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Pickering的LXI开关矩阵用于对撞机信号监测

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Pickering的LXI开关矩阵用于对撞机信号监测

2019-2-26 11:02| 发布者: 测试测量-Allan| 查看: 370 |原作者: HK

      被称为CERN的欧洲核研究组织最近因为通过用大型强子对撞机(LHC: The Large Hadron Collider) 发现了希格斯波色子(也就是所谓的上帝粒子)而受到公众的广泛关注。CERN在瑞士日内瓦和法国边界下方100米处附近操控着一座高能加速器,用于探索高能物理。这是一台超大规模的高能物理设备,世界上没有任何一台设备能与之媲美。
对撞机操控一对反向环装旋转的粒子束,它们会在四个实验位置从相反的方向互相碰撞并且产生一些短寿命粒子,其中就包括了最近发现的希格斯子。
       为了识别出新型粒子,需要花费很多精力集中在捕获所有可用数据的实验上。然而监测粒子束本身也是一项重要任务,这个过程是通过开放式模拟信号信息系统(也称为OASIS)来实现的。来自对撞监测器的信号会在多处被监察以确保整个系统运作良好。
       即使是像CERN这样拥有大量预算的单位也必须确保它们的操作预算要跟政府赞助的资金(许多国家的赞助资金来自纳税人)相匹配,因此这个系统必须讲究成本效益。 OASIS系统 通过一组数字化仪来获取信号并且通过以太网系统将信号传送给用户,然而数字化仪非常昂贵,不可能给每个监测信号都配用一台数字化仪。这就需要用一个开关系统来使得OASIS可以从各种可用信号中选择需要被显示出来的信号,这个开关系统历来是基于VXI平台的,最近更多地会基于cPCI平台,之后还会不断改进。

CERN系统升级
      CERN正在对他们的系统进行一项重要的两年一次的升级,从而提高对撞机能量(几乎翻倍)以进行更多新物理学的探索。为了这项升级计划,对撞机目前已经被关闭了(截至2013年2月),之后还会进行更多的升级。部分升级过程免不了要牵涉到OASIS系统的升级。
对于一个开关系统来说,监测信号是很具有挑战的一部分。CERN总结说他们想要在每个位置上最多104个信号中选择出多达16个信号进行数字化。模拟信号的频率含量高达几 MHz并且不同的监测器上显示的级数可能有显著差异。这是对通道之间的可允许串扰以及带宽造成限制的主要原因。如果一个来自高电平源的信号和一个来自低电平源的信号在不同的通道上同时被选择了,由于大信号可能会突变成为较小的信号,这就会混淆操作员的判断。
对于CERN来说,另一个重要问题是对撞机的规模太庞大了,一个人不可能在短时间内从一个位置走到另一个位置——为了加快各个位置之间的交通,隧道内甚至配备了自行车。远程管理是任何一个解决方案都必须要能实现的基本要求。


LXI方案
      LXI对于CERN的要求来说有一些主要的优势,他们大部分的系统已经在运行以太网数据连接,因此用LXI来管理矩阵是没什么问题的。用 LXI控制也意味着他们可以通过LXI产品的网络服务器而无需中间控制器来访问他们网络上的矩阵状态。

图1 通过LXI的配置界面访问65-110的软件面板来监控矩阵设置
       这个矩阵是个模块化解决方案,然而这个方案中的模块尺寸是可以缩放以适应应用的,而不需要遵守特定的标准。65-110插件和模拟总线系统在设计时必须非常仔细,以维持射频性能,特别是针对串扰,要确保其适合应用。主要因低串扰的需求会导致一个典型结构的射频带宽要高于300MHz,并且要具有非常良好的电压驻波比(VSWR)。
       像许多现代仪器一样,这些模块通过PCIe接口与LXI控制器进行内部通信,LXI控制器将其“虚拟化”为单个矩阵,因此大大降低了用户对矩阵进行编程的难度。LXI控制器对用户隐藏了开关系统的复杂性,矩阵对用户来说简单地显示为一个实体,而不是显示为一组单独的子组件(模块)。它的作用就像一个台式仪器,而不像一个模块化仪器。
       该设计在插件模块下方使用了一组模拟总线,通常在模块化系统中模拟总线会装在插件背面——在一个矩阵中,让X和Y的信号线彼此成直角的做法会更好,可以改善串扰和隔离。这是LXI的一个特点——对模块的尺寸或模拟总线的布局没有特别的限制,因此Pickering可以设计出一个模块化结构来适应开关的要求。

图2 65-110的网络界面通过标准LXI的配置界面访问自检设备


      在商讨过程中出现了另一个问题,在对撞机上进行的实验都是很大型且成本高昂的,CERN要求的最后一点是能在矩阵中查找到一个发生了故障的开关并且阻止监控操作。得知Pickering已经将自检功能内置在了 LXI和PXI产品(称为BIRST) 中,于是CERN也要求在他们的开关系统中加入某些自检功能。由于开关需要同轴连接头,所以理想的情况是当输入和输出连接到一个非供电电源/负载时,测试也能进行。能够远程启动和自检,对于OASIS来说将是一个很强大的功能。
      65-110 LXI矩阵包含了一个可以查找所有信号路径上的故障继电器(通路、开路或具有高通道电阻的路径)的自检设备。该设计用到的是低电平信号,因此用户不需要断开连接就可以运行测试(断开100多个同轴引线连接的过程会非常耗时而且所涉及到的距离很长不现实),而且当用户距离矩阵好几公里甚至更远时,自检可以通过LXI兼容的网络界面而不需要依靠外部控制器程序启动。用户只需要启动测试,嵌入式LXI控制器即会运行测试,结果可以通过网络界面查看或生成文件报告给用户。
      Pickering的LXI产品中也包含一个显示器,允许用户以图形方式显示矩阵设置,而无需通过任何程序访问矩阵——在LXI系统中很容易创建具有多个控制器的系统。当一个控制器正在设置开关时,另一个不同的控制器不需要中断程序就可以检测设置的内容。


总结
      对于要创建具有高性能目标、开关复杂并且易于远程访问的高难度矩阵来说,LXI是一个非常好的平台,CERN这次的要求就能很好地体现出这点。CERN将在下一轮具有更高的碰撞能量的实验中,作为OASIS系统的一部分,充分利用LXI 65-110开关矩阵。


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