在欧洲核子研究中心用于监测对撞机信号的LXI

最近,由于发现了希格斯玻色子,即所谓上帝粒子,欧洲核子研究组织即欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)倍受公众的注意。在日内瓦附近瑞士与法国接壤的边境地下一百米深处,欧洲核子研究中心有一台高能量对撞机在运作,探索高能物理的极限。它是研究高能物理的一座规模巨大的设施,在世界上没有其他设施能够与之相比。
对撞机有一对旋转方向相反的粒子环,粒子在四个碰撞实验点相遇,运动方向相反的粒子相互碰撞,产生信号,表示存在寿命短暂的粒子,其中包括最近发现的希格斯粒子。

人们注意的主要是在实验中捕获到的所有数据,目的是确定是不是有新的粒子。不过,监测粒子环本身也是一件极为重要的事。这是通过开放式模拟信号信息系统即OASIS系统来实现的。可以在很多位置得到对撞机监测器的信号,从而确定系统中的运作都是正常的。

像欧洲核子研究中心这样的机构,运作费用庞大,然而,必须确保它的预算等于赞助国政府(在许多国家就是纳税人)提供的财务支持,因此该系统必须经济有效。OASIS系统使用一套数字转换器来获取信号,再通过以太网系统传送给使用人员,但是数字转换器的价钱很高,而且不能每一个监测信号使用一个数字转换器。OASIS系统使用一个开关切换系统,从得到的各个信号中选择一个信号,把它显示出来。这个开关切换系统历来是用VXI,最近则采用cPCI解决方案,不过,事情正在变化。

欧洲核子研究中心的升级

欧洲核子研究中心正在对它的系统进行为期两年的重大升级,从而提高撞机的能量(几乎增大一倍),在物理学方面进行更多新的探索。对撞机现在已经关机(从2013年2月开始),以便进行计划中的升级,更多的升级将在将来进行。升级过程中有一部分是不可避免的,它要求对OASIS系统进行升级。

要监测的信号对开关切换系统提出了一些挑战。欧洲核子研究中心的结论是,他们希望,在每位置,能够从最多达104个信号中最多选择16个进行数字化。模拟信号包含的频率高达很多兆赫兹,而且不同监测器输出的信号频率的差别可能相当大。这就要求严格限制各个通道之间允许的串音,带宽也受到限制。如果选择了一个高电平信号源产生的信号,同时在不同通道选择了一个低电平信号源,大信号会串到较小的信号上,会让操作人员弄不清楚。

欧洲核子研究中心的另一个重要问题是对撞机的规模极为庞大,你不能够在一个适当的时间之内从一个地点到走另一个地点──在隧道里,甚至配备了自行车来加快在不同地点之间的交通。不论用什么办法来解决问题,远距离管理是一项基本的要求。

设计一个新的OASIS开关系统

欧洲核子研究中心找皮克林接口公司想办法,在计划的升级中安装一个新的开关切换系统。基本的要求是开关矩阵的频带宽度为几十兆赫兹,行列数则多达104×16。经过讨论,大家都明白,不论如何实现,串音是一个重大问题,而且,需要的开关矩阵规模庞大,因而很难用传统的方法来解决这个问题,在性能方面达到目的,并且符合财务预算的要求。

很明显,开关矩阵的成本必须明显地低于为每个模拟信号安排一个数字转换器的方案。首选的平台是工业计算机中的PCI,但是非常明显,它是固定式PCI模块化结构,不适合于这类开关切换系统,对于cPCI和PXI也存在同样的问题。

图1 根据欧洲核子研究中心的要求,需要一个开关矩阵,把最多达104个模拟信号源连接到多达16个数字转换器上。

要实现这种高性能的开关矩阵,需要确定最终解决方案的外形尺寸──并且不能使用任何会被人看作是固定式模块化的方案。我们需要用一种模块化的方法,因而开关矩阵系统的规模可以扩展和缩小,因为不同位置需要行列数不同的开关矩阵──在一个地点 可能需要一个64×16的开关矩阵,而在另一个位置可能需要104×16的开关矩阵。由于传感器的数量会改变,通道的数量会增加、会减少,对系统的要求会随着时间的推移而改变。这些强烈地说明,需要一个专有的可扩展的模块化方案,模块的行列数必须符合开关矩阵的设计要求。这一切鼓励着皮克林接口公司对LXI这个方案作了调研,因为LXI的规模大小是可以随意确定的。

LXI方案

对于欧洲核子研究中心,LXI有一些重大的优势,他们的系统大部份已经使用以太网来连接数据,所以用LXI来管理开关矩阵不是问题。用 LXI进行控制也意味着欧洲核子研究中心可以通过他们的网络来了解开关矩阵的状态,不需要通过访问LXI产品的网络服务器来干预控制器。

在讨论期间提出的另一个问题是,在对撞机上进行的实验是规模大而且昂贵的操作,欧洲核子研究中心希望的最后一件事是,如果开关矩阵中有一个开关出现故障,监控操作不能进行,那么,需要把它找出来。欧洲核子研究中心知道皮克林接口公司已经在LXI和PXI中实现了自检功能(称为BIRST),他们要求在开关切换系统中加入某种自检功能,而且,在理想的情况下,因为开关需要用同轴连接器,自检测试必须能够把输入和输出连接到无电源供电的信号源/负载。对于OASIS系统来说,能够远程启动和运行自检测试,也是一个强有力的工具。

图2 模块化48×16宽带开关矩阵机箱65-110,把它的抽屉拉出来,就可以插入或者拔出插件。

送到欧洲核子研究中心的解决方案是65-110模块化宽带开关矩阵。开关切换矩阵使用的底盘有一个专用的模拟总线系统。可以把一组插件安装到机箱中,左边是Y轴连接16个信号,送往数字转换器。一组X轴插件则连接模拟信号输入,一个插件模块连接8路模拟输入信号。X轴插件的数目可以从只有一个(X轴插连接8 个信号)增加到13个(×轴连接104个信号),这样,用户可以用这个机箱建立所需要的任何规模的开关矩阵。在机箱中没有安装第二个Y轴插件模块,这样可以建立Y = 8系统──虽然欧洲核子研究中心有没有具体要求这种配置,但是其他用户可能会发现这是一个优势,如果他们需要规模小一些的系统的话。用这样的设计,用户完全可以自己进行配置,插件模块可以实际地安装上去和取下来,而LXI控制器中的固件能够识别配置,并且修改可用的矩阵规模,以配合安装上去的插件模块。LXI标准大力鼓励皮克林接口公司使用基于Web的软前面板的功能,用这种软面板,可以对开关矩阵进行无人控制。

图3 65-110的软面板可以通过LXI配置页面进行访问,用它控制或监控开关矩阵的设置。LXI控制器把开关矩阵作为一个单一的实体,极大地简化了用户对设置的理解。

这个开关矩阵是一个模块式解决方案,但模块的规模大小可以增加或者减少,这是为适合实际应用的需要,而不是为了遵守某个标准。65-110的插件和模拟总线系统必须非常仔细地进行设计,确保它有很好的射频性能,特别是串音,从而满足实际应用的需要。在一个典型的配置中,射频带宽高于300MHz,在很大程度上这是由于要求串音小,并且具有极好的电压驻波比。

和许多现代仪器一样,模块与LXI控制器之间的通讯是通过一个PCIe接口在内部进行,而LXI控制器则把它“虚拟化”为一个单一的矩阵,于是,LXI控制器使得使用人员对矩阵进行编程的工作变得更容易。由于LXI控制器,对使用者,开关矩阵看起来是一个整体,而不是一组单独的组件(模块),把开关系统的复杂性都隐藏起来了。它看上去就像一台台式仪器,而不是模块化仪器。

该设计使用模拟总线,它位于插件模块的下面,而不是在插件的后面。模块化系统通常都是这样设计的──在开关矩阵中,把X轴和Y轴信号线安排成互相垂直则更有道理,这样做可以改善串音和隔离。这是LXI的一个特点──对于模块的大小和模拟总线的放置,并无特别的限制,所以,皮克林接口公司能够设计出模块化结构的开关矩阵,以适应信号切换的需要。

图4 65-110的Web界面可以通过标准的LXI 配置页面很方便地访问自检设备。

65-110中包含有自检设施,它能够检查所有的信号路径,找出失效的继电器(闭路,开路或者高电阻的继电器)。该设计使用低电平信号,所以,不需要把用户的连接断开,就可以运行自检测试功能(对100根以上已经连接好的同轴引线,这是一个耗费大量时间的工作,考虑到距离,也是不实际的)。自检测试可以通过与LXI兼容的Web界面启动,不需要使用外部控制器程序,因而使用人员可以身处距离开关矩阵数公里之外的地方,不必在近傍。使用人员只需要启动自检测试,嵌入式LXI控制器就会运行自检测试,测试结果可以在Web界面上看到,或者作为一个文件交给使用人员。

皮克林接口公司的LXI产品还包含监视器设施,这样,使用人员可以利用图形来显示开关矩阵的设置,不需要用任何程序访问开关矩阵──LXI系统可以很容易建立含有多个控制器的系统。可以用一个控制器来设置开关,用另一个控制器来监视开关做了什么设置,这样就不会扰乱编程的进行。

总结

一个要求性能很高、开关很复杂、需要很容易进行远程访问的开关切换系统,是很难设计的。欧洲核子研究中心对开关切换系统的要求说明,为什么LXI能提供了一个极好的平台。欧洲核子研究中心在运行下一轮能量越来越高的对撞实验中,65-110作为OASIS系统一部分,它在LXI方面的功能将得到充分的利用。

参考文献:

如果你想了解欧洲核子研究中心进行粒子对撞实验的情况,可以在他们的网站找到更多材料,下面的链接提供的是供公众了解的信息:
http://home.web.cern.ch/about/updates/2013/04/animation-shows-lhc-data-processing
http://home.web.cern.ch/about/engineering
http://home.web.cern.ch/about/accelerators
https://project-oasis.web.cern.ch/project-oasis/

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