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基于ZYNQ的束流损失测量系统电子学设计

曾磊 徐智虹 邱瑞阳 田建民 李芳 黄蔚玲 杨仁俊

曾磊, 徐智虹, 邱瑞阳, 等. 基于ZYNQ的束流损失测量系统电子学设计[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202537.250124
引用本文: 曾磊, 徐智虹, 邱瑞阳, 等. 基于ZYNQ的束流损失测量系统电子学设计[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202537.250124
Zeng Lei, Xu Zhihong, Qiu Ruiyang, et al. Development of Beam Loss Monitor Electronics Based on ZYNQ[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202537.250124
Citation: Zeng Lei, Xu Zhihong, Qiu Ruiyang, et al. Development of Beam Loss Monitor Electronics Based on ZYNQ[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202537.250124

基于ZYNQ的束流损失测量系统电子学设计

doi: 10.11884/HPLPB202537.250124
基金项目: 广东省自然科学基金面上项目(2024A1515010016)
详细信息
    作者简介:

    曾 磊,zengl@ihep.ac.cn

    通讯作者:

    杨仁俊,yangrenjun@ihep.ac.cn

  • 中图分类号: TL506

Development of Beam Loss Monitor Electronics Based on ZYNQ

  • 摘要: 中国散裂中子源 (CSNS)作为一台高功率强流质子加速器,其设计目标是严格控制束流损失,束流损失测量系统对加速器的设备保护、残留活化剂量控制和加速器机器调试非常重要。在CSNS一期工程中,束流损失测量系统使用NI PXIe-6358采集卡进行束流损失波形采集。在CSNS-II工程中,计划开发基于ZYNQ的新型束流损失波形采集卡替代现有的NI采集板卡。详细介绍了基于ZYNQ的束流损失测量系统的电子学构成,主要分硬件架构和软件架构两部分进行详细阐述,重点介绍了AXI总线的LINUX驱动设计、EPICS IOC开发,通过实验室功能测试实现了束损波形采集、增益控制、过阈值机器保护和EPICS PV量发布等功能,并在RCS本地站进行了带束流测试。
  • 图  1  电子学硬件架构框图

    Figure  1.  electronic hardware architecture block diagram

    图  2  前端模拟插件功能框图和实物图

    Figure  2.  functional block diagram of front-end analog circuit

    图  3  数字采集插件结构图和实物图

    Figure  3.  Functional block diagram of digital plug-in

    图  4  软件架构图

    Figure  4.  Software architecture diagram

    图  5  PL端固件框图

    Figure  5.  Block diagram of the PL-side firmware

    图  6  增益控制流程图

    Figure  6.  Gain control flowchart

    图  7  信号采集流程

    Figure  7.  Signal acquisition process

    图  8  实验室测试界面和硬件测试图

    Figure  8.  Functional test diagram

    图  9  RCS本地站测试图

    Figure  9.  Beam loss monitor diagram of the RCS local station

    表  1  国内外加速器装置束流损失测量系统架构对比

    Table  1.   CSNS BLM requirements in comparison with the SNS, ESS and LHC

    Detector
    Type
    Beam abort
    time/µs
    Electronics
    bandwidth/KHz
    Signal dynamic
    range/dB
    Min input
    currunt/pA
    Max Input
    current/µA
    Electronics
    Platform
    Digitizer Detector cable
    length/m
    CSNS ion chamber 10 50 120 200 200 PXIe 16 bit, 1 MSa/s 40~120
    SNS ion chamber 10 35&1 126 324 644 VME 16 bit, 100 kSa/s 29~31
    ESS ion chamber 10 350 128 800 2000 MTCA.4 16 bit, 100 MSa/s 60
    LHC ion chamber 89 136 50 200 VME 12 bit, 40 MSa/s 400
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    表  2  前端模拟电子学技术参数

    Table  2.   Front-end analog electronics technical parameters

    macro-pulse repetition
    frequency/Hz
    macro-pulse
    width/µs
    ADC sampling
    rate/KSa/s
    signal bandwidth/
    KHz
    gain/
    dB
    input signal
    polarity
    minimum input
    current/pA
    maximum input
    current/µA
    25 50~500 >100 50 120 Bipolar 200 200
    下载: 导出CSV

    表  3  ZYNQ采集板卡与NI PXIe6358板卡技术参数对比

    Table  3.   Digitizer technical parameters in comparison with the ZYNQ and NI

    ADC number
    of channels
    ADC sampling
    rate/KSa/s
    input signal
    bandwidth/KHz
    ADC resolution/
    bits
    input signal
    range/V
    digital I/O
    number
    DAC number
    of channels
    DAC
    resolution/bits
    DAC update
    rate/KSa/s
    ZYNQ 16 200 22.3 16 ±10 60 16 16 100
    NI PXIe6358 16 1250 1000 16 ±10 48 4 16 3300
    下载: 导出CSV
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    Chen Chang, Xu Meihang, Tian Jianmin, et al. Design and construction of the ionization chamber for CSNSBeam Loss Monitor (BLM) system [C]// Proceedings of the National Conference on Nuclear Electronics and Nuclear Detection Technology. 2010: 18-21
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-03-21
  • 修回日期:  2025-09-04
  • 录用日期:  2025-08-02
  • 网络出版日期:  2025-09-13

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