生物X射線小角散射實驗站控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

周　平　洪春霞　王玉柱　楊春明　田　豐　邊風(fēng)剛　王　劼

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū)　上海 201800）

生物X射線小角散射實驗站控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

周平洪春霞王玉柱楊春明田豐邊風(fēng)剛王劼

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū)上海 201800）

生物X射線小角散射光束線站（Biological Small Angle X-Ray Scattering, BioSAXS）是國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究上海設(shè)施五線六站之一，運動控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是BioSAXS實驗站建設(shè)的重要組成部分。介紹了BioSAXS實驗站運動控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)計實現(xiàn)了基于EPICS （Experimental Physics and Industrial Control System）的運動控制系統(tǒng)，開發(fā)了EPICS下的Pilatus探測器的數(shù)據(jù)采集軟件。通過對運動控制、探測器數(shù)據(jù)采集和光強檢測等控制操作界面進行集成，形成了統(tǒng)一的用戶界面，并在BioSAXS實驗站的調(diào)試和運行中得到成功應(yīng)用。該控制軟件界面友好，操作簡單，其功能和性能通過了實驗驗證，滿足了BioSAXS線站對運動控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求。

生物X射線小角散射光束線站，實驗物理及工業(yè)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)工具箱，控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

上海光源（Shanghai Synchrotron Radiation facility, SSRF）是第三代同步輻射裝置，是世界上同能區(qū)正在建造或設(shè)計中性能指標最先進的第三代同步輻射光源之一［1-2］。目前已有13條光束線和16個實驗站投入運行。生物X射線小角散射光束線站（Biological Small Angle X-Ray Scattering, BioSAXS）屬于國家蛋白質(zhì)研究上海設(shè)施第五系統(tǒng)——蛋白質(zhì)動態(tài)系統(tǒng)研究中包含的兩條基于上海光源建設(shè)的光束線站之一。BioSAXS實驗站以蛋白質(zhì)在自然狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)、動態(tài)變化和相互作用為主要研究方向，重點開展以時間分辨為主的動態(tài)過程研究工作。

BioSAXS實驗站控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的難點在于如何實現(xiàn)運動控制和數(shù)據(jù)采集的集成化控制，并向用戶提供更方便的操作界面。本文工作基于EPICS （Experimental Physics and Industrial Control System）軟件平臺，集成了運動控制、光強檢測、探測器等功能，滿足了生物小角散射實驗的控制和數(shù)據(jù)采集方面的需求。

1　BioSAXS實驗站控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件簡介

BioSAXS實驗站控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括實驗站控制系統(tǒng)和實驗站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它們起著實驗站設(shè)備的運動控制和實驗數(shù)據(jù)獲取的功能。控制系統(tǒng)元件主要包括兩個用于阻擋寄生散射和雜散光的單色光四刀狹縫、用于溶液樣品蠕動裝置實驗的運動支撐臺、用于阻擋直通光束的BeamStop和調(diào)節(jié)探測器位置的二維運動支撐臺。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要設(shè)備有探測器系統(tǒng)、光強監(jiān)測系統(tǒng)。實驗站各種設(shè)備可進行各種組合和協(xié)調(diào)運動以滿足不同的生物小角散射實驗需求。

1.2軟件開發(fā)平臺EPICS和控制系統(tǒng)工具箱

上海光源整體控制系統(tǒng)使用EPICS分布式控制系統(tǒng)，是國際上實驗通用的分布式控制系統(tǒng)。EPICS是由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory, LANL）和阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory, ANL）等聯(lián)合研制開發(fā)的實驗物理和工業(yè)控制系統(tǒng)軟件包，它是基于標準模型的客戶機/服務(wù)器模式的分布式控制系統(tǒng)軟件工具集，具有可移植性、可互操作性、可裁減性以及可重用性等特點?；贓PICS 的實驗站運動控制系統(tǒng)由上層操作員界面（Operator Interface, OPI）、I/O控制機（Input/Output Controller, IOC）和連接OPI和 IOC的局域網(wǎng)（Local Area Network, LAN）組成［3-4］。OPI位于運行Linux操作系統(tǒng)的計算機上，實驗站采用控制系統(tǒng)工具箱（Control System Studio, CSS）來設(shè)計系統(tǒng)的控制和顯示界面。

CSS是由美國SNS （Spallation Neutron Source）、BNL （Brookhaven National Laboratory）和德國DESY（Deutsches Elektronen Synchrotron）合作開發(fā)而成，采用了Eclipse RCP （Rich Client Platform）的框架結(jié)構(gòu)，是一個集成多個應(yīng)用程序插件的開發(fā)工具軟件，可實現(xiàn)控制系統(tǒng)的界面制作、語音報警、數(shù)據(jù)存檔等功能，用于監(jiān)控和操作大型控制系統(tǒng)［5-7］。

2　BioSAXS實驗站控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

BioSAXS實驗站控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　BioSAXS實驗站控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.1　Control and data acquisition system for BioSAXS beamline.

2.1控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1.1硬件設(shè)計

BioSAXS實驗站在進行實驗過程中，需要調(diào)節(jié)狹縫的開口和位置、蠕動樣品裝置的調(diào)節(jié)、直通光阻擋器的位置等，這些都是采用運動控制實現(xiàn)相應(yīng)調(diào)節(jié)功能。運動控制系統(tǒng)的主要硬件包括計算機、VME機箱、MVME5500 CPU卡、MaxV8000控制卡、電機驅(qū)動器、狹縫、蠕動樣品裝置及直通光阻擋器運動機構(gòu)等，硬件框圖如圖2所示。

圖2　運動控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.2　Hardware connection diagram of motion control system.

2.1.2軟件設(shè)計

計算機運行在Linux系統(tǒng)下，使用EPICS和CSS設(shè)計及開發(fā)運動控制程序。BioSAXS實驗站運動控制系統(tǒng)采用EPICS Base R3.14.12，與之對應(yīng)的synApps版本為synApps 5.6，motor版本是Motor-6-7，使用的CSS版本為3.2.16。EPICS開發(fā)平臺包含了許多常用電機驅(qū)動模塊，直接調(diào)用編寫即可。這種運動控制系統(tǒng)方案廣泛應(yīng)用于各大光源。

運動控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是在EPICS軟件環(huán)境下對實驗站的運動元件中的步進電機進行控制。基于EPICS的BioSAXS實驗站運動控制系統(tǒng)軟件的核心是motor記錄，其軟件層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　運動控制軟件層次結(jié)構(gòu)Fig.3　Software hierarchy of motion control system.

對開環(huán)步進電機的控制，主要的電機記錄域是VELO（運行速度）、VBAS（最小速度）、ACCL（加速度）、MRES（電機步長）、SREV（電機每轉(zhuǎn)步數(shù)）、DVAL（電機值）、RBV（電機讀回值）和STOP（電機停止）。為保護設(shè)備，需要使空閑時SMD（發(fā)送控制命令）關(guān)閉對步進電機的驅(qū)動，這樣就要用MAXv的“AF”命令使能（enable） SMD的各軸后，插在機箱中的驅(qū)動器才能接收MAXv的控制信號，驅(qū)動與之相連的步進電機［8-10］。

下列為狹縫電機的db實例：

record（motor,"X19U2:EH:Slit5:TRDOWN"）

｛field（DTYP,"OMS MAXv"）

field（DESC,"X19U2:EH:Slit5:TRDOWN"）

field（VBAS,"400.0"）

field（VELO,"600.0"）

field（OUT,"#C0S3@"）

field（SREV,"400"）

field（MRES,"0.5"）

field（PREC,"3"）

field（DHLM,"300000"）

field（DLLM,"-300000"）

field（RTRY,"0"）

field（TWV,"1"）

field（EGU,"um"）

field（INIT,"AN"）

field（PREM,"AF"）

field（POST,"AN"）｝

2.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.2.1硬件設(shè)計

BioSAXS實驗站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括光強檢測和探測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

光強檢測數(shù)據(jù)采集采用計數(shù)器測量X射線通量，系統(tǒng)硬件包括微電流放大器、V/F轉(zhuǎn)換器、計數(shù)器和計算機。X射線通過RIGI探測器或X射線光電二極管會產(chǎn)生電流，電流強度正比于入射X射線強度。此電流經(jīng)過微電流放大器放大轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，隨后經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換器和計數(shù)器，得到正比于入射X射線通量的計數(shù)，根據(jù)計數(shù)即可推算得到入射X射線通量。特別說明，為測量實驗樣品對X射線的吸收和減少對小角測量的影響，采用在Beamstop上安裝X射線二級管來測量相對光強。光強檢測系統(tǒng)硬件連接框圖如圖4所示。

圖4　光強檢測系統(tǒng)硬件連接框圖Fig.4　Connection diagram of light intensity detection system.

探測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的作用在于采集出實驗測量的小角散射信號，將實驗數(shù)據(jù)和光強檢測數(shù)據(jù)集成，并最后存儲在一個文件系統(tǒng)下。系統(tǒng)硬件包括瑞士DECTRIS公司的Pilatus 1M探測器、探測器服務(wù)器、電源、連接線和控制電腦。Pilatus 1M探測器將單光子計數(shù)和CMOS混合像素技術(shù)這兩項關(guān)鍵技術(shù)相結(jié)合，能夠消除所有探測器噪聲，并提供優(yōu)質(zhì)的實驗數(shù)據(jù)，它應(yīng)用于同步輻射和常規(guī)實驗室光源等各個領(lǐng)域。探測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件連接方式如圖5所示。

圖5　探測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件連接圖［11］Fig.5　Hardware connection diagram of the detector data acquisition system［11］.

2.2.2軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的編寫方案要與探測器系統(tǒng)匹配。利用synApps中的areaDetector模塊在EPICS平臺下進行了數(shù)據(jù)采集軟件的編譯及改進。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)通訊接口，軟件框圖如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制軟件框圖Fig.6　Software structure of data acquisition system.

光強檢測數(shù)據(jù)采集控制軟件是基于EPICS下的StreamDevice模塊進行開發(fā)。StreamDevice是基于數(shù)據(jù)流設(shè)備的通訊驅(qū)動軟件模塊，其接口方式有串口、IEEE-488和TCP/IP，它通過發(fā)送和接收字符串數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對設(shè)備的遠程控制。本控制程序?qū)treamDevice作為一種第三方外部模塊，需要在新創(chuàng)建的EPICS softioc應(yīng)用實例內(nèi)的RELEASE文件中指定其安裝路徑，并修改相關(guān)的配置文件添加數(shù)據(jù)庫定義文件和庫文件，加入protocol協(xié)議文件來指定如何控制設(shè)備的輸入/輸出，添加數(shù)據(jù)庫db文件，修改啟動文件st.cmd，最后編譯即可。當更新其他控制設(shè)備時，只需要改動protocol 協(xié)議文件內(nèi)容，而不需要重新編譯。下列為計數(shù)器的db實例：

record（ai,"X19U2:EH:counter:Measure"）

｛field（DESC, "Measure current"） field（DTYP, "stream"）

field（SCAN, "1 second"）

field（INP, "@counter.proto measureCurrent1 Counter"）

field（EGU,"A"）

field（PREC, "5"）

field（FLNK,"X19U2:EH:counter1:Measure"）｝

計數(shù)器的protocol文件實例如下：

Terminator = CR LF；

measureCurrent1

｛out "CLAL"；

wait 20；

out "ENTS"；

wait 20；

out "STPR1000"；

wait 20；

out "STRT"；

wait 1020；

out "CTR？0203"；

wait 20；

in %（X19U2:EH:counter1:Measure）10c%（X19U 2:EH:counter2:Measure）10c"；

ExtraInput = Ignore；｝

Pilatus探測器控制界面采用EPICS開發(fā)平臺開發(fā)。線站控制計算機通過網(wǎng)絡(luò)連接探測器自帶服務(wù)器以實現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)的通信，快門配合探測器進行散射實驗。由于Pilatus探測器廠家自帶控制軟件不能被外接設(shè)備觸發(fā)，為配合實驗站其他設(shè)備能夠自動觸發(fā)探測器，需要設(shè)計人員自行開發(fā)運行在Linux系統(tǒng)下的基于EPICS的Pilatus控制軟件。廠家自帶探測器操作軟件由TVX（數(shù)據(jù)分析軟件和控制程序）和Camserver（探測器硬件的操作軟件）兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　探測器操作軟件結(jié)構(gòu)［11］Fig.7　Software architecture for detector［11］.

基于EPICS的面探測器軟件驅(qū)動結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8　基于EPICS的面探測器軟件驅(qū)動結(jié)構(gòu)［12］Fig.8　Architecture of EPICS software driver for area detector［12］.

在實驗站探測器控制軟件設(shè)計中，Pilatus探測器與EPICS軟件驅(qū)動的接口如圖9所示。

圖9　Pilatus探測器與EPICS軟件驅(qū)動的接口Fig.9　Interface between Pilatus detector and EPICS driver.

BioSAXS實驗站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件人機界面友好，便于用戶進行實驗參數(shù)的設(shè)置和調(diào)節(jié)、實時觀測實驗狀況和隨時了解實驗結(jié)果。測試結(jié)果表明，光強檢測運行正常，數(shù)據(jù)采集軟件實現(xiàn)了設(shè)計目標。

3　控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測試

基于EPICS的BioSAXS實驗站運動控制系統(tǒng)已經(jīng)過不斷調(diào)試進入運行階段。為方便用戶的使用，需要把控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成在一個用戶界面上。BioSAXS實驗棚屋設(shè)備控制界面主要包括狹縫電機控制、樣品架電機控制、beamstop電機控制、打開和關(guān)閉光強檢測系統(tǒng)IOC按鈕、探測器控制界面打開等。為便于整個實驗站設(shè)備的控制操作，在此界面上也給出了控制組光學(xué)棚屋設(shè)備的控制按鈕，例如單色器、鏡子、狹縫、BPM等。BioSAXS實驗站設(shè)備控制界面如圖10所示。

圖10　BioSAXS實驗站設(shè)備控制界面Fig.10　BioSAXS motor control panel.

探測器數(shù)據(jù)采集界面如圖11所示，人工操作時點擊Start/Stop按鈕就可以進行散射譜的數(shù)據(jù)采集。

圖11　探測器數(shù)據(jù)采集界面Fig.11　BioSAXS data acquisition panel.

利用軟件ALBULA查看數(shù)據(jù)采集所生成的圖像文件，如圖12所示。探測器和電離室數(shù)據(jù)保存文件的格式如圖13所示。

綜上所述，本文采用EPICS控制軟件對各類電機、探測器和光強檢測進行了實驗參數(shù)設(shè)置和實驗數(shù)據(jù)采集，研制完成了BioSAXS實驗站的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。運行結(jié)果表明用戶操作界面工作正常，實現(xiàn)了支撐小角散射實驗的功能，并為用戶提供了良好的交互平臺。

圖12　探測器圖像界面Fig.12　Panel of detector image.

圖13　探測器和光強檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存文件Fig.13　Data for the detector and light intensity detection system.

4　結(jié)語

BioSAXS實驗站運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了狹縫、樣品臺和直通光阻擋器的靈活調(diào)節(jié)，極大地方便了實驗站的調(diào)試和用戶的使用。在不影響散射實驗的情況下，光強檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了樣品前后的光強測量，支持了實驗數(shù)據(jù)的歸一化處理?？扉T和探測器的同步控制，為實現(xiàn)快速時間分辨散射實驗提供了條件。

監(jiān)控系統(tǒng)方便了樣品姿態(tài)的調(diào)節(jié)，提高了實驗效率。BioSAXS已經(jīng)于2015年4月正式通過驗收，并正式對全國相關(guān)用戶開放。實驗站控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常，滿足生物小角散射實驗站對運動控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實驗需求。

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LIU Qian, BIAN Fenggang, LIU Yi, et al. EPICS-based motion control system of SSRF-SAXS［J］. Optics and Precison Engineering, 2009, 17（8）: 1804-1809

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6 Control System Studio （CSS） at KEK［OL］. 2013-08. http://www-linac.kek.jp/cont/epics/css

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8 Motor Record and related software［OL］. 2015-01. http://www.aps.anl.gov/bcda/synApps/motor/R6-9/motor Record.html

9 EPICS R3.14 Channel Access Reference Manual［OL］. 2015-05. http://www.aps.anl.gov/epics/base/R3-14/ 12-docs/CAref.html

10 EPICS 3-14 Record Reference Manual［OL］. 2014-12. https://wiki-ext.aps.anl.gov/epics/index.php/RRM_3-14

11 PILATUS Detector Systems USER MANUAL［CD］

12 areaDetector: EPICS Area Detector Support［OL］. 2015-09. http://cars.uchicago.edu/software/epics/ areaDetectorDoc.html

The control system and the data acquisition system of biological small angle X-ray scattering beamline

ZHOU PingHONG ChunxiaWANG YuzhuYANG ChunmingTIAN Feng BIAN FenggangWANG Jie

（Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China）

Background: Biological small angle X-ray scattering beamline （BioSAXS） is one of the five beams of six beamlines of Protein Science Shanghai Facility, and its motion control system and data acquisition system are important for the beamline operation. Purpose: This study aims to design and implement the motion control system and data acquisition system of BioSAXS. Methods: The synApps and motor packages of Experimental Physics and Industrial Control System （EPICS） is employed to achieve motion control system, data acquisition and control of area detector, together with the control interface for motion control, and X-ray light intensity detection, are implemented and integrated by using Control System Studio （CSS）. Results: Unified user interface for beamline control and data acquisition system for BioSAXS are realized, and the system has been successfully applied to the debugging and running of BioSAXS Beamline. Conclusion: This proposed system fulfills the functions for motion control system and data acquisition system for BioSAXS.

BioSAXS, EPICS, CSS, Control system, Data acquisition system

ZHOU Ping, male, born in 1984, graduated from Chongqing University with a master’s degree in 2009, focusing on control system and data

BIAN Fenggang, E-mail: bianfenggang@sinap.ac.cn

TL99

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.090101

——

國家自然科學(xué)基金（No.Y515171061、No.U143211、No.11305249）資助

周平，男，1984年出生，2009年于重慶大學(xué)獲碩士學(xué)位，研究領(lǐng)域為同步輻射光束線站控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

邊風(fēng)剛，E-mail: bianfenggang@sinap.ac.cn

Supported by National Natural Science Foundation of China （No.Y515171061, No.U143211, No.11305249）

acquisition system for synchrotron radiation beamline

2016-03-07，

2016-03-29