CERN的对撞机信号监控

Pickering的LXI开关矩阵被选为CERN的对撞机信号监视

欧洲核研究组织(CERN)的大型强子对撞机(LHC) 最近因发现Higgs boson-所谓的上帝粒子而成为公众关注的最前沿。欧洲核子研究组织在日内瓦附近的瑞士和法国边界下经营100m高能对撞机,以探索高能物理的边界。这是大规模的高能物理学,世界上没有其他设施可以与之匹敌。

该对撞机操纵一对反向旋转的粒子环,该环在四个实验点处具有交叉点,在这些实验点处粒子从相反的方向碰撞到彼此,并产生表明存在短寿命粒子的特征,最近包括希格斯粒子。

许多注意力集中在必须运行以捕获所有可用数据以识别新粒子的实验上。然而,对环本身的监视也是一项主要任务,这是通过称为OASIS的开放式仿真信号信息系统来完成的。来自对撞机监视器的信号可以在很多地方被窃听,以确保系统中的一切正常。

即使是像CERN这样的大型预算机构,也必须确保其预算与赞助国政府(以及许多国家的纳税人)可用的资金相匹配,因此该系统必须具有成本效益。 OASIS系统 使用一组数字化仪来采集信号,并通过以太网系统将其中继给用户,但是这些数字化仪价格昂贵,并且每个监视信号都不可能有一个数字化仪。交换系统用于允许OASIS从各种可用信号中选择要显示的信号,该交换系统历来是基于VXI和最近的cPCI解决方案,但是这种情况正在发生变化。

CERN升级

欧洲核子研究组织(CERN)正在对其系统进行为期两年的重大升级,以便可以提高对撞机的能量(几乎翻倍),并探索更多的新物理学。对撞机现已关闭(截至2013年2月)以进行此计划的升级,将来还会进行更多升级。不可避免地,该升级过程的一部分要求对OASIS系统进行升级。

监视信号给交换系统提出了一些挑战。欧洲核子研究组织(CERN)得出结论,他们希望能够从每个位置的104个数字化信号中选择最多16个。仿真信号的频率成分高达数兆赫,并且不同显示器的电平可能存在相当大的差异。这对通道之间的允许串扰以及带宽施加了主要限制。如果选择了来自高电平信号源的信号,而同时选择了来自另一信号源的低电平信号,则在不同的通道上,那么较大的信号可能会转变为较小的信号,并使操作员感到困惑。

CERN的另一个重要问题是对撞机的庞大规模,您无法在任何合理的时间从一个位置步行到另一个位置-隧道甚至配备了自行车,可以加快位置之间的运输速度。远程管理是任何解决方案的基本要求。

设计新的OASIS交换机

欧洲核子研究中心(CERN)向Pickering Interfaces咨询了有关计划在升级期间部署的新交换系统的想法。基本要求是矩阵的带宽为10兆赫,尺寸最大为104×16。讨论清楚表明,串扰将是任何实施中的主要问题,并且所需的矩阵太大,因此很难使用传统方法来解决问题,实现性能目标并满足预算要求。

显然,矩阵的成本必须大大低于在每个仿真信号上放置数字转换器的成本。首选的平台是工业计算器中的PCI,但是很明显,PCI的固定模块化结构并不适合这种交换系统,并且对cPCI和PXI也存在相同的问题。

CERN的对撞机信号监控插图
CERN要求需要一个矩阵,以将多达104个模拟源连接到多达16个数字化仪

为了实现这种类型的高性能矩阵,交换系统必须确定最终解决方案的形状因子-并且排除使用任何可以描述为固定模块化格式的东西。需要一种模块化的方法来使矩阵系统的大小可扩展,因为不同的位置需要不同的矩阵大小–一个位置可能需要64×16,另一个位置可能需要104×16。随着传感器数量的变化以及增加(或减少)信道的数量,系统的要求也会随着时间而变化。这有力地表明,将需要一种专有的可扩展模块化方法,其模块的大小应适合矩阵的设计要求。这鼓励了Pickering Interfaces研究有大小自由的LXI路由。

LXI路线

LXI对于CERN具有一些主要优势,它们的许多系统已经在运行以太网数据连接,因此使用它来管理矩阵不是问题。LXI控制还意味着他们可以通过网络访问矩阵状态,而无需通过访问LXI产品Web服务器来干预控制器。

在讨论中出现了另一个问题,在对撞机上进行的实验是大型且昂贵的操作,CERN想要的最后一件事是发现矩阵中的开关出现了故障,并阻止了监视操作。知道Pickering Interfaces已在LXI和PXI(称为BIRST)中实现了自检, CERN要求在交换系统中进行某种自检,并且理想情况下,因为交换机需要同轴连接器,所以该测试必须能够在输入下运行并且输出连接到无源电源/负载。能够远程启动和运行自检也是OASIS的强大工具。

CERN的对撞机信号监控插图1

65-110宽带模块化机箱48×16 LXI矩阵,带抽屉系统,可添加或删除插件

用于CERN的解决方案是 65-110宽带模块化LXI矩阵 。开关矩阵基于具有专用仿真总线系统的机箱。可以在机箱中安装一组插件,左手对提供数字转换器所需的16 Y访问连接。然后,一组X插件提供仿真信号输入,将8个信号提供给插件模块。X插件的数量可以从一个(8个X连接断开)到13个(104个X连接断开)扩展,从而允许用户在机箱限制内创建任何所需大小的矩阵。没有安装第二个Y插件,可以创建Y = 8系统-尽管CERN对该配置没有特定要求,但其他用户如果系统要求较小,可能会发现它是一个优势。该设计是完全可由用户配置的,可以实际安装和卸除插件模块,并且LXI控制器中的固件将识别配置并修改可用的矩阵大小以匹配所安装的插件模块。基于Web的软前面板是LXI标准强烈鼓励的功能,它允许对矩阵进行无人驾驶控制。

CERN的对撞机信号监控插图2
可以通过LXI配置页面访问65-110的软面板,以控制或监视矩阵设置。LXI控制器将矩阵显示为单个实体,从而大大简化了用户对设置的理解

矩阵是一个模块化的解决方案,但是模块的大小是按比例缩放以适合应用程序的,而不是遵守特定的标准。65-110插件和仿真总线系统必须经过精心设计,以保持RF性能,尤其是串扰,以确保适合应用。典型配置中的RF BW高于300MHz,这在很大程度上是由于对低串扰的需求所驱动,并且具有出色的VSWR。

像许多现代仪器一样,模块通过PCIe接口在内部与LXI控制器进行通信,并且LXI控制器将其“虚拟化”为单个矩阵,因此LXI控制器使用户对矩阵进行编程的任务变得更加容易。LXI控制器向用户隐藏了交换系统的复杂性,矩阵对用户而言只是一个实体,而不是一组单独的子组件(模块)。它的行为就像台式仪器,而不是模块化仪器。

该设计在插件模块下方使用模拟总线,而不是在插件背面,这在模块化系统中通常是这种情况–在矩阵中,使X和Y信号线彼此成直角更为有意义改善串扰和隔离。这是LXI的一项功能–对模块的尺寸或仿真总线的位置没有特别的限制,因此Pickering Interfaces能够设计出模块化的结构来满足开关要求。

CERN的对撞机信号监控插图3
65-110上的Web界面允许通过标准LXI配置页面 轻松访问自测工具
 

65-110 LXI矩阵具有自检功能,可检查所有信号路径中是否有故障的继电器(闭合,断开或高阻)。该设计使用低电平信号,因此无需断开用户连接即可运行测试(连接100多个同轴导线非常耗时,而且考虑到所涉及的距离也不是很实用),并且自测可以当用户距离矩阵很远时,可以通过LXI兼容的Web界面来启动,而无需使用外部控制器程序。用户只需启动测试,嵌入式LXI控制器即可运行测试,结果可通过Web界面查看或作为文件报告给用户。

Pickering Interfaces LXI产品中还包括一个监视工具,该工具使用户能够以图形方式显示矩阵设置,而无需对矩阵进行任何程序访问-LXI系统允许轻松创建存在多个控制器的系统。一个控制器可以设置开关,另一个控制器可以监视什么是设置而不中断编程。

概要

CERN的要求说明了为什么LXI提供了一个出色的平台来创建困难的交换系统,这些交换系统的性能目标很高,交换非常复杂并且需要轻松的远程访问。CERN在下一轮以更高对撞机能量运行的实验中,将充分利用65-110交换矩阵的LXI方面作为OASIS系统的一部分。

参考文献

如果您想了解CERN如何管理实验,可以在其网站上找到更多信息,以下链接提供了可用的公共领域信息示例:

http : //home.web.cern.ch/about/updates/2013/04 / animation-shows-lhc-data-processing

http://home.web.cern.ch/about/engineering

http://home.web.cern.ch/about/accelerators

https:// be-dep-co。 web.cern.ch/content/oasis



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