[论文解读] An Overview of the LIGO Control and Data Acquisition System

R. Bork, R. Abbott+2 more|ArXiv.org|Nov 9, 2001

Magnetic confinement fusion research参考文献 4被引用 10

一句话总结

本文介绍了LIGO控制与数据采集系统（CDS）的设计与运行，该系统采用VME硬件和VxWorks操作系统，实现对4公里干涉仪臂上多输入多输出（MIMO）控制回路的紧密集成管理，同时实现微秒级精确的数据时间戳。该系统支持每个干涉仪的数据率超过5 MB/s，通过光纤反射内存网络将前端处理器与数据采集系统连接，实现对实时分析和通过LDAS与GDS的长期存储。

ABSTRACT

The LIGO Control and Data system (CDS) features a tightly coupled and highly integrated control and data acquisition system. Control of the interferometers requires many Multiple Input Multiple Output (MIMO) control loops closed both locally and across the 4-kilometer interferometer arm lengths. In addition to providing the closed loop control, the control systems front end processors act as Data Collection Units (DCU) for the data acquisition system. Data collected by these front ends and the data acquisition system must be collected and time stamped to an accuracy of 1 microsecond and made available to on-line analysis tools such as the Global Diagnostics System (GDS)[1]. Data is also sent to the LIGO Data Analysis System (LDAS)[2] for long-term storage and off-line analysis. Data rates exceed 5 Mbytes per second per interferometer continuous. Connection between the various front end processors and the data acquisition system is achieved using fiber optic reflective memory networks. Both controls and data acquisition systems use VME hardware and VxWorks operating systems. This paper will present an overview of the LIGO CDS and discuss key aspects of its design.

研究动机与目标

• 设计一种高度集成的控制与数据采集系统，能够管理LIGO 4公里干涉仪中的复杂MIMO反馈回路。
• 确保分布在各处的前端处理器之间数据的时间同步精度达到亚微秒级。
• 通过将控制系统与数据采集基础设施集成，实现实时数据处理和长期归档。
• 通过高带宽、低延迟通信网络，支持每个干涉仪超过5 MB/s的数据率。
• 通过在整个LIGO网络中统一使用标准化的VME硬件和VxWorks操作系统，实现控制与数据采集功能的整合。

提出的方法

• 在4公里干涉仪臂之间本地及跨臂闭环实现多输入多输出（MIMO）控制回路，以稳定激光迈克尔逊干涉仪。
• 将前端处理器用作数据采集单元（DCUs），同时执行控制功能并采集传感器数据。
• 采用光纤反射内存网络，将前端处理器与中央数据采集系统连接，实现低延迟、高带宽通信。
• 对所有采集的数据应用微秒级精确时间戳，以实现在分布式组件之间的精确同步。
• 利用VME硬件平台和VxWorks实时操作系统，确保确定性性能和系统可靠性。
• 将数据路由至在线分析工具（如全局诊断系统GDS）和通过LIGO数据分析系统（LDAS）的离线存储。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种高度集成的控制与数据采集系统，以满足引力波探测对严格时间同步和带宽的高要求？
• RQ2 何种架构能够实现在大规模干涉仪中，对分布式、高速率数据流实现微秒级精确的时间戳？
• RQ3 如何使控制系统前端同时作为高性能数据采集单元，而不影响实时稳定性？
• RQ4 何种通信技术可确保分布式前端处理器与中央数据采集系统之间实现低延迟、可靠的数据传输？
• RQ5 如何有效利用基于VME的硬件和VxWorks操作系统，在单一系统框架中同时支持实时控制和高吞吐量数据采集？

主要发现

• LIGO CDS成功通过紧密集成的控制与数据采集功能，在4公里干涉仪臂之间管理了复杂的MIMO控制回路。
• 数据以微秒级精度采集并打上时间戳，实现了对实时诊断和长期分析均精确同步。
• 该系统支持每个干涉仪超过5 MB/s的数据率，展示了持续监测引力波的高吞吐能力。
• 光纤反射内存网络为前端处理器与数据采集系统之间提供了可靠、低延迟的互连。
• 在VME硬件上集成VxWorks操作系统，使控制与数据采集功能实现确定性、实时性能，这对干涉仪稳定性至关重要。
• 该系统成功将数据路由至在线分析（GDS）和长期存储（LDAS），确保了科学分析所需的数据端到端可用性。