基于EPICS的SHINE束線站定時(shí)設(shè)備控制系統(tǒng)

曾孟麒 尹 亮 尹聰聰,2 懷 平,2

1（上?？萍即髮W(xué) 上海 200120）

2（中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院 上海 201210）

上海硬X 射線自由電子激光裝置（Shanghai High Repetition rate XFEL and Extreme light facility，SHINE）是一臺(tái)高重頻硬X射線自由電子激光（Free Electron Laser，F(xiàn)EL）大科學(xué)裝置，產(chǎn)生的X 光脈沖最高重復(fù)頻率可達(dá)1MHz，在物理、化學(xué)、材料、生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域都有非常廣泛和重要的應(yīng)用［1］。定時(shí)系統(tǒng)作為整個(gè)裝置運(yùn)行的時(shí)鐘，精確控制著所有需要同步觸發(fā)的設(shè)備，保證各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同頻同相，是使裝置中各類設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行的重要保障［2］。

大型實(shí)驗(yàn)物理裝置的時(shí)鐘同步系統(tǒng)分別經(jīng)歷了基帶分布系統(tǒng)、事件分布系統(tǒng)和白兔協(xié)議（White Rabbit，WR）定時(shí)系統(tǒng)三個(gè)階段［3-4］。WR 定時(shí)系統(tǒng)是歐洲核子中心（CERN）發(fā)起的建立在同步以太網(wǎng)和精確時(shí)鐘同步協(xié)議（IEEE 1588）上的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可自動(dòng)補(bǔ)償傳輸延遲，實(shí)現(xiàn)大范圍、高可靠性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活的亞納秒級(jí)別的時(shí)鐘同步，因此成為目前大型科學(xué)裝置定時(shí)系統(tǒng)的主流方案［5］。歐洲大型電子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC）、歐洲同步輻射光源（European Synchrotron Radiation Facility，ESRF）和我國(guó)的高海拔宇宙線觀測(cè)站（Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO）等大科學(xué)裝置的定時(shí)系統(tǒng)都基于此系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)［6］。

EPICS（Experimental Physics and Industrial Control System）是美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等聯(lián)合開發(fā)的大型控制軟件系統(tǒng)，具有模塊化、可裁剪、易擴(kuò)展、便于管理維護(hù)與升級(jí)的特點(diǎn)［7-9］，目前，在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（Beijing Electron-Positron Collider，BEPC）、上海同步輻射光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF）、美國(guó)直線加速器相干光源（Linac Coherent Light Source，LCLS）等［10-12］上百個(gè)大型物理實(shí)驗(yàn)裝置和項(xiàng)目中得到應(yīng)用。

在控制系統(tǒng)下完成設(shè)備的定時(shí)同步，是這些大裝置數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制的重要一環(huán)。德國(guó)自由電子激光裝置FLASH 基于分布式面向?qū)ο罂刂葡到y(tǒng)（Distributed Object-Oriented Control System，DOOCS）開發(fā)了控制軟件，能夠通過(guò)用戶和專家界面對(duì)定時(shí)板卡進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和參數(shù)配置［13］。美國(guó)LCLS 基于事件分布系統(tǒng)通過(guò)EPICS 的輸入輸出控制器（Input/Output Controller，IOC）接口進(jìn)行事件碼傳輸，并開發(fā)了控制軟件用于設(shè)置提供給設(shè)備的觸發(fā)信號(hào)特性［14-15］。合肥先進(jìn)光源（Hefei Advanced Light Facility，HALF）基于事件分布系統(tǒng)在EPICS架構(gòu)下開發(fā)了定時(shí)系統(tǒng)軟件，包括驅(qū)動(dòng)程序、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù) 和 操 作 界 面［16］。中 國(guó) 散 裂 中 子 源（China Spallation Neutron Source，CSNS）束線站基于White Rabbit定時(shí)系統(tǒng)，使用EPICS系統(tǒng)進(jìn)行控制，并結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)［17］。

基于SHINE 束線站定時(shí)系統(tǒng)框架，開發(fā)了White Rabbit 定時(shí)設(shè)備的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)SNMP 驅(qū)動(dòng)程序接入EPICS 控制系統(tǒng)框架，同時(shí)通過(guò)PyDM 編程實(shí)現(xiàn)用戶操作界面（Operator Interface，OPI），能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)定時(shí)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制管理和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。本文提出的定時(shí)設(shè)備與控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信方案設(shè)計(jì)及技術(shù)實(shí)現(xiàn)，為SHINE束線站定時(shí)系統(tǒng)的軟件控制奠定了基礎(chǔ)。

1 背景

硬X 射線自由電子激光每束光脈沖能量、到達(dá)時(shí)間、束團(tuán)長(zhǎng)度等參數(shù)都可能不同，故需要精確的時(shí)間戳表征每束光脈沖。SHINE定時(shí)系統(tǒng)分為加速器定時(shí)系統(tǒng)和束線站定時(shí)系統(tǒng)，加速器定時(shí)系統(tǒng)控制著保證電子束團(tuán)被加速到設(shè)計(jì)能量而產(chǎn)生滿足要求的自由電子激光的相關(guān)設(shè)備。束線站定時(shí)系統(tǒng)接入加速器定時(shí)系統(tǒng)提供的定時(shí)信號(hào)，并將此定時(shí)信號(hào)分發(fā)到3 條光束線和10個(gè)實(shí)驗(yàn)站，為實(shí)驗(yàn)站電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）相機(jī)、硅像素陣列探測(cè)器等成像探測(cè)器、譜學(xué)探測(cè)器、束線站診斷設(shè)備提供定時(shí)信號(hào)。

SHINE 定時(shí)重復(fù)頻率為1.003086 4MHz，基于此頻率，SHINE 定制的WR 定時(shí)硬件設(shè)備能夠提供定時(shí)脈沖信號(hào)（Trigger）和束團(tuán)編號(hào)（BunchID）給對(duì)應(yīng)的目標(biāo)設(shè)備［18］。通過(guò)定時(shí)脈沖信號(hào)觸發(fā)丟束監(jiān)測(cè)設(shè)備BLM、軟線能譜儀、軟線能量分辨率設(shè)備、激光器泵浦源等設(shè)備，使光束線和實(shí)驗(yàn)站上的設(shè)備能夠同步工作。通過(guò)提供束團(tuán)編號(hào)給光束位置監(jiān)測(cè)設(shè)備BPIM、脈沖能量診斷GMP/HAMP、脈沖時(shí)間診斷TM、fADC 等，產(chǎn)生帶時(shí)間標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，從而能夠基于統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)簽對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行光束參數(shù)分析、物理參數(shù)分析等。束線站定時(shí)系統(tǒng)需要開發(fā)相關(guān)應(yīng)用軟件管理和控制離散分布的定時(shí)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的預(yù)期目標(biāo)。

2 SHINE束線站定時(shí)設(shè)備控制任務(wù)和控制內(nèi)容

2.1 需求分析

如圖1所示，定時(shí)系統(tǒng)底層基礎(chǔ)硬件設(shè)備有WR定時(shí)交換機(jī)（White Rabbit Switch，WRS）、扇出型定時(shí)從節(jié)點(diǎn)、嵌入型定時(shí)從節(jié)點(diǎn)、WR 終端設(shè)備和BunchID 采集設(shè)備。WR 定時(shí)主節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自SHINE 同步系統(tǒng)的外部參考信號(hào)，與加速器基準(zhǔn)信號(hào)鎖相，整個(gè)SHINE只有一個(gè)WR定時(shí)主節(jié)點(diǎn)，存在于加速器定時(shí)系統(tǒng)。WR交換機(jī)將帶有時(shí)間頻率信號(hào)的數(shù)據(jù)經(jīng)光纖傳到下一級(jí)WR交換機(jī)或從節(jié)點(diǎn)設(shè)備。扇出型定時(shí)從節(jié)點(diǎn)輸出定時(shí)觸發(fā)信號(hào)給需要定時(shí)的設(shè)備，嵌入型定時(shí)從節(jié)點(diǎn)可同時(shí)輸出定時(shí)觸發(fā)信號(hào)和束團(tuán)編號(hào)BunchID 給需要定時(shí)的設(shè)備。因此，各級(jí)交換機(jī)和從節(jié)點(diǎn)需要接入控制網(wǎng)絡(luò)，包括鏈路狀態(tài)、端口狀態(tài)、運(yùn)行模式、硬件溫度、機(jī)器時(shí)鐘延時(shí)和脈寬在內(nèi)的多項(xiàng)參數(shù)都需要進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)或者控制。

圖1 SHINE束線站定時(shí)系統(tǒng)底層硬件架構(gòu)Fig.1 Timing system hardware architecture of beamlines and endstations in SHINE

為了保障束線站定時(shí)系統(tǒng)的順利運(yùn)行，主要對(duì)SHINE 定制的WR 定時(shí)交換機(jī)和WR 定時(shí)從節(jié)點(diǎn)（White Rabbit Node，WRN）的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。WRS是實(shí)現(xiàn)White Rabbit時(shí)鐘同步協(xié)議的交換機(jī)，擁有18個(gè)用于數(shù)據(jù)交換的1000Mbps以太網(wǎng)SFP接口以及1個(gè)用于交換機(jī)管理的100Mbps以太網(wǎng)RJ45 接口。WRN 是一款實(shí)現(xiàn)White Rabbit 雙端口節(jié)點(diǎn)功能的通用FMC 標(biāo)準(zhǔn)子卡。WRN 可以給FMC 載板提供同步準(zhǔn)確度好于1ns、同步精度小于30 ps的時(shí)鐘信號(hào)。

WRS 的18個(gè)千兆光纖同步端口用于連接定時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)，端口1 默認(rèn)為Slave 狀態(tài)接收上級(jí)WR 設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)，端口2～18為Master，向下級(jí)WR設(shè)備傳遞同步時(shí)鐘。此設(shè)備的參數(shù)信息包括軟硬件版本、硬件溫度、內(nèi)部操作系統(tǒng)狀態(tài)、鎖相環(huán)狀態(tài)、精確同步時(shí)鐘協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）參數(shù)、端口狀態(tài)等信息；WRN主要有1個(gè)同步端口和10路機(jī)器時(shí)鐘SMA接口輸出，同步端口連接WRS，既可用于定時(shí)信號(hào)同步，也可用于WRN遠(yuǎn)程控制設(shè)備，機(jī)器時(shí)鐘SMA接口連接目標(biāo)設(shè)備，輸出定時(shí)脈沖觸發(fā)信號(hào)。因此，控制軟件不僅需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制端口使能狀態(tài)和設(shè)置掩碼，同時(shí)也需要能夠?qū)γ柯窓C(jī)器時(shí)鐘延時(shí)和脈寬參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)圖2參數(shù)分類，上層用戶界面需要能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前WRS 和WRN的狀態(tài)信息，同時(shí)能夠?qū)敵鰌ort進(jìn)行開關(guān)控制以及對(duì)延遲和掩碼信息進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置。

圖2 SHINE定時(shí)基礎(chǔ)設(shè)備參數(shù)分類Fig.2 Parameter classification of basic equipment of SHINE timing system

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

如圖3所示，SHINE 束線站定時(shí)設(shè)備系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)按照網(wǎng)絡(luò)功能不同劃分為兩層。底層為定時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)，用于連接定時(shí)交換機(jī)、扇出型定時(shí)從節(jié)點(diǎn)和嵌入型定時(shí)從節(jié)點(diǎn)等定時(shí)基礎(chǔ)硬件，實(shí)現(xiàn)定時(shí)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步，最終將加速器一級(jí)WR 定時(shí)交換機(jī)輸出的定時(shí)信號(hào)傳輸?shù)蕉〞r(shí)系統(tǒng)末端。一方面通過(guò)扇出型從節(jié)點(diǎn)輸出定時(shí)脈沖給只需要外部觸發(fā)的目標(biāo)設(shè)備，另一方面通過(guò)嵌入型從節(jié)點(diǎn)同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖和BunchID給需要將采集到的數(shù)據(jù)打上時(shí)間戳的探測(cè)器類設(shè)備。上層為定時(shí)設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行接入EPICS 控制系統(tǒng)的定時(shí)監(jiān)控IOC 服務(wù)器，用于定時(shí)基礎(chǔ)硬件的監(jiān)測(cè)和控制，一方面基于標(biāo)準(zhǔn)百兆以太網(wǎng)通過(guò)定時(shí)設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)連接定時(shí)交換機(jī)管理口實(shí)現(xiàn)對(duì)定時(shí)交換機(jī)的控制管理，另一方面需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)異頻轉(zhuǎn)換模塊與定時(shí)交換機(jī)同步端口相連來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)定時(shí)從節(jié)點(diǎn)的控制管理。因?yàn)槎〞r(shí)同步網(wǎng)絡(luò)為異頻千兆以太網(wǎng)，物理層傳輸頻率與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸頻率不同，所以需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)異頻轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換。定時(shí)設(shè)備監(jiān)控服務(wù)器運(yùn)行基于SNMP 協(xié)議的EPICS IOC，獲取定時(shí)設(shè)備的實(shí)時(shí)參數(shù)并存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)上層還運(yùn)行有定時(shí)設(shè)備操作人員交互界面（Operator Interface，OPI）的PC機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)接入EPICS控制網(wǎng)絡(luò)傳輸定時(shí)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和參數(shù)配置，以及運(yùn)行歷史歸檔工具（Archiver Appliance，AA）存儲(chǔ)服務(wù)器對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔存儲(chǔ)。

圖3 束線站定時(shí)設(shè)備控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)Fig.3 Overall architecture of the network of the timing equipment control system for the beamlines and endstations

3 軟件設(shè)計(jì)方案

圖4為本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)。首先，運(yùn)行在WR 設(shè)備上的SNMP 代理獲取設(shè)備數(shù)據(jù)信息，根據(jù)定時(shí)設(shè)備監(jiān)控IOC 服務(wù)器上的SNMP 管理者的請(qǐng)求命令，結(jié)合管理信息庫(kù)表（Management Information Bases，MIB）查詢相應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)信息或者執(zhí)行相應(yīng)的操作，并將操作響應(yīng)返回給SNMP管理者；其次，EPICS的SNMP驅(qū)動(dòng)獲取響應(yīng)數(shù)據(jù)并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)db 文件解析成相應(yīng)的過(guò)程變量（Process Variables，PV），從而使其能夠通過(guò)通道訪問(wèn)協(xié)議（Channel Access，CA）被PyDM設(shè)計(jì)的OPI界面獲取并顯示；最后，PV 變量也能夠被歷史歸檔工具AA 所存儲(chǔ)，OPI 也能夠通過(guò)PyDM 提供的HTTP接口對(duì)AA歸檔的數(shù)據(jù)檢索和顯示。反過(guò)來(lái)，在OPI執(zhí)行的設(shè)置操作也會(huì)沿此數(shù)據(jù)路徑映射成對(duì)應(yīng)的操作指令對(duì)WR設(shè)備進(jìn)行控制和參數(shù)配置。

圖4 束線站W(wǎng)R設(shè)備控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.4 Software architecture of WR equipment control system for beamlines and endstations

3.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)獲取

SNMP即簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議是專門基于IP網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（服務(wù)器、工作站、交換機(jī)、路由器等）設(shè)計(jì)的一種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層協(xié)議。WR 交換機(jī)和WR從節(jié)點(diǎn)是一種特殊的交換機(jī)，也基于SNMP 協(xié)議進(jìn)行管理。如圖5所示，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（Network-Management Systems，NMS）運(yùn)行應(yīng)用程序，監(jiān)視和控制被管理設(shè)備。被管理設(shè)備是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包含SNMP 代理（SNMP Agent）、MIB 等模塊。NMS通過(guò)MIB作為接口訪問(wèn)SNMP Agent與被管理設(shè)備交互。MIB 是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，描述了被管理設(shè)備維護(hù)的變量。MIB在數(shù)據(jù)中定義了被管理設(shè)備一系列屬性，包括對(duì)象名稱、對(duì)象的狀態(tài)、對(duì)象的訪問(wèn)權(quán)限和對(duì)象的數(shù)據(jù)類型等。MIB 以樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)，用從根開始到樹的節(jié)點(diǎn)表示的唯一路徑OID來(lái)標(biāo)識(shí)被管理對(duì)象。

圖5 SNMP結(jié)構(gòu)和EPICS SNMP驅(qū)動(dòng)Fig.5 Diagram of SNMP structure and EPICS SNMP driver

因定時(shí)設(shè)備管理接口采用SNMP 協(xié)議，故上位機(jī)監(jiān)控軟件采用基于SNMP 驅(qū)動(dòng)的EPICS IOC 軟件。EPICS SNMP是基于EPICS框架開發(fā)的設(shè)備支持程序，底層調(diào)用NET-SNMP 基礎(chǔ)庫(kù)，上層兼容EPICS 記錄支持程序，使得SNMP 對(duì)每一個(gè)對(duì)象的操作變成對(duì)每一個(gè)記錄的操作。通過(guò)此驅(qū)動(dòng)程序完成與設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，并將設(shè)備參數(shù)提供給實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)接口。

3.2實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

IOC 是EPICS 軟件的核心，是連接OPI 和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的中間件［19］，IOC 通過(guò)db 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)向下與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層通過(guò)網(wǎng)絡(luò)等通信方式完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)、向上響應(yīng)來(lái)自O(shè)PI客戶端的請(qǐng)求，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳給OPI。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)db 文件是IOC 的核心，基于WR 設(shè)備提供的私有MIB 庫(kù)，根據(jù)定時(shí)需求里的相關(guān)參數(shù)信息編寫EPICS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)db文件。

通過(guò)db 文件描述的record 記錄，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)能夠接收和存儲(chǔ)WR 設(shè)備回送的SNMP 應(yīng)答數(shù)據(jù)，并且按照record 中記錄名、設(shè)備類型、鏈接域、掃描周期等映射成對(duì)應(yīng)的PV 變量。使用的record 類型包括ai、ao、longin、longout、stringin、mbbi、calc 等，示例如下：

record （longout， " $ （DEV） ：

wrpcPtpConfigDeltaRxSet"） ｛

field（DESC， "Set delta rx to be set"）

field（DTYP， "Snmp"）

field（EGU， "ps"）

field（SCAN， "Passive"）

field（OUT， "@$（HOST） public WR-WRPCMIB： ： wrpcPtpConfigDeltaRx. $ （GROUP）INTEGER： 100 i"）｝

由于采用了EPICS SNMP 設(shè)備驅(qū)動(dòng)，除了DTYP 字段應(yīng)該聲明為"Snmp"外，INP/OUT 字段的格式如下所示，其中“host”為主機(jī)IP，“community”聲明所屬團(tuán)體，“dataLength”為回送數(shù)據(jù)的臨時(shí)緩沖大小，“set_type”為SNMP 數(shù)據(jù)類型所對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)符。

@host community OIDname mask dataLength［set_type［special_flags］］

單臺(tái)設(shè)備對(duì)應(yīng)的PV數(shù)量達(dá)到103級(jí)別，因此，為了減少系統(tǒng)輪詢壓力，對(duì)于不同的設(shè)備信息類別，在SCAN域采用不同的掃描周期。對(duì)于不會(huì)輕易改變的軟硬件版本類信息采用“Passive”，對(duì)于端口使能狀態(tài)等時(shí)效性要求較高的參數(shù)，采用“0.5second”等較小掃描周期。此外為了提升db文件的復(fù)用率，對(duì)于批量同類設(shè)備可以在record 中采用宏替換字段“$（DEV）”和“$（HOST）”來(lái) 區(qū)分 設(shè)備，采 用“$（PORT）”區(qū)分同一設(shè)備的多個(gè)同類端口，最后在IOC 啟動(dòng)腳本里通過(guò)dbLoadRecords 命令加載具體指定宏字段。

3.3 用戶界面設(shè)計(jì)與開發(fā)

PyDM 是基于Python 和Qt 構(gòu)建控制系統(tǒng)圖形用戶界面的新框架，其提供了一個(gè)通過(guò)Qt Designer簡(jiǎn)單拖放控件來(lái)創(chuàng)建用戶界面的平臺(tái)，還允許通過(guò)Python 代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)自定義的功能［20］。Qt 的跨平臺(tái)特性和Python 環(huán)境的友好度使得PyDM 成為目前EPICS下設(shè)計(jì)操作人員界面的優(yōu)選方式之一。

根據(jù)實(shí)際使用需求，同時(shí)限制普通用戶的操作權(quán)限，WRN設(shè)計(jì)時(shí)區(qū)分為用戶界面和專家界面。如圖6所示，WRN 用戶OPI 界面是專家OPI 界面貼合用戶視角所做的功能提煉，主要提供定時(shí)從節(jié)點(diǎn)設(shè)備溫度等關(guān)鍵狀態(tài)信息、各機(jī)器時(shí)鐘通道的開關(guān)控制及輸出信號(hào)的延遲和脈寬的配置等功能。專家界面則是詳細(xì)化設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)以及設(shè)備所有配置功能的集合。對(duì)于定時(shí)交換機(jī)而言，只需提供專家界面，如圖7所示，對(duì)18 路port 鏈路狀態(tài)、設(shè)備硬件模塊溫度、子系統(tǒng)狀態(tài)、鎖相環(huán)和PTP參數(shù)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。OPI的實(shí)時(shí)顯示的信息來(lái)源于硬件實(shí)時(shí)參數(shù)所映射的相應(yīng)PV變量，按照掃描優(yōu)先級(jí)進(jìn)行掃描，通過(guò)CA 協(xié)議從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中監(jiān)測(cè)相應(yīng)PV值變化。

圖6 定時(shí)從節(jié)點(diǎn)OPI WRN 用戶界面(a)和專家界面(b～d)截圖Fig.6 Snapshot of WRN OPI user interface (a) and WRN engineer interface (b～d)

圖7 定時(shí)交換機(jī)OPI截圖Fig.7 Snapshot of WRS OPI

圖形用戶界面OPI 開發(fā)流程為：先通過(guò)Qt designer 按照開發(fā)需求設(shè)計(jì)UI 界面，指定組件屬性和設(shè)計(jì)整體UI 布局，再通過(guò)Python 編程實(shí)現(xiàn)UI 界面的操作交互功能。使用PyDM組件可以通過(guò)指定channels 格式為ca：//＜PV NAME＞或者archiver：//＜PARAMS＞來(lái)聲明數(shù)據(jù)來(lái)源即PV變量是通過(guò)CA協(xié)議獲取還是從AA 中獲取。在PyDM 框架下使用Python 編程時(shí)，所想要顯示的界面子類必須要繼承PyDM 的Display 基類。在實(shí)現(xiàn)操作交互功能時(shí)需要用到Qt 的信號(hào)與槽機(jī)制，如圖8顯示的是通過(guò)python 的EPICS 接口PyEPICS 來(lái)通道訪問(wèn)獲取PV變量數(shù)據(jù)，定時(shí)監(jiān)測(cè)PV 值的變化并顯示的邏輯流程圖。

圖8 信號(hào)與槽機(jī)制的PV值監(jiān)視流程圖Fig.8 Flowchart of PV value monitoring through signal and slot mechanism

3.4 數(shù)據(jù)歸檔與檢索

Archiver Appliance歷史存檔軟件通過(guò)CA、PVA協(xié)議訪問(wèn)并存儲(chǔ)EPICS IOC獲取的實(shí)時(shí)PV數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)按照短期、中期和長(zhǎng)期進(jìn)行分期歸檔［21-22］。Archiver Appliance 采用谷歌PB（Protocol Buffer）進(jìn)行數(shù)據(jù)序列化，二進(jìn)制格式存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)效率更優(yōu)。 在PyDM 中通過(guò)將環(huán)境變量PYDM_ARCHIVER_URL 指向AA 程序位置或檢索應(yīng)用程序URL，可實(shí)現(xiàn)用PyDM 組件基于HTTP 協(xié)議對(duì)PV數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索或者歸檔的操作。歸檔存儲(chǔ)的定時(shí)設(shè)備參數(shù)，可以用來(lái)實(shí)驗(yàn)期間定時(shí)設(shè)備的平均運(yùn)行狀態(tài)分析和故障分析，以及評(píng)判定時(shí)設(shè)備的使用壽命。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與討論

SHINE束線站定時(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的軟件開發(fā)與系統(tǒng)測(cè)試在SHINE 束線站數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室中開展。定時(shí)測(cè)試的硬件環(huán)境構(gòu)成包括Inter（R）Core（TM）i9-10980XE CPU@3.00 GHz、WR 定時(shí)交換機(jī)、WR 定時(shí)從節(jié)點(diǎn)，軟件環(huán)境為Centos 7 64 位、EPICS base 7.0.6、EPICS SNMP 1.1.0.4（NSCL/FRIB）。系統(tǒng)測(cè)試的主要目標(biāo)是OPI對(duì)設(shè)備參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性能和遠(yuǎn)程控制響應(yīng)速度。

在定時(shí)系統(tǒng)由定時(shí)設(shè)備正確搭建的測(cè)試環(huán)境下開發(fā)的EPICS SNMP IOC能夠在定時(shí)設(shè)備監(jiān)控服務(wù)器上穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)IOC啟動(dòng)腳本里指定WR設(shè)備名的宏字段來(lái)監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)設(shè)備參數(shù)，對(duì)單臺(tái)WRS 和WRN 的設(shè)備參數(shù)能夠映射成2 500 多個(gè)PV 并存儲(chǔ)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且能夠通過(guò)CA協(xié)議進(jìn)行g(shù)et和put操作。說(shuō)明IOC與設(shè)備的通信是正常且穩(wěn)定的。

通過(guò)PyDM環(huán)境下執(zhí)行的Python腳本啟動(dòng)對(duì)應(yīng)設(shè)備的OPI，對(duì)于優(yōu)先級(jí)較高的參數(shù)如端口狀態(tài)等，數(shù)據(jù)采樣周期最短可以達(dá)到0.5s。對(duì)于設(shè)備溫度等比較平穩(wěn)的參數(shù)，數(shù)據(jù)采樣周期在4s。通過(guò)OPI設(shè)置信號(hào)時(shí)延和脈寬等配置參數(shù)，機(jī)器應(yīng)用的響應(yīng)時(shí)間可達(dá)2s。OPI在AA歷史數(shù)據(jù)中的檢索的顯示間隔達(dá)到3s。

本設(shè)備控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)對(duì)WR設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制管理，同時(shí)通過(guò)AA與PyDM的數(shù)據(jù)接口，能夠?qū)w檔存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)檢索顯示。OPI界面簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間滿足要求，基于Python環(huán)境移植方便。證明了本定時(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制系統(tǒng)的可用性、實(shí)時(shí)性、易用性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文開發(fā)了一套SHINE 束線站定時(shí)設(shè)備控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)White Rabbit 設(shè)備的管理與監(jiān)控。該系統(tǒng)基于EPICS 控制系統(tǒng)和SNMP 協(xié)議，主要功能包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取與監(jiān)測(cè)、設(shè)備遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)歸檔和存儲(chǔ)。該軟件通過(guò)定時(shí)設(shè)備樣機(jī)搭建的定時(shí)網(wǎng)絡(luò)下的實(shí)際測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)WR 設(shè)備定時(shí)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和歸檔存儲(chǔ)，滿足了SHINE束線站的定時(shí)工程要求。未來(lái)將在基于整個(gè)束線站的定時(shí)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，能夠簡(jiǎn)單地宏觀性地控制分布于不同位置的定時(shí)設(shè)備。本文積累的WR設(shè)備控制軟件開發(fā)框架經(jīng)驗(yàn)為完善后續(xù)束線站總體定時(shí)設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。

作者貢獻(xiàn)聲明曾孟麒負(fù)責(zé)軟件開發(fā)，系統(tǒng)測(cè)試和調(diào)試、論文撰寫和修改；尹亮負(fù)責(zé)硬件設(shè)備技術(shù)支持、參與問(wèn)題討論；尹聰聰負(fù)責(zé)SHINE 束線站定時(shí)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)、技術(shù)研發(fā)與平臺(tái)建設(shè)，論文研究方案的提出與修改指導(dǎo)；懷平負(fù)責(zé)SHINE束線站定時(shí)系統(tǒng)總體目標(biāo)的設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理，論文修改指導(dǎo)，研究經(jīng)費(fèi)支持。