筑波大学技術報告
25: 24-29, 2005

ビームスリットのリモートコントロール～ XPort,Web I/O の応用例 ～大和良広1
筑波大学研究基盤総合センター 応用加速器部門〒305-8577 茨城県つくば市天王台 1-1-1

概要
筑波大学 研究基盤総合センター応用加速器部門（旧 加速器センター）のタンデム加速器で加速されたイオンビームの太さを決定するビームスリットを遠隔制御するシステムを構築した。XPort ,Web I/Oを利用し PC によってコントロールするシステムである。スリットの位置情報をモニターしながら自由に設定条件を変えられるほか、設定条件を選択して全自動で設定できるようにした。XPort や Web I/O
による LAN を用いた安価な遠隔制御の一例として報告する。

１．はじめにタンデム加速器で加速されたイオンビームの太さを決定し、加速器のフィードバック制御にも重要なビーム分析電磁石用スリットが老朽化し精度を要求される実験に不都合なため、新しいスリットを購入し交換する事になった。これまでは分析電磁石室の現場で６枚のスリットを手動で設定していたが、交換を機にリモートコントロール化が望まれ今回のシステム構築を行うこととなった。今まで手動で変えるためにかかっていた時間と労力を軽減し高精度で効率の良い実験遂行が行える様、考慮して設計・製作を行った。

２．ビームスリット
タンデム加速器では加速された後、広がったイオンビームを細くかつ発散を制御したビームとするため図１の様に２カ所（赤丸で囲まれた部分）にスリットを設置している。図２の様な X/Y 矩形開口式の４枚スリット(Object Slit) と図３の様な Y 方向２枚スリット (Image Slit) が使用されている。これまで、加速器購入時に設置された手動式のスリットで実験テーマ毎に設定条件を変えたり、同じ実験中でも場合によっては何度もウォータードア（放射線遮蔽扉）の開閉をして現場で設定条件を変えなければならなかった。１回動かすために１５分程度の時間を要し更に計測・制御室からかなり離れているため頻繁な設定変更は負担であった。
図２．Object Slit の内部写真
1

図１．ビームスリットの位置とサイズを絞るイメージ

図３．Image Slit の内部写真

E-mail: yamato@tac.tsukuba.ac.jp; Tel: 029-853-6215

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３．ビームスリット制御系
3.1 ハードウェア
ステッピングモーターを用いなかったのは現場の今回のシステムでは、スリットの位置情報をミツ回路系を単純にしたかったのと予算の都合である。
トヨ社ABSデジマチックインジケータ ID-C1122を用いて高精度（5μm程度の精度）に読み取る様に改造 モ ー タ ー は オ ム ロ ン 社 リ レ ー タ ー ミ ナ ル
4した。静電加速器で良く用いられるnec社3ハイパワー G70D-VSOC16 を介してLifetron 社Web I/O 16 点リ
スリットBDS6（図４）などでは標準で位置情報は駆 レー接点出力ユニットRO-16 でイーサネットからPC動モーターに連動するポテンショメータ電圧のデジ で正転・逆転・停止制御する。
パネ表示と本体にインチ表示のダイヤルゲージが付いているのみである。これらは多芯ケーブルとAC115Vで遠隔制御する設計なので高精度化、省配線化、自動化のためにダイヤルゲージやモーター取り付け部分などの機械部分の改造も行った。
図５に機器の接続状態を示す。ID-C112 のデジマ
チック出力は専用の 4CH マルチプレクサ MUX-10F
により RS-232C に変換され若松通商社 XPort mini
ユニット完成品によってイーサネットに変換される。
これを PC でスリットの位置情報としてモニターしている。
スリットの位置制御は、「高精度が要求される実験」と「設定時間の高速さが要求される実験」の２つの要求を満たすためオリエンタルモーター社
US206-401 スピードコントロールモーターを用いた。
図４．新品時の Image Slit BDS6 駆動部

図５．ビームスリット制御系 機器接続図

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http://www.mitutoyo.co.jp/
http://www.pelletron.com/

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http://www.lifetron.jp/

3.2 XPort5

今回のシステム作成時に困ったのは、ID-C112→
米 Lantronix 社の製品で RJ-45 コネクターサイズにMUX-10F → XPort の 接 続 で マ ル チ プ レ ク サ
CPU、イーサチップ、RTOS、TCP/IP とその上位アプ
MUX-10F の RS-232C 入出力を XPort を通すと通信速リケーション層までを実装した、親指大の大きさの 度 4800bps にまで落とさないと文字化けしてしまっ超小型デバイスサーバである。TCP/IP 通信は一般的 た事である。MUX-10F 単体で PC のシリアル I/F にに多くの CPU リソースを必要とするが、XPort 自身 つなげば仕様最大速度の 19200bps でも問題なく通信で必要な通信能力を完結している点が優れている。 できるため XPort 側の電圧不足を疑っているが詳このため安価なシリアル－イーサネット変換の装置 しく調査していないので解決に至っていない。また、として様々な機器に組み込まれ応用されている。
web コントロールが可能であるが port 80 固定な上RS-232Cを通信手段とした計測機器や装置はまだ パスワードの制限文字数が少ないのが難点である。
まだ多数存在する。このデータをLANに載せるため ファイヤーウォールの内側に置き port 80 も遮断しの装置としては現状最小であり安価であることから、 ないとセキュリティー上問題である。
様々な現場で利用できると思われる。単純にパソコンの COM ポートと接続して使用するソフトウェア
であれば Com Port Redirector6 を使用する事によっ
XPortて LAN を 通 し て 遠 隔 に あ る 装 置 を す ぐ そ ば に
RS-232Cケーブルでつないだ装置のように利用する
RS-232C事も可能である。
LAN
オリジナルのソフトウェアの作成には、通常のソCOM1ケット通信によるプログラミングが必要なのでやや敷居が高いが、Visual Basic , Visual C++ , Java , PerlPCなど開発言語やWindows , Mac , Linuxなどのプラットフォームを選ばない点では優れている。C++で作成する場合はフリーライブラリソフトのJNetLib 7 などを利用すると良いかもしれない。
ソフトウェア作成中のデバッグの方法は、図６のTeraTermPro
TeraTermPro
様に１台のPCのシリアルポートとLANポートの両方
COM1ポート
ポート
10001を使いTeraTermPro 8 を２つ立ち上げ１つはシリアル端末
telnet 端末
COM1 ポートで接続、もう１つはXPortに設定したIP
シリアル側
LAN 側
アドレスにポート 10001 でtelnet接続する。この状態
でシリアル→LAN、LAN→シリアルの通信を１台のPCで確認できる。また、XPort側（サーバ側）の代役としてTCP/IPソケット通信テスト用のフリーソフト
図６．PC１台でシリアル－LAN 通信
ウェアPilot TCP9 , TIDT(TCP/IP Debugger Tool)10などが非常に役立った。
今回のシステムでは若松通商 11 で販売している
XPort01 にシリアルポート、電源、ケースまでセットにした完成品LANTRONIX Xport miniユニット （図７）を使用した。2005 年 1 月現在、初期タイプのXPort01 は販売中止予定になっておりシリアルを高速化した XPort03 に移行する。また、無線LAN用のWiPort も発売されている。

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http://www.lantronix.com/lang/jp/products/ds_xport.shtml

6

http://www.lantronix.com/device-networking/utilities-tools/com-port-redirector.html
7
http://www.nullsoft.com/free/jnetlib/
8
http://hp.vector.co.jp/authors/VA002416/9
http://rd.vector.co.jp/soft/dl/win95/net/se178300.html
10
http://www.vector.co.jp/soft/win95/net/se296044.html

図７．LANTRONIX Xport mini ユニット
（A4 印刷でほぼ実物大）11

http://www.wakamatsu.ne.jp/cgi-bin/shop/shop.cgi?class=4/1&
keyword=LANTRONIX

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3.3 Web I/O

図８．Web I/O デモソフト画面例(RO-16)

図９．パッケージ開放した RO-16 (旧 Ver.)
学内・インターネット
LAN（株）ライフトロン社12の製品で、USB,イーサネッ
ト,無線LANの３種類のインタフェース(I/F)を利用したデジタル I/O、リレー接点出力、アナログ入力、アナログ出力、加減算カウンタなど様々な計測制御モジュールがある。計測制御対象が少数である場合手軽に利用できる。またGUIにこだわらなければ付属のデモソフト（図８）で大抵の操作は可能である。パソコンなしでWeb I/O間の信号伝送が可能なマスターI/O Seriesを使えば完全なプログラムレスも可能である。例えばマスターI/O に RO-16(E2) を使用し、スレーブI/O に DI-16(E2) を使用すると１６系統のON/OFF スイッチと状態表示ランプの点灯／消灯といった用途に利用できる。LAN内であれば通信が届
く限りどんなに離れていても２つのモジュールとLANケーブルだけで省配線信号伝送遠隔スイッチとして利用できる。
今回のシステムでは、図９のフォトモスリレーを用いた 16 点リレー接点出力モジュール RO-16 を使用した。
今回使用したのは発売されて間もない頃購入したモジュールのため Ethernet I/F が XPort であった。
そのため XPort Firmware のバグと思われる厄介なトラブルを経験した。XPortにはEmail Triggerという指定したシリアルのトリガーでメール送信する機能があるがトリガー無し(None)に設定しても 1,2 回／秒で無意味なトリガーメッセージが 0.0.0.0:25 に向けて送信されてしまった。Lantronix社のXPort設定ソフト「DeviceInstaller 3.6」13やwebブラウザでの設定ではトリガー無しが反映されず、 「telnet」のE-mailsettingsでのみ設定が有効になった。
また、WebI/O 付属の「WebIO インストーラ」では、IP アドレスの設定しか出来ないので「DeviceInstaller」で netmask, gateway を正確に設定する必要がある。
gateway がディフォルトの 0.0.0.0 のままで応用加速器部門内部ファイヤーウォールの内側のスイッチ
ン グ ハ ブ (PLANEX COMMUNICATIONS Inc.
FX-16N)に接続しているとスイッチングハブがフリーズ（ハングアップ）する事態（図１０）が起こった。netmask, gateway を正確に設定するとこの現象は治まったので安全のため XPort を使用する場合はこれらをきちんと設定しておく方が良い。
2004 年 5 月出荷以降の Web I/O 製品は開発の融通の点から Ubicom,Inc. IP2022 を使用しているとの事なのでこのトラブルはなさそうである。

加速器部門ルータ

netmask : x.x.x.x
gateway : x.x.x.x
加速器部門内部ファイヤーウォール
スイッチングハブ
FX-16N
コントロール PC

netmask : x.x.x.x
gateway : x.x.x.x

これがフリーズ

WebI/O (RO-16)
netmask : 0.0.0.0
gateway : 0.0.0.0

図１０．スイッチングハブのフリーズ
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http://www.lifetron.jp/
http://www.lantronix.com/device-networking/utilities-tools/

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４．制御ソフトウェア

通常はスリットの位置確認を行うだけの事が多い
制御ソフトウェアは Windows2000 PC で Visual C++ のでソフトウェア立ち上げ時にはモニター画面（図で作成した。実行形の最高速化とサイズのコンパク １１左側）のみを表示し、実際にコントロールするト化を目指すのが主な選択理由であるが筆者がWindow は「スリットコントロールパネル」メニュー
Visual C++の操作に慣れてしまったため作りやすい より別のダイアログボックス（図１１右側）を開きという理由もある。
設定後には閉じる様に設計した。
図１１にコントロール画面を示す。スリットの位3.2 で述べた様にシリアル通信速度が 4800bps の置情報をモニターしながら自由に [IN] [OUT] ボタ
ため位置情報モニターのリフレッシュ時間が長めでンでスリットの設定条件を変えられるほか、エディ ある。そのため、全自動設定時やマウスボタンによットボックスに目標値を入れて個別に [自動設定] るスリット IN/OUT 操作時にモーター速度が速いとできる。また、あらかじめアサインされたスリット 精度良く位置決めするのが難しかった。これを解決
設定条件を「位置設定パネル」にあるラジオボタン するためにスピードコントロールモーターによってで選択すると目標値が該当データに変わり個別に 高精度設定が必要なときは回転速度を 1/10 程度ま[自動設定] または [全自動設定] できるようにした。 で落として正確に位置決めを行える様に工夫した。
「位置設定パネル」のデータアサインを変更したい
この他ユーザーがスリットの位置関係を忘れた場
場合テキスト形式の設定ファイルを作り [設定ロー合に参考とするため「ヘルプ」メニューに写真によド] により再アサインが可能になっている。
る「位置説明図表示」機能（図１２）を設けた。

図１１．ビームスリットコントロール画面

図１２．スリット位置説明ヘルプ画面

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５．開発環境の問題

６．まとめ

図１３は筆者がソフトウェア開発を行っている環境の写真である。LAN 環境や AC 電源が整っていなければならない上、スリット等の比較的大きくて重いハードウェアを開発環境の周りに多数並べなければならないのでかなり手狭であった。開発環境の整備は重要であるが部屋の自由度が低い上、日常業務に忙殺され、なかなか理想通りにはならない。実際にハードウェアを使用する場所（加速器の直近や分析電磁石室など）でのテスト・デバッグ・修正作業は更に劣悪な環境であり、今後、この辺の問題を考えていく必要がある。

今までビーム条件を変更するために一々ビームを停止し、２階制御室からかなり離れた１階ビーム分
析電磁石室まで行き、ウォータードア（放射線遮蔽扉）を開けて現場でスリット設定条件を手動で変えなければならなかった。このため条件を変更して実験を再開するまで１５分程度の時間を要し、多数回変更が必要な場合操作者の体力的負担も大であった。
このシステムにより、６枚のスリットを同時に実験条件に合った位置に１分以内に設定でき、時間と労力の軽減、高精度で効率の良い実験遂行に貢献することが期待できる。
最後に機械部分の改造・工作を引き受けてくださった研究基盤総合センター応用加速器部門技術専門職員の石井聡氏に感謝します。

参考文献[1] XPort 製品マニュアル :http://www.lantronix.com/support/documentation.html#embds[2] 小野泰正,et al,シリアル－イーサネット変換器 XPort の試用リポート＜前編＞,トランジスタ技術 2003 年 9 月号,P1-9[3] 小野泰正,et al,シリアル－イーサネット変換器 XPort の試用リポート＜後編＞,トランジスタ技術 2003 年 10 月号,P10-19[4] 日新システムズ web site :http://www.co-nss.co.jp/download/download-top.html[5] Web I/O 製品マニュアル :http://www.lifetron.jp/download.htm

図１３．ソフトウェア開発風景

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