工程的20臺(tái)DBPM處理器的驗(yàn)收測試，完成每臺(tái)DBPM的噪聲水平、信號(hào)串?dāng)_、幅頻響應(yīng)、信噪比等測試僅需20 min，比人工手動(dòng)測試節(jié)約一半的時(shí)間。測試平臺(tái)如圖5所示，包含信號(hào)源、上位機(jī)、交換機(jī)和待測DBPM處理器。

自動(dòng)測試程序測試并保存了20臺(tái)DBPM的原始測試數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)測試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析并保存測試報(bào)告。圖6是自動(dòng)生成的DCLS工程中編號(hào)為 UD-BI:CBPM-DA-6的 DBPM處理器測試報(bào)告，包含了噪聲水平、信號(hào)串?dāng)_、幅頻響應(yīng)測試、信噪比熱圖等重要信息。由圖6可以看出，DBPM電子學(xué)噪聲水平和信號(hào)串?dāng)_都處在較低的水準(zhǔn)，帶通濾波器通帶性能達(dá)到預(yù)期狀態(tài)，信噪比可以滿足有效位12位的要求。

圖5 硬件測試現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.5 Photograph of the hardware test platform.

圖6 UD-BI:CBPM-DA-6 DBPM性能測試結(jié)果(a) 不同衰減下噪聲水平測試，(b) 增益線性一致性測試，(c) 幅頻響應(yīng)測試，(d) 信噪比熱圖測試Fig.6 Performance test results of UD-BI:CBPM-DA-6 DBPM.(a) Noise levels under different attenuation tests, (b) Gain linear consistency test,(c) Amplitude response test, (d) Signal to noise ratio thermal graph test

圖7 (a)是20臺(tái)機(jī)器的頻譜響應(yīng)匯總，頻譜特征顯示在RF頻點(diǎn)附近濾波器的通帶表現(xiàn)良好。通過圖像發(fā)現(xiàn)20臺(tái)測試機(jī)器在505 MHz附近都出現(xiàn)頻譜表現(xiàn)不穩(wěn)定的特性，可以排除儀器設(shè)備生產(chǎn)加工過程部分器件虛焊等缺陷造成的影響，分析可能原因是在 DBPM 設(shè)計(jì)過程中元器件的選型或電路板設(shè)計(jì)方面引入的誤差，對(duì)以后的器件選擇和電路優(yōu)化提供改良方向。

圖7(b)是20臺(tái)DBPM電子學(xué)信噪比性能測試中得到的最大值和最小值。可知DBPM信噪比表現(xiàn)良好，考慮到模擬輸入信號(hào)是由高精度高性能的信號(hào)源產(chǎn)生的潔凈信號(hào)，同時(shí)信號(hào)進(jìn)入DBPM后不經(jīng)過放大衰減模塊不會(huì)引入新的噪聲，最終信噪比表現(xiàn)可以高達(dá)65 dB；而當(dāng)輸入信號(hào)幅值小，需要經(jīng)過放大衰減模塊就會(huì)引入新噪聲的話，信噪比表現(xiàn)會(huì)下降到33 dB左右。

圖7 20臺(tái)DBPM電子學(xué)RF模塊頻譜響應(yīng)曲線(a)和ADC模塊信噪比范圍(b)Fig.7 Spectral response curve (a) and SNR range of ADC module (b) of 20 DBPM RF modules.

4 結(jié)語

本文提出的測試平臺(tái)采用通用 PC、Agilent公司MXG信號(hào)源和交換機(jī)共同構(gòu)建實(shí)現(xiàn)。本測試平臺(tái)基于MATLAB和程控技術(shù)，PC端的MATLAB 負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和信號(hào)的后處理和分析。引入EPICS IOC和MATLAB LabCA library進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，規(guī)避了針對(duì)待測件硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)，從而使系統(tǒng)具有了一定的重用性，只要采用相應(yīng)的IOC和設(shè)備支持模塊，本測試平臺(tái)可順利移植到其他支持程控技術(shù)的儀器測試。

測試結(jié)果表明，DBPM處理器的主要性能均達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)，可用于處理器批量測試，為及早發(fā)現(xiàn)處理器可能存在的問題提供了很好的工具。同時(shí)測試發(fā)現(xiàn)的不足也為后續(xù) DBPM 處理器的硬件設(shè)計(jì)方案優(yōu)化、軟件算法優(yōu)化和相關(guān)功能模塊的進(jìn)一步完善提供了方向。

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Development of a test platform for digital beam position monitor processor at SSRF

CHEN Fangzhou1,2LAI Longwei1YAN Yingbing1LENG Yongbin1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: To satisfy the requirements of digital beam position monitor in Dalian coherent light source(DCLS) and Shanghai X-ray free-electron laser (SXFEL), over 200 digital beam position monitor processors (DBPM)have been developed at Shanghai synchrotron radiation facility (SSRF). Purpose: This study aims to develop an automatic test platform for the device acceptance test and performance evaluation of these DBPMs. Methods:Based on MATLAB and standard commands for programmable instruments (SCPI), a signal is produced by the Agilent signal source MXG N5181A to simulate the real beam signal. Experimental physics and industrial control system (EPICS) is adopted as the network control system to integrate instruments test commands and experimental data are transferred via a router. EPICS LabCA is used to realize the data acquisition channel access interface. Results& Conclusion: The platform has been successfully used to test the noise level, crosstalk between channels, amplitude frequency response and signal noise ratio (SNR) of all DBMPs at both DCLS and SXFEL automatically.

MATLAB, DBPM, EPICS, SCPI, SSRF

CHEN Fangzhou, female, born in 1994, graduated from University of Science and Technology of China in 2014, doctoral student, focusing on signal and information processing

LAI Longwei, E-mail: lailongwei@sinap.ac.cn

date: 2017-06-30, accepted date: 2017-09-18

TL506.6

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.110102

國家自然科學(xué)基金(No.11375255、No.11305253)資助

陳方舟，女，1994年出生，2014年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，現(xiàn)為博士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)樾盘?hào)與信息處理

賴龍偉，E-mail: lailongwei@sinap.ac.cn

2017-06-30，

2017-09-18

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