用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统

本发明涉及粒子加速器，尤其涉及一种用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统。

背景技术：

1、粒子加速器是一个多系统、高维结构的强耦合系统，运行过程中多个系统在同一时间基准下调度运行，完成基于统一时间基准的高耦合任务。定时系统是实现粒子加速器时序调度的中枢，其组件的同步性决定了系统的性能，定时组件的同步性偏差测量对系统同步性补偿具有重要的意义。同步性偏差的测量依据是输入信号时刻的精确标记和理论输出时刻的获取，定时系统在每一个运行周期前计算设备的理论输出时刻，所以同步性偏差的测量依赖于输入信号的时间测量。

2、时间测量是指测量一个事件发生的时刻，精密的时间测量在自然科学研究领域的重要性日渐提升。目前常用的时间数字转换模块主要有两种实现形式，一种是专用集成电路(asic)，另一种是可编辑逻辑阵列(fpga)。相较于专用集成电路，可编辑逻辑阵列具有更高的灵活性、更好的集成度和更短的开发周期等优点。随着可编辑逻辑阵列的工艺提升，相比于专用集成电路，以可编程逻辑电路为基础的时间数字转换模块具有在精确度、性能上的可应用性。

3、常见的基于可编程逻辑电路实现的时间数字转换模块有三种方法，基于多相位时钟的方法、基于内部专用逻辑单元的方法和基于内部延迟链的方法。因为与系统时钟耦合严重，前两种方法相较于基于内部延迟链的方法在测量精度方面有较大差距。基于内部延迟链的结构对延迟单元的鲁棒性及性能要求较高，对系统时序完整性要求较高；如各个延时单元延时长度不均一时，导致的总延迟时间计算错误，当使用单路延迟链结构对输入信号进行计算时，由于温度、电压等客观因素及工艺等问题的影响可能会出现气泡问题，从而导致延迟通路长度判断错误；输入信号经过单链路测量时因单延迟链路经过触发器输出的时间跨度而导致数据的不均匀跳变而无法确认准确的测量值。

技术实现思路

1、本发明提供一种用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，用以解决现有技术中对定时组件延时偏差测量不准确地问题。

2、本发明提供一种用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，包括：启动时刻计算单元和同步性偏差监测单元；

3、所述启动时刻计算单元用于获取定时系统中各定时组件的理论启动时刻；

4、同步性偏差监测单元用于根据各所述定时组件输出的待测门信号确定加速器设备的实际启动时刻，并基于实际启动时刻和理论启动时刻计算同步性偏差。

5、根据本发明提供的一种用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，同步性偏差监测单元包括：沿标记模块、延迟阵列模块、去气泡温度计码读出模块、校正模块、时间定位模块、时间戳生成模块、数据传输模块、偏差计算模块和时钟同步模块，所述沿标记模块连接延迟阵列模块，所述延迟阵列模块连接去气泡温度计码读出模块，所述去气泡温度计码读出模块连接校正模块，所述校正模块和时间定位模块连接时间戳生成模块，所述时间戳生成模块连接数据传输模块，所述数据传输模块连接偏差计算模块，所述时钟同步模块为沿标记模块、延迟阵列模块、去气泡温度计码读出模块、在线校正模块、时间定位模块、时间戳生成模块、数据传输模块和偏差计算模块提供时钟基准。

6、根据本发明提供的一种用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，所述沿标记模块用于分别接收对应的所述定时组件输出的待测门信号，将所述待测门信号传输至延迟阵列模块，在所述待测门信号上升沿时刻进入start状态，产生start标志；在所述待测门信号下降沿时刻进入stop状态，产生stop标志。

7、根据本发明提供的一种用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，所述延迟阵列模块包括：第一延迟阵列、第二延迟阵列和触发器阵列，所述第一延迟阵列和第二延迟阵列分别接收所述待测门信号，所述第一延迟阵列在start标志产生时，将其每一级延迟单元延迟后的第一延迟数据通过所述触发器阵列传输至所述去气泡温度计码读出模块，所述第二延迟阵列在stop标志产生时，将其每一级延迟单元延迟后的第二延迟数据通过所述触发器阵列传输至所述去气泡温度计码读出模块。

8、根据本发明提供的一种用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，第一延迟阵列和第二延迟阵列分别包括四路延迟链，且每一路延迟链的布线路径长度相等。

9、根据本发明提供的一种用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，所述去气泡温度计码读出模块用于对所述第一延迟数据和第二延迟数据分别去气泡操作，以得到各定时组件对应的待测门信号分别在start标志产生时和stop标志产生时经过的延迟单元个数。

10、根据本发明提供的一种用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，所述在线校正模块用于对经过延迟单元的时间宽度进行校正，分别存储经过i个延迟单元的时间宽度，并基于start标志产生时，待测门信号经过的延迟单元个数，确定第一细时长，基于stop标志产生时，待测门信号经过的延迟单元个数，确定第二细时长，其中，i＝1,2,…,n，n表示延迟链中延迟单元的总个数，所述第一细时长和第二细时长均小于一个时钟周期的时长。

11、根据本发明提供的一种用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，所述在线校正模块包括：第一实时在线校正模块和第二实时在线校正模块，每一个实时在线校正模块中，按地址从低到高依次预先存储去气泡温度计码读出模块中读出的信号分别经过的延迟单元个数，当待测门信号是以同步时钟为时长范围的呈现高斯分布的随机信号时，通过码密度法计算经过延迟单元的时间宽度，当码密度法计算次数达到预定次数后，第一实时在线校正模块和第二实时在线校正模块工作状态切换，处于工作状态的实时在线校正模块进入更新状态，处于更新状态的实时在线校正模块进入工作状态。

12、根据本发明提供的一种用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，所述时间戳生成模块用于根据时间定位模块输出的start标志产生时的绝对时刻、stop标志产生时的绝对时刻、所述在线校正模块输出第一细时长和第二细时长生成时间信息，所述时间信息包括：待测门信号的高电平输入绝对时刻和待测门信号的时间宽度，待测门信号的高电平输入绝对时刻通过start标志产生时的绝对时刻减去所述第一细时长得到，待测门信号的时间宽度通过stop标志产生时的绝对时刻减去所述第二细时长，再减去所述待测门信号的高电平输入绝对时刻得到，以所述待测门信号的高电平输入绝对时刻作为所述实际启动时刻。

13、根据本发明提供的一种用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，所述偏差计算模块用于从所述启动时刻计算单元获取所述理论启动时刻，并结合所述实际启动时刻计算同步性偏差。

14、本发明提供的用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，通过启动时刻计算单元获取粒子加速器中各定时组件的理论启动时刻；同步性偏差监测单元根据各所述定时组件输出的待测门信号确定加速器设备的实际启动时刻，并基于实际启动时刻和理论启动时刻计算同步性偏差，从而能够准确地测量定时组件的延时偏差。

技术特征：

1.一种用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，其特征在于，包括：启动时刻计算单元和同步性偏差监测单元；

2.根据权利要求1所述的用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，其特征在于，同步性偏差监测单元包括：沿标记模块、延迟阵列模块、去气泡温度计码读出模块、校正模块、时间定位模块、时间戳生成模块、数据传输模块、偏差计算模块和时钟同步模块，所述沿标记模块连接延迟阵列模块，所述延迟阵列模块连接去气泡温度计码读出模块，所述去气泡温度计码读出模块连接校正模块，所述校正模块和时间定位模块连接时间戳生成模块，所述时间戳生成模块连接数据传输模块，所述数据传输模块连接偏差计算模块，所述时钟同步模块为沿标记模块、延迟阵列模块、去气泡温度计码读出模块、在线校正模块、时间定位模块、时间戳生成模块、数据传输模块和偏差计算模块提供时钟基准。

3.根据权利要求2所述的用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，其特征在于，所述沿标记模块用于分别接收对应的所述定时组件输出的待测门信号，将所述待测门信号传输至延迟阵列模块，在所述待测门信号上升沿时刻进入start状态，产生start标志；在所述待测门信号下降沿时刻进入stop状态，产生stop标志。

4.根据权利要求3所述的用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，其特征在于，所述延迟阵列模块包括：第一延迟阵列、第二延迟阵列和触发器阵列，所述第一延迟阵列和第二延迟阵列分别接收所述待测门信号，所述第一延迟阵列在start标志产生时，将其每一级延迟单元延迟后的第一延迟数据通过所述触发器阵列传输至所述去气泡温度计码读出模块，所述第二延迟阵列在stop标志产生时，将其每一级延迟单元延迟后的第二延迟数据通过所述触发器阵列传输至所述去气泡温度计码读出模块。

5.根据权利要求4所述的用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，其特征在于，第一延迟阵列和第二延迟阵列分别包括四路延迟链，且每一路延迟链的布线路径长度相等。

6.根据权利要求4所述的用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，其特征在于，所述去气泡温度计码读出模块用于对所述第一延迟数据和第二延迟数据分别去气泡操作，以得到各定时组件对应的待测门信号分别在start标志产生时和stop标志产生时经过的延迟单元个数。

7.根据权利要求6所述的用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，其特征在于，所述在线校正模块用于对经过延迟单元的时间宽度进行校正，分别存储经过i个延迟单元的时间宽度，并基于start标志产生时，待测门信号经过的延迟单元个数，确定第一细时长，基于stop标志产生时，待测门信号经过的延迟单元个数，确定第二细时长，其中，i＝1,2,…,n，n表示延迟链中延迟单元的总个数，所述第一细时长和第二细时长均小于一个时钟周期的时长。

8.根据权利要求7所述的用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，其特征在于，所述在线校正模块包括：第一实时在线校正模块和第二实时在线校正模块，每一个实时在线校正模块中，按地址从低到高依次预先存储去气泡温度计码读出模块中读出的信号分别经过的延迟单元个数对应的时间宽度，当待测门信号是以同步时钟为时长范围的呈现高斯分布的随机信号时，通过码密度法计算经过延迟单元的时间宽度，当码密度法计算次数达到预定次数后，第一实时在线校正模块和第二实时在线校正模块工作状态切换，处于工作状态的实时在线校正模块进入更新状态，处于更新状态的实时在线校正模块进入工作状态。

9.根据权利要求7所述的用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，其特征在于，所述时间戳生成模块用于根据时间定位模块输出的start标志产生时的绝对时刻、stop标志产生时的绝对时刻、所述在线校正模块输出第一细时长和第二细时长生成时间信息，所述时间信息包括：待测门信号的高电平输入绝对时刻和待测门信号的时间宽度，待测门信号的高电平输入绝对时刻通过start标志产生时的绝对时刻减去所述第一细时长得到，待测门信号的时间宽度通过stop标志产生时的绝对时刻减去所述第二细时长，再减去所述待测门信号的高电平输入绝对时刻得到，以所述待测门信号的高电平输入绝对时刻作为所述实际启动时刻。

10.根据权利要求9所述的用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，其特征在于，所述偏差计算模块用于从所述启动时刻计算单元获取所述理论启动时刻，并结合所述实际启动时刻计算同步性偏差。

技术总结
本发明涉及粒子加速器技术领域，提供一种用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统，包括：启动时刻计算单元和同步性偏差监测单元；所述启动时刻计算单元用于获取定时系统中各定时组件的理论启动时刻；同步性偏差监测单元用于根据各所述定时组件输出的待测门信号确定加速器设备的实际启动时刻，并基于实际启动时刻和理论启动时刻计算同步性偏差。本发明用于粒子加速器定时组件同步性偏差的监测系统能够准确地测量定时组件的延时偏差。

技术研发人员：葛良,段启昊,张玮,童涛,岳敏
受保护的技术使用者：中国科学院近代物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27