[论文解读] Versatile Data Acquisition and Controls for Epics Using Vme-Based Fpgas

Trent Allison, R. Flood|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2001

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于VME的FPGA架构，用于在杰斐逊实验室实现灵活、快速原型设计的数据采集与控制系统，通过EPICS实现系统集成。通过使用可定制的FPGA逻辑和标准化库，该系统实现了低延迟、实时控制，并具备读回功能，与商用解决方案相比，显著降低了开发时间和成本。

ABSTRACT

Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) have provided Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) with versatile VME-based data acquisition and control interfaces with minimal development times. FPGA designs have been used to interface to VME and provide control logic for numerous systems. The building blocks of these logic designs can be tailored to the individual needs of each system and provide system operators with read-backs and controls via a VME interface to an EPICS based computer. This versatility allows the system developer to choose components and define operating parameters and options that are not readily available commercially. Jefferson Lab has begun developing standard FPGA libraries that result in quick turn around times and inexpensive designs.

研究动机与目标

• 开发一种适用于加速器和实验物理应用的灵活、低成本数据采集与控制系统。
• 通过使用可重构FPGA而非专用商业硬件，减少开发时间和成本。
• 通过VME接口与EPICS集成，实现实时系统监控与控制。
• 将FPGA设计标准化为可重用库，以实现在多个系统中的快速部署。
• 为系统操作员提供通过统一的VME基础接口进行配置化读回与控制功能。

提出的方法

• 在VME总线平台实现FPGA逻辑，以连接各种实验系统。
• 设计模块化、可重用的FPGA构建模块，以满足特定系统需求。
• 通过VME将FPGA控制的系统与EPICS集成，实现实时数据交换与控制。
• 采用标准化的FPGA库方法，加快设计周期并减少错误。
• 配置FPGA以同时支持数据采集和控制功能，并具备板载读回能力。
• 在VME环境中部署系统，以确保与现有加速器基础设施的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于FPGA的VME系统在实验物理领域如何提升数据采集与控制的速度和成本效益？
• RQ2 可重用的FPGA库在多大程度上能够缩短开发时间并提高系统可靠性？
• RQ3 基于VME的FPGA是否能够为复杂控制系统提供足够的实时性能和与EPICS的集成能力？
• RQ4 在标准VME环境中，FPGA逻辑可实现的定制化和可配置性水平如何？
• RQ5 与商用现成解决方案相比，FPGA在灵活性和部署时间方面有何优势？

主要发现

• 与传统商用解决方案相比，基于FPGA的系统显著缩短了开发时间。
• 可定制的FPGA逻辑使系统参数和工作模式能够精确适配，这是现成产品无法提供的功能。
• 通过VME与EPICS的集成，实现了可靠、实时的数据采集与控制，并具备板载读回功能。
• 标准化的FPGA库实现了跨多个系统的快速部署和重用，提高了系统一致性并减少了错误。
• 该方法在使用同一基础硬件平台与多种系统接口时表现出高度的通用性。
• 该系统成功在一个FPGA设计中同时实现了数据采集和控制功能，最大限度减少了硬件复杂性。