[论文解读] Design and Performance Analysis of a Non-Standard EPICS Fast Controller

J. Jugo, Mikel Eguiraun+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2014

Particle Detector Development and Performance参考文献 20被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于LabVIEW RT的EPICS快速控制器，采用NI PXIe硬件，用于粒子加速器中的高性能控制，通过自定义网关实现实时信号处理与EPICS集成。该方法在性能上可与标准EPICS IOCs相媲美，但开发速度更快，然而在超过80个监控器的高并发监控负载下表现出不稳定性。

ABSTRACT

The large scientific projects present new technological challenges, such as the distributed control over a communication network. In particular, the middleware EPICS is the most extended communication standard in particle accelerators. The integration of modern control architectures in these EPICS networks is becoming common, as for example for the PXI/PXIe and xTCA hardware alternatives. In this work, a different integration procedure for PXIe real time controllers from National Instruments is proposed, using LabVIEW as the design tool. This methodology is considered and its performance is analyzed by means of a set of laboratory experiments. This control architecture is proposed for achieving the implementation requirements of the fast controllers, which need an important amount of computational power and signal processing capability, with a tight real-time demand. The present work studies the advantages and drawbacks of this methodology and presents its comprehensive evaluation by means of a laboratory test bench, designed for the application of systematic tests. These tests compare the proposed fast controller performance with a similar system implemented using an standard EPICS IOC provided by the CODAC system.

研究动机与目标

• 使用商用现成PXIe硬件和LabVIEW RT开发一种高性能、实时的粒子加速器控制架构。
• 通过自定义通信网关实现实验室基于LabVIEW的控制器与EPICS网络的无缝集成。
• 评估所提出的架构在性能和鲁棒性方面与标准EPICS IOC实现的对比表现。
• 识别可扩展性限制，特别是高PV和监控器负载下的表现，并提出缓解策略。

提出的方法

• 使用National Instruments PXIe硬件（含FPGA和RT模块）实现实时控制器。
• 在LabVIEW Real-Time（RT）环境中开发EPICS通道访问（CA）服务器，实现与EPICS网络的直接通信。
• 设计通信网关，将基于LabVIEW的控制逻辑暴露为完整的EPICS IOC。
• 使用LabVIEW中的DSC（分布式共享内存）模块管理EPICS PV和监控事件。
• 搭建实验室测试平台，系统性地将所提系统与标准CODAC-based EPICS IOC进行对比。
• 在不同工作负载下进行基准测试：PV数量、get请求次数以及同时监控连接数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在延迟和吞吐量方面，基于LabVIEW RT的快速控制器与标准EPICS IOC相比表现如何？
• RQ2 在PV数量和同时监控器数量较高的情况下，LabVIEW EPICS服务器的可扩展性极限是什么？
• RQ3 基于LabVIEW的系统能否实现适用于大规模加速器控制的可靠实时行为？
• RQ4 与标准EPICS IOC部署相比，基于LabVIEW的系统的初始化时间有何差异？
• RQ5 LabVIEW EPICS集成中的关键性能瓶颈是什么？如何加以缓解？

主要发现

• 所提出的基于LabVIEW的控制器在典型控制工作负载下，性能与标准EPICS IOCs相当。
• 该系统每控制器支持高达16,000个PV，较基线配置提升八倍。
• 单个get请求最多可处理180个PV而不会导致性能下降。
• 当同时EPICS监控器超过80个时，基于LabVIEW的系统表现出不稳定性，包括数据请求期间的随机挂起。
• 基于LabVIEW的解决方案初始化时间长于标准EPICS IOC。
• 网关架构实现了EPICS的透明集成，并支持未来通过改进提升监控可扩展性。