基于EPICS及虚拟仪器技术的Libera测试系统研制

    Libera 是 Instrumentation Technologies 公司(斯洛文尼亚)推出的数字 BPM 处理器，它采用直接射频采样的数字接收机技术^[1]：从 BPM 探头来的射频束流位置信号经前端模拟通道滤波和放大后进行直接射频采样，由数字模块进行后续中频数字信号处理，得到的宽带和窄带数据经缓冲后在网络传输层发布，用于系统调试、机器研究和反馈控制。由于采用了 4 通道信号处理结构，Libera 可以同时支持高带宽和低带宽测量，同时由于通道间不一致性和非线性，测量重复性、流强依赖性、填充模式依赖性和温度稳定性比较差，Libera 引入数字信号调理(Digital Signal Conditioning)模块来消除这些缺陷。Libera 系统原理图如图 1 所示。

    EPICS(Experimental Physics and Industrial Con-trol System，实验物理及工业控制系统)是 20 世纪90 年代发展起来的分布式控制系统的软件运行和开发环境，典型的 EPICS 系统由管理层(OPI)、前端输入输出控制层及局域网和设备控制层组成，其核心是输入输出控制层。控制系统中的设备控制、状态和测量值监控以及各种控制算法和操作均由运行于每台输入输出控制器(IOC)中的运行数据库(Runtime Database)完成，分布式控制系统中管理层与输入输出控制层之间的通信以及不同IOC间的访问由 EPICS 的通道访问机制(Channel Access)实现^[3]。虚拟仪器(Virtual Instrument)是计算机技术和仪器技术相结合产生的一种创新的仪器设计思想，借助数据采集板卡获取真实世界的被测信号，由通用计算机上的软件负责实现数据采集的控制、信号处理、数据分析和显示，实现了面向用户需求的仪器功能。与传统仪器技术相比，虚拟仪器技术突出了“软件就是仪器”的思想，丰富和增强了传统仪器的功能，更利于搭建面向用户需求的复杂测试系统^[4]。

    1 测试系统原理

    图 2 是测试系统的原理框图，整个系统由主控机(Main Computer)、输入输出控制器(IOC)、测试仪器(TI)和信号发生网络(Signal Network)组成。

    主控机提供测试程序的运行和开发环境，测试仪器产生的信号通过信号发生网络向待测件提供测试信号，测试程序利用 VISA(Virtual InstrumentationSoftware Architecture) 函数向测试仪器发送SCPI(Standard Commands of Programmable Instru-ments)命令来进行仪器控制。

    在 IOC 中，运行数据库中的过程变量(ProcessVariable)反映待测件的数据和状态信息，EPICS 通道访问机制提供了对这些过程变量的访问接口。通道访问机制基于客户/服务器结构，主控机中的测试程序调用通道访问客户端函数(CA Client)发出数据请求，当 IOC 中的通道访问服务器(CAServer)收到来自测试程序的数据请求后，调用通道访问函数(CA Access)和数据库访问函数(DB Access)对被请求的过程变量进行访问或设置，同时这些过程变量对应的记录支持模块(Record Support)和设备支持模块(Device Support)被激活，对待测件进行数据访问和设置。