2024年3月24日发(作者：考令)
第８卷第１期
信 息 与 电 子 工 程
Ｖｏ１．８．Ｎｏ．１
２０１０年２月
ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｆｅｂ．，２０１０
文章编号：１６７２—２８９２（２０１ｏ）ｏＩ－０１ １４－０４
基于ＰＸＩ的分布式ＬＩＡ测控系统结构设计
王 远，李 劲，杨兴林，赖青贵
（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳６２１９００）
摘 要：介绍了直线感应加速器（ＬＩＡ）测控系统的要求、硬件结构、软件设计以及ＰＸＩ总线的
特点，重点阐述了利用ＰＸＩ设计控制系统的方法。ＰＸＩ模块的推出，为简化测控系统的部分结构提
供了可能。结合“嵌入式系统”，可简化系统的结构，提高系统性能，运用ＣＶＩ编程控制与集成相
关的设备。通过在项目中的应用测试，证明ＬＩＡ测控系统可以有效工作。
关键词：ＰＸＩ总线；直线感应加速器；控制系统
中图分类号：ＴＮ９１１．６ 文献标识码：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＰＸＩ ｆｏｒ ａ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬＩＡ
ＷＡＮＧ Ｙｕａｎ，ＬＩ Ｊｉｎ，ＹＡＮＧ Ｘｉｎｇ—ｌｉｎｇ，ＬＡＩ Ｑｉｎｇ—ｇｕｉ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ ６２ １９００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａ Ｌｉｎｅａｒ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ（ＬＩＡ）ａｒｅ
ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ＰＸＩ ｂｕｓ ａｎｄ
ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ＤＡＱ／Ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＣＩ ｅＸｔｅｎｓｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ（ＰＸＩ）ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｏｎ ｅｍｐｈａｓｉｓ．
Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ＰＸ１ ｗｉｔｈ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＬＩＡ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃａｎ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｂｙ Ｃ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ
ｌａｎｇｕａｇｅ Ｖｉｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ（ＣＶＩ）ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ．Ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｐｒｏｄｕｃｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｔｅｓｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ
Ｌｉｎｅａｒ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＣＩ ｅＸｔｅｎｓｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ；Ｌｉｎｅａｒ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
随着计算机、网络技术的发展及专用测控模块的不断开发，加速器和大型物理实验设备的测控系统也随之不
断更新，向分布式、智能化、高可靠方向发展。我国已建成的直线感应加速器（ＬＩＡ）ａｑ￣是沿着这个方向发展。ＬＩＡ
测控系统是一个基于高速局域网的分布式测控系统。但鉴于设计时的条件，系统的设备控制层用的是ＩＥＥＥ４８５
标准的现场总线，部分子系统采用协议转换器，使系统结构变得复杂，同时也影响总线数据传输率，使前端设备
与主干网间的通信也因之受影响。
ＰＸＩ总线拥有极高的数据传输能力（高达１３２ Ｍｂｙｔｅ／ｓ～５２８ Ｍｂｙｔｅ／ｓ），具有高密度、坚固外壳及高性能连接器
的特点。ＰＸＩ系统不仅具有高速采集率和任务控制功能，而且还具有功耗低、体积小、重量轻、便于维修的优点。
ＰＸＩ模块的推出，为简化ＬＩＡ测控系统的部分结构提供了可能。本文利用ＰＸＩ的功能和特点在ＬＩＡ试验平台设
计集成这种系统 ｊ。
１ ＰＸＩ模块
ＰＸＩ模块是ＮＩ公司开发的高性能模块，具备通信、信号处理和模拟／数字量的输入、输出能力。当其应用于
分布式｛贝０控系统中时，采用背板技术向上可以直接连接到符合ＴＣＰ／ＩＰ协议的Ｅｔｈｅｒｎｅｔ网络总线上，也可以连接
到ＲＳ。２３２，ＲＳ．４８５和Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ现场总线同上述任一种总线进行通信；向下经过其数字模拟Ｉ／Ｏ端口直接测控前
端设备（传感器、真空泵等）模块的自举能力，允许把该模块当作一台服务器使用，通过ＯＰＣ（Ｏｂｊｅｃｔ ｌｉｎｋ ａｎｄ ｅｍｂｅｄｄｅｄ
Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏ１）Ｓｅｒｖｅｒ或其它方式向网络系统发出通信或操作指令。
ＰＸＩ模块可以在系统指令下单独运行，完成自身的测控任务。由于模块可运行编译过的执行文件程序，开发
十分容易。而且模块带有丰富的虚拟化的设备驱动程序，一些分布式系统也在产品更新换代中配置了支持ＦＰ模
收稿日期：２００９－０５．１４；修回日期：２００９－０９－１６
第１期 王 远等：基＝Ｊ：ＰＸＩ的分布式ＬＩＡ测控系统结构设计 １１５
块的驱动程序，极大地方便了系统的集成。
ＰＸＩ模块化建立在分布式Ｉ／Ｏ系统之上，通过ＯＰＣ用户程序经过网络进行数据访问，因此，容易实现ＰＸＩ
模块和任何具备ＯＰＣ用户兼容性的软件集成。ＰＸＩ系统可以方便地使用ＬａｂＶＩＥＷ和Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｔｕｄｉｏ的可视
化界面访问。根据具体要求可选择硬件，还内置ＬａｂＶＩＥＷ嵌入式实时系统，可方便地开发嵌入式实时系统，提
高系统的实时性，可靠性【２】。此外，ＰＸＩ模块可运行于强电磁干扰的环境，为组建高可靠、抗电磁辐射干扰的强
流ＬＩＡ测控系统提供了方便ｐ Ｊ。
２ 硬件结构
ＬＩＡ运行时，首先要开启真空系统、去离子水、绝缘油循环系统，测控系统不断检测各系统运行情况；同时，
测控系统自动回检脉冲功率系统的Ｍａｒｘ发生器、Ｂｌｕｍｌｅｉｎ脉冲形成线的场畸变开关的气压状态，直至所有参数
达到预定状态。 出束实验前，测控系统开启各种仪器设备，检测安全设施，进入试验程序。出束过程中，要记录
下大量快速瞬变信号、慢信号和开关信号。出束后，测控系统恢复所有仪器，并将存储所有记录的信号【４】。
建立ＬＩＡ分布式控制系统实验平台，研制基于局域网的具有分布式特点的控制系统来实现对ＬＩＡ的控制和
管理。设置一台中央控制器，集中控制、管理各分系统，并提供试验数据的管理等功能。分系统中对于要求较高
的实时性控制，采用自举的嵌入式控制器来实现。系统中必须有完成不同功能的子系统，以强流ＬＩＡ为例，其
测控系统结构如图１所示。虚线所围部分的测控对象只涉及到模拟量、数字量Ｉ／０或开关量Ｉ／Ｏ。可以用ＰＸＩ直
接简化为图２所示的结构。很显然，简化了系统结构，提高了数据通信速率，且编程开发及系统集成的工作量大
为减少。在实验平台上，编制了ＰＸＩ模块开发的通信程序，表明系统工作正常。同时ＰＸＩ模块按指令独立控制
了前端设备，表明ＰＸＩ模块的确可以独立完成对前端设备的控制。由于恒流源设计采用４８５总线或ＧＰＩＢ总线，
恒流源和带ＧＰＩＢ接口的设备的测控，需要其它分系统来实现。
ＴＣＰ／ＩＰ ＴＣＰ，ＩＰ
Ｆｉｇ．２ Ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ
Ｆｉｇ．１ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＬＩＡ ｉｎ ｓｔｒｏｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ
ｃｏｎｔｒｏｌ ｓ￣ｔｅｍ ｗｉ也ＰＸＩ
图１强流ＬｌＡ测控系统基本结构
图２利用ＰＸＩ模块部分简化测控系统结构
３ 系统软件
总控系统通过集线器和各分系统组成局
域网。通过操作界面和控制时序调度分系统
的工作，并实时显示试验的进程和状态。３个
子系统是由ＰＸＩ模块化的分布式Ｉ／Ｏ系统组
成，用高级语言结合ＣＶＩ开发的嵌入式实时
系统。操作界面也是用高级语言结合
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｔｕｄｉｏ开发的系统。
在ＬＩＡ测控系统中，控制软件主要包括：
Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ
图３测控系统软件结构
１１６ 信息与电子工程 第８卷
油、水、气、真空等缓变信号测控；Ｍａｒｘ发生器充电及测控；束输运场励磁电流源测控；严格的时序控制，按
预定顺序准确启动相关仪器，安全联锁控制；加速电压和束流参数等快变化信号测量及其处理；实验数据存人数
据库及数据处理。相应的软件结构如图３所示。
控制软件采用ＣｏｍｐｏｎｅｎｔＷｏｒｋ，它是Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ公司开发的一组３２位ＡｃｔｉｖｅＸ控件集合。任何
支持ＡｃｔｉｖｅＸ技术的开发环境均可使用该工具包，常用的有Ｄｅｌｐｈｉ，Ｖｉｓｕａｌ Ｂ，Ｖｉｓｕａｌ ｃ＋＋和Ａｃｃｅｓｓ等。在Ｄｅｌｐｈｉ
开发环境下，控制软件使用ＣｏｍｐｏｎｅｎｔＷｏｒｋ中提供的控件集：用户界面接口、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接口、仪器控制接１：３、ＩＶＩ
接口和ＤＡＱ接口Ｉ 。目前，ＣｏｍｐｏｎｅｎｔＷｏｒｋ和ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶｌ已被集成为一个新的工具包——Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
Ｓｔｕｄｉｏ。
其次采用了面向对象设计方法。控制系统软件有如下主要功能：控制、故障诊断、数据处理和数据分析。
对加速器的控制功能前已述及，控制系统还包括对故障的诊断和处理功能。Ｍａｒｘ升压子系统可提供在升压过程
中Ｍａｒｘ自激的在线诊断功能，一旦出现自激现象，立即关断可编程电源的输出，给出错误报告；大、小恒流源
加载成功与否，直接关系到试验的成败。用ＰＸＩ模块实现几个子系统还可提供通信中断、模块损坏、断线等故
障的报警功能。因此，系统具有较完备的故障报告和处理功能。图４和图５是２０ ＭｅＶ电源控制系统和束位置测
量人机界面。
Ｆｉｇ．４ Ｈｕｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ２０ ＭｅＶ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
图４ ２０ ＭｅＶ电源控制系统人机界面
Ｆｉｇ．５ Ｈｕｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅ
图５束位置测量人机界面
４ 结论
控制系统集控制、故障诊断、数据处理和数据分析功能为一体。具有分布式特点的控制系统符合国内外加速
器控制的发展方向。基于ＰＸＩ的控制子系统，提高了系统响应速度和控制系统的效率，为以后研制大型分布式
系统奠定了技术基础。前端控制设备逐步标准化、模块化和虚拟仪器化，减小了软件开发难度，提高了系统的可
靠性。
第１期 王 远等：基于ＰＸＩ的分布式ＬＩＡ测控系统结构设计 １１７
参考文献：
【１】ＵＳＡ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ公司．ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＡＮＤ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＣＡＴＡＬＯＧ［Ｚ］．２００８．
【２ ｌ 桑楠．嵌人式系统原理及应用开发技术［Ｍ］＿北京：航天大学出版社，２００２．
【３】 王远．直线感应加速器强电磁干扰环境下的束流测量ｆＪ１．信息与电子工程，２００８，６（４）：２９７—３００．
［４】 章文卫．１０ ＭｅＶ直线感应加速器监控系统设想方案［ｃ］／／１０ ＭｅＶ直线感应加速器会议文集．１９８９
作者简介：
王 Ｊ￣（１９６５一），男，江苏省无锡市人，高 李 劲（１９７２一），男，昆明市人，高级工程师，
级工程师，主要从事加速器束参数测量及测控
从事加速器物理及应用研究．
技术研究．ｅｍａｉｌ：ｉｄｅａｗｙ＠１６３．ｃｏｒｎ．
杨兴林（１９６９一），男，四川省北川县人，高级
工程师，从事加速器测控技术研究．
赖青贵（１９７１一），男，南昌市人，高级工程师，
从事加速器测控及加速器物理研究．
一一一一一一一一一一’一一－一－一一一－一一一一一一一一一● － 一一一－一一一一一一一一一一●－一一＿一●－一’一一一一一一一一－
一一一＿＿－－－一一一一一＿ ●一－●一一一一＿一一一－＿－●
（上接第１０４页）
参考文献：
【１】丁伯南，邓建军，石金水，等．“神龙一号”直线感应电子加速器［Ｊ］．高能物理与核物理，２００５，２９（６）：６０４—６１０．
【２】 邓建军．强流脉冲电子束能谱测量技术研究［Ｊ］．强激光与粒子束，１９９３，５（３）：３５３—３５８．
ｆ ３】 吕建钦．带电粒子束光学【Ｍ】．北京：高等教育出版社，２００４．
ｆ ４】 陈思富，夏连胜，章林文，等．强流短脉冲电子束束剖面测量技术［Ｊ］．强激光与粒子束，２００３，１５（３）：２７９—２８２．
【５】李泉凤．电磁场数值计算与电磁铁设计【Ｍ１．北京：清华大学出版社，２００２．
【６］ Ｖｅｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ．Ｏｐｅｒａ－３Ｄ Ｕｓｅｒ Ｇｕｉｄｅ［Ｚ］．Ｖｅｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ，ＵＫ，２００８．
作者简介：
杨国君（１９７８一），男，四川省南充市人，
李成刚（１９７８一），男，山西晋城人，在读博士
博士，副研究员，目前从事加速器技术研究．
研究生，主要研究方向为加速器技术研究．
ｅｍａｉｌ：ｙｇｊ００＠ｍａｉｌｓ．ｔｓｉｎｇｈＨａ．ｅｄｕ．ｃｎ．
张 卓（１９７８一），女，辽宁省锦州市人，在读博
士研究生，主要研究方向为加速器技术研究．
李 勤（１９６８一），女，四川省安县人，本科，
主要研究方向为高功率技术．
2024年3月24日发(作者：考令)
第８卷第１期
信 息 与 电 子 工 程
Ｖｏ１．８．Ｎｏ．１
２０１０年２月
ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｆｅｂ．，２０１０
文章编号：１６７２—２８９２（２０１ｏ）ｏＩ－０１ １４－０４
基于ＰＸＩ的分布式ＬＩＡ测控系统结构设计
王 远，李 劲，杨兴林，赖青贵
（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳６２１９００）
摘 要：介绍了直线感应加速器（ＬＩＡ）测控系统的要求、硬件结构、软件设计以及ＰＸＩ总线的
特点，重点阐述了利用ＰＸＩ设计控制系统的方法。ＰＸＩ模块的推出，为简化测控系统的部分结构提
供了可能。结合“嵌入式系统”，可简化系统的结构，提高系统性能，运用ＣＶＩ编程控制与集成相
关的设备。通过在项目中的应用测试，证明ＬＩＡ测控系统可以有效工作。
关键词：ＰＸＩ总线；直线感应加速器；控制系统
中图分类号：ＴＮ９１１．６ 文献标识码：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＰＸＩ ｆｏｒ ａ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬＩＡ
ＷＡＮＧ Ｙｕａｎ，ＬＩ Ｊｉｎ，ＹＡＮＧ Ｘｉｎｇ—ｌｉｎｇ，ＬＡＩ Ｑｉｎｇ—ｇｕｉ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ ６２ １９００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａ Ｌｉｎｅａｒ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ（ＬＩＡ）ａｒｅ
ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ＰＸＩ ｂｕｓ ａｎｄ
ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ＤＡＱ／Ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＣＩ ｅＸｔｅｎｓｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ（ＰＸＩ）ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｏｎ ｅｍｐｈａｓｉｓ．
Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ＰＸ１ ｗｉｔｈ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＬＩＡ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃａｎ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｂｙ Ｃ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ
ｌａｎｇｕａｇｅ Ｖｉｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ（ＣＶＩ）ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ．Ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｐｒｏｄｕｃｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｔｅｓｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ
Ｌｉｎｅａｒ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＣＩ ｅＸｔｅｎｓｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ；Ｌｉｎｅａｒ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
随着计算机、网络技术的发展及专用测控模块的不断开发，加速器和大型物理实验设备的测控系统也随之不
断更新，向分布式、智能化、高可靠方向发展。我国已建成的直线感应加速器（ＬＩＡ）ａｑ￣是沿着这个方向发展。ＬＩＡ
测控系统是一个基于高速局域网的分布式测控系统。但鉴于设计时的条件，系统的设备控制层用的是ＩＥＥＥ４８５
标准的现场总线，部分子系统采用协议转换器，使系统结构变得复杂，同时也影响总线数据传输率，使前端设备
与主干网间的通信也因之受影响。
ＰＸＩ总线拥有极高的数据传输能力（高达１３２ Ｍｂｙｔｅ／ｓ～５２８ Ｍｂｙｔｅ／ｓ），具有高密度、坚固外壳及高性能连接器
的特点。ＰＸＩ系统不仅具有高速采集率和任务控制功能，而且还具有功耗低、体积小、重量轻、便于维修的优点。
ＰＸＩ模块的推出，为简化ＬＩＡ测控系统的部分结构提供了可能。本文利用ＰＸＩ的功能和特点在ＬＩＡ试验平台设
计集成这种系统 ｊ。
１ ＰＸＩ模块
ＰＸＩ模块是ＮＩ公司开发的高性能模块，具备通信、信号处理和模拟／数字量的输入、输出能力。当其应用于
分布式｛贝０控系统中时，采用背板技术向上可以直接连接到符合ＴＣＰ／ＩＰ协议的Ｅｔｈｅｒｎｅｔ网络总线上，也可以连接
到ＲＳ。２３２，ＲＳ．４８５和Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ现场总线同上述任一种总线进行通信；向下经过其数字模拟Ｉ／Ｏ端口直接测控前
端设备（传感器、真空泵等）模块的自举能力，允许把该模块当作一台服务器使用，通过ＯＰＣ（Ｏｂｊｅｃｔ ｌｉｎｋ ａｎｄ ｅｍｂｅｄｄｅｄ
Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏ１）Ｓｅｒｖｅｒ或其它方式向网络系统发出通信或操作指令。
ＰＸＩ模块可以在系统指令下单独运行，完成自身的测控任务。由于模块可运行编译过的执行文件程序，开发
十分容易。而且模块带有丰富的虚拟化的设备驱动程序，一些分布式系统也在产品更新换代中配置了支持ＦＰ模
收稿日期：２００９－０５．１４；修回日期：２００９－０９－１６
第１期 王 远等：基＝Ｊ：ＰＸＩ的分布式ＬＩＡ测控系统结构设计 １１５
块的驱动程序，极大地方便了系统的集成。
ＰＸＩ模块化建立在分布式Ｉ／Ｏ系统之上，通过ＯＰＣ用户程序经过网络进行数据访问，因此，容易实现ＰＸＩ
模块和任何具备ＯＰＣ用户兼容性的软件集成。ＰＸＩ系统可以方便地使用ＬａｂＶＩＥＷ和Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｔｕｄｉｏ的可视
化界面访问。根据具体要求可选择硬件，还内置ＬａｂＶＩＥＷ嵌入式实时系统，可方便地开发嵌入式实时系统，提
高系统的实时性，可靠性【２】。此外，ＰＸＩ模块可运行于强电磁干扰的环境，为组建高可靠、抗电磁辐射干扰的强
流ＬＩＡ测控系统提供了方便ｐ Ｊ。
２ 硬件结构
ＬＩＡ运行时，首先要开启真空系统、去离子水、绝缘油循环系统，测控系统不断检测各系统运行情况；同时，
测控系统自动回检脉冲功率系统的Ｍａｒｘ发生器、Ｂｌｕｍｌｅｉｎ脉冲形成线的场畸变开关的气压状态，直至所有参数
达到预定状态。 出束实验前，测控系统开启各种仪器设备，检测安全设施，进入试验程序。出束过程中，要记录
下大量快速瞬变信号、慢信号和开关信号。出束后，测控系统恢复所有仪器，并将存储所有记录的信号【４】。
建立ＬＩＡ分布式控制系统实验平台，研制基于局域网的具有分布式特点的控制系统来实现对ＬＩＡ的控制和
管理。设置一台中央控制器，集中控制、管理各分系统，并提供试验数据的管理等功能。分系统中对于要求较高
的实时性控制，采用自举的嵌入式控制器来实现。系统中必须有完成不同功能的子系统，以强流ＬＩＡ为例，其
测控系统结构如图１所示。虚线所围部分的测控对象只涉及到模拟量、数字量Ｉ／０或开关量Ｉ／Ｏ。可以用ＰＸＩ直
接简化为图２所示的结构。很显然，简化了系统结构，提高了数据通信速率，且编程开发及系统集成的工作量大
为减少。在实验平台上，编制了ＰＸＩ模块开发的通信程序，表明系统工作正常。同时ＰＸＩ模块按指令独立控制
了前端设备，表明ＰＸＩ模块的确可以独立完成对前端设备的控制。由于恒流源设计采用４８５总线或ＧＰＩＢ总线，
恒流源和带ＧＰＩＢ接口的设备的测控，需要其它分系统来实现。
ＴＣＰ／ＩＰ ＴＣＰ，ＩＰ
Ｆｉｇ．２ Ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ
Ｆｉｇ．１ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＬＩＡ ｉｎ ｓｔｒｏｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ
ｃｏｎｔｒｏｌ ｓ￣ｔｅｍ ｗｉ也ＰＸＩ
图１强流ＬｌＡ测控系统基本结构
图２利用ＰＸＩ模块部分简化测控系统结构
３ 系统软件
总控系统通过集线器和各分系统组成局
域网。通过操作界面和控制时序调度分系统
的工作，并实时显示试验的进程和状态。３个
子系统是由ＰＸＩ模块化的分布式Ｉ／Ｏ系统组
成，用高级语言结合ＣＶＩ开发的嵌入式实时
系统。操作界面也是用高级语言结合
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｔｕｄｉｏ开发的系统。
在ＬＩＡ测控系统中，控制软件主要包括：
Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ
图３测控系统软件结构
１１６ 信息与电子工程 第８卷
油、水、气、真空等缓变信号测控；Ｍａｒｘ发生器充电及测控；束输运场励磁电流源测控；严格的时序控制，按
预定顺序准确启动相关仪器，安全联锁控制；加速电压和束流参数等快变化信号测量及其处理；实验数据存人数
据库及数据处理。相应的软件结构如图３所示。
控制软件采用ＣｏｍｐｏｎｅｎｔＷｏｒｋ，它是Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ公司开发的一组３２位ＡｃｔｉｖｅＸ控件集合。任何
支持ＡｃｔｉｖｅＸ技术的开发环境均可使用该工具包，常用的有Ｄｅｌｐｈｉ，Ｖｉｓｕａｌ Ｂ，Ｖｉｓｕａｌ ｃ＋＋和Ａｃｃｅｓｓ等。在Ｄｅｌｐｈｉ
开发环境下，控制软件使用ＣｏｍｐｏｎｅｎｔＷｏｒｋ中提供的控件集：用户界面接口、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接口、仪器控制接１：３、ＩＶＩ
接口和ＤＡＱ接口Ｉ 。目前，ＣｏｍｐｏｎｅｎｔＷｏｒｋ和ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶｌ已被集成为一个新的工具包——Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
Ｓｔｕｄｉｏ。
其次采用了面向对象设计方法。控制系统软件有如下主要功能：控制、故障诊断、数据处理和数据分析。
对加速器的控制功能前已述及，控制系统还包括对故障的诊断和处理功能。Ｍａｒｘ升压子系统可提供在升压过程
中Ｍａｒｘ自激的在线诊断功能，一旦出现自激现象，立即关断可编程电源的输出，给出错误报告；大、小恒流源
加载成功与否，直接关系到试验的成败。用ＰＸＩ模块实现几个子系统还可提供通信中断、模块损坏、断线等故
障的报警功能。因此，系统具有较完备的故障报告和处理功能。图４和图５是２０ ＭｅＶ电源控制系统和束位置测
量人机界面。
Ｆｉｇ．４ Ｈｕｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ２０ ＭｅＶ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
图４ ２０ ＭｅＶ电源控制系统人机界面
Ｆｉｇ．５ Ｈｕｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅ
图５束位置测量人机界面
４ 结论
控制系统集控制、故障诊断、数据处理和数据分析功能为一体。具有分布式特点的控制系统符合国内外加速
器控制的发展方向。基于ＰＸＩ的控制子系统，提高了系统响应速度和控制系统的效率，为以后研制大型分布式
系统奠定了技术基础。前端控制设备逐步标准化、模块化和虚拟仪器化，减小了软件开发难度，提高了系统的可
靠性。
第１期 王 远等：基于ＰＸＩ的分布式ＬＩＡ测控系统结构设计 １１７
参考文献：
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【３】 王远．直线感应加速器强电磁干扰环境下的束流测量ｆＪ１．信息与电子工程，２００８，６（４）：２９７—３００．
［４】 章文卫．１０ ＭｅＶ直线感应加速器监控系统设想方案［ｃ］／／１０ ＭｅＶ直线感应加速器会议文集．１９８９
作者简介：
王 Ｊ￣（１９６５一），男，江苏省无锡市人，高 李 劲（１９７２一），男，昆明市人，高级工程师，
级工程师，主要从事加速器束参数测量及测控
从事加速器物理及应用研究．
技术研究．ｅｍａｉｌ：ｉｄｅａｗｙ＠１６３．ｃｏｒｎ．
杨兴林（１９６９一），男，四川省北川县人，高级
工程师，从事加速器测控技术研究．
赖青贵（１９７１一），男，南昌市人，高级工程师，
从事加速器测控及加速器物理研究．
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一一一＿＿－－－一一一一一＿ ●一－●一一一一＿一一一－＿－●
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参考文献：
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【５】李泉凤．电磁场数值计算与电磁铁设计【Ｍ１．北京：清华大学出版社，２００２．
【６］ Ｖｅｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ．Ｏｐｅｒａ－３Ｄ Ｕｓｅｒ Ｇｕｉｄｅ［Ｚ］．Ｖｅｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ，ＵＫ，２００８．
作者简介：
杨国君（１９７８一），男，四川省南充市人，
李成刚（１９７８一），男，山西晋城人，在读博士
博士，副研究员，目前从事加速器技术研究．
研究生，主要研究方向为加速器技术研究．
ｅｍａｉｌ：ｙｇｊ００＠ｍａｉｌｓ．ｔｓｉｎｇｈＨａ．ｅｄｕ．ｃｎ．
张 卓（１９７８一），女，辽宁省锦州市人，在读博
士研究生，主要研究方向为加速器技术研究．
李 勤（１９６８一），女，四川省安县人，本科，
主要研究方向为高功率技术．