Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUP094

高機能計測器（Cross Domain Analyzer）の EPICS 制御システムへの導入
INTRODUCTION OF DEDICATED INSTRUMENT （CROSS DOMAIN ANALYZER）
TO EPICS-BASED CONTROL SYSTEM
根本弘幸#, A), 外山毅 B), 山本昇 B) , 山田秀衛 B), 吉田奨 C)
Hiroyuki Nemoto #, A), Takeshi ToyamaB), Noboru YamamotoB), Shuei YamadaB) , Susumu YoshidaC)
A)
ACMOS INCB)
J-PARC Center, KEK and JAEAC)
Kanto Information Service (KIS)

Abstract
Cross Domain Analyzer (U3800 series) is dedicated instrument that can be vector spectrum signal measurements in2channel RF input. We examine U3841 introduction for the high speed high precision tune measurement of the J-PARC
MR ring. It was assuming use alone at first. However, remote control from the J-PARC MR control system wasrequired. Therefore, the control software for the waveform data collection, and developed a GUI.
J-PARC MR control system has been developed using EPICS（Experimental Physics and Industrial Control System）
toolkit. For remote control of U3841 by EPICS, we introduced StreamDevice, EPICS device support. GUI development
were used EDM (Extensible Display Manager). This article gives detailed information of the EPICS application forU3841.

1.

はじめにCross Domain Analyzer（U3800 シリーズ）は、2チャンネル RF 入力でのベクトル・スペクトル信号測定が可能な高機能計測器である。当初は単独使用によるローカルコントロールが前提とされていた。
しかし、J-PARC MR 加速器制御システムからのリモートコントロール、及び取得した波形データの収集が必要とされた。
J-PARC MR 加 速 器 制 御 シ ス テ ム [1] は 、 EPICS（Experimental Physics and Industrial Control System）を採用して開発が行われている [2] 。そこで、EPICSでの Cross Domain Analyzer 制御ソフトウェアおよびGUI 開 発 を 行 っ た 。 EPICS で の Cross DomainAnalyzer 制御を実現するため Device Support にはStreamDevice を使用し、GUI 開発には EDM を使用した。本発表では、Cross Domain Analyzer 用 EPICSアプリケーションソフトの開発について報告する。

である。測定では時間軸解析機能のうち IQ-Time 解析機能を使用する。その測定性能を Table 1 に記す。
Cross Domain Analyzer のリモートコントロールはGPIB、LAN、2 つのインタフェースから実現可能である。今回は LAN リモートコントロールシステムを使用した。しかし、このシステムでは GPIB バス機能が制限されるため、サービスリクエストなど一部機能が使用できない。全ての GPIB バス機能が必要とされる場合は、GPIB インタフェースを使用する必要がある。

2.

Cross Domain Analyzer

Figure 1: Cross Domain Analyzer (U3841).

2.1

Cross Domain Analyzer 概要

Table 1: Vector Analysis of U3814

Cross Domain Analyzer は Advantest 社製の高性能計測器であり（Figure 1）、2 チャンネル RF 入力でのベクトル・スペクトル信号測定が可能である。
tune 測定はこれまで、Horizontal、Vertical に対し1 台ずつ計 2 台のスペクトラムアナライザを用いて波形データを取得していた。しかし、今回導入された Cross Domain Analyzer （ U3841 ） で あ れ ば
Horizontal、Vertical の 2 チャンネル RF 信号を、1台で同時に測定し波形データを取得することが可能

RF 入力（2 チャンネル）N 型(f)、50Ω

測定帯域幅100Hz～30MHz、40MHz

サンプリングレート

500Hz (CBW 100Hz) ～65MHz (CBW 40MHz)

時間分解能

15.4ns (CBW 40MHz) ～2ms (CBW 100Hz)

キャプチャ時間

120ms (CBW 40MHz)～
1000sec (CBW 100Hz)___________________________________________# hiroyuki@post.j-parc.jp- 1271 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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2.2

イルで設定を行った EPICS レコードに対し、個別に動作設定を行う。また、デバイスとの非同期通信を行 う た め に は EPICS デ バ イ ス サ ポ ー ト で あ るasynDriver[4]が必要となる。

IQ-Time 解析

IQ-Time 解析機能を使用することで I/Q 波形データを取得できる。そのデータを絶対値換算用スケーリングデータを用いて電圧値に換算することで、最終的な 2 チャンネル分の I データ、Q データを取得 3.3 EPICS データベース
する。I/Q 波形データのデータ形式は Binary 32bit
Cross Domain Analyzer は、外部トリガ信号と同期（4Bytes）、Endian 形式は Little Endian である。Iして２チャンネル同時掃引が可能である。また、掃データと Q データひとつずつの 1 Pair を 1 Sample と引終了後に OSR（スタンダードオペレーションレジして扱う。Sample 数が多い場合、2097152 Sample をスタ）のビットが立つ。これらの機能を利用するこ上限にして分割送信される。全 Sample を取得するとで掃引終了後、EPICS データベースでの I/Q 波形ためには分割数に応じ、I/Q 波形データ取得コマンデータ処理を自動で開始することが可能である。外ドを複数回実行する必要がある。
部トリガ信号検知から、I/Q 波形データ処理までのSample 数は、Capture Bandwidth と Capture Time の順序を Figure 2 に記す。
組み合わせにより決定される。動作検証時の最大Sample 数は Capture Bandwidth 100kHz、Capture Time
20sec の条件下で、7983437 Sample、4 分割、1 チャンネルあたりのデータサイズ は約 200MB であった。
ただし、I と Q は別データであるため、個別のデータサイズは 100MB となる。さらに Cross Domain
Analyzer は 2 チャンネル測定が可能であり、一度の測定で最大 400MB 分のデータを取得した。

3.

EPICS 制御アプリケーション

3.1

開発および実行環境

EPICS 制御アプリケーション開発環境を Table 2に記す。IOC（Input Output controller：入出力コントローラ）は、I/Q 波形データ処理時に十分なメモリリソースが要求されたため Table 3 に示す VME CPUを採用した。
本アプリケーションは、Cross Domain Analyzer の全コマンド実装を目的として開発したものではなく、IQ-Time 解析を行う上で必要となるコマンドのみ実装した。
Figure 2: Flow of data processing.

Table 2: EPICS Base and Device Support
EPICS baseR3.14.12.3

asyn4-21

StreamDevice

2-6

Table 3: IOC Spec
VME

V7865

CPUIntel Core Duo 2.0 GHz

Memory3 GB DDR2 SDRAM

3.2 StreamDevice
StreamDevice[3]とは PSI で開発された EPICS のデバイスサポートである。
使用するためには、EPICS データベースファイルと protocol ファイルへの設定が必要である。EPICS
データベースでは DTYP、INP、OUT 各 field への設定。protocol ファイルでは EPICS データベースファ

IQ-Time 解析により生成される I/Q 波形データは、
I データと Q データが個別にまとまって存在するのではなく、I・Q・I・Q・I・Q…と交互に並んだデータの羅列である。また、2097152 Sample を超えた場合は複数のデータ集合に分割される。これらのデー
タを個別の I データ、Q データに整理統合するためにはプログラム処理が必要である。そこで、サブルーチンレコードで全ての I/Q 波形データを読み込み、C プログラムでのデータ処理を経て、I データ列と Q データ列へと整理し、EPICS レコードにデータ列を渡すことにした。これにより、I データと Qデータを個別に呼び出すことが可能になった。
各 I データ、Q データは、C プログラム処理時に絶対値換算用スケーリングデータを積算し電圧値に変換している。
Cross Domain Analyzer は様々な設定条件での測定が可能である。しかし、設定変更の度に本体操作を行うのは煩雑である。そこで、Quick Save/Recall 機能を利用した。この機能は 10 個まで設定条件を記憶し呼び出すことができる。これにより設定変更が容易になった。

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4.

GUI

4.3

4.1GUI 概要

IQ-Time 解析（Figure 5）、Spectrum 解析と GPIB
レ ジ ス タ 及 び コ マ ン ド （ Figure 6 ） 、 Trace 機 能（Figure 7）、Preset 機能（Figure 8）の 4 画面を作成した。
Figure 5 は IQ-Time 解析コマンドの設定と状態表
示 を 行 う 。 Figure 6 は 今 回 の 測 定 で 使 用 す る
Spectrum 解析コマンドと GPIB コマンドの設定と状態表示及びレジスタ表示を行う。Figure 7 は Trace機能設定コマンドと状態表示を行う。Figure 8 はPreset 機能の実行、Quick Save/Recall 機能の設定と呼び出しを行う。
各コマンドの設定変更は、値の入力、ボタン押下、プルダウンメニューからの選択によって行う。

EPICS の GUI 開発ツールである EDM（ExtensibleDisplay Manager）を使用した。
状態表示画面と詳細設定画面に分けて作成した。
これは、設定項目の増加により一画面に収めると視認性が低下する。詳細設定画面をディスプレイ上に常時表示することによる不用意な設定変更を防止するためである。
これらの画面はトップ画面からそれぞれ呼び出すことができる。詳細設定画面を呼び出す際は警告画面を表示し、安易に操作を行わないよう注意を促している。
4.2

詳細設定画面

状態監視画面状態表示（Figure 3）、Trace グラフ（Figure 4）の2 画面を作成した。
Figure 1 は測定中に確認が必要となる IQ-Time 解析コマンドと Spectrum 解析コマンドの状態を表示する。画面右上に配置した本体状態表示では、5 つの状態を表示する。データ取得可能、Preset による本体設定変更中、チャンネル 1 データ処理中、チャンネル 2 データ処理中、Sample 数が想定以上に達し一部処理不可、である。これにより本体状態とデータ処理状態を把握可能にした。
右 側 中 段 に は 、 取 得 し た I/Q 波 形 デ ー タ の 総Sample 数、データ分割数、サンプリング周波数、絶対値換算用スケーリングデータを 2 チャンネル分表示する。
Figure 2 は Trace 機能を用いた 1000 Sample グラフを表示し、データ更新を確認できるようにした。表示されるのは 2 チャンネル分の I 成分、Q 成分、I/Q 成分を重ねた表示の 6 グラフである。

Figure 5: Setting window for Time domain analysis.

Figure 6: Setting window for Spectrum and GPIB.

Figure 3: Status window.
Figure 7: Setting window for Trace.

Figure 4: Trace Graph.

Figure 8: Setting window for Preset.

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5.

まとめ

今回開発した EPICS アプリケーションにより、Cross Domain Analyzer の遠隔リモートコントロールが実現した。
StreamDevice を用いた開発を行う事により、機器専用のデバイスサポートを作成する場合に比べ、GPIB コマンドによる制御が容易に実現できた。
今後は、従来システムと並行して加速器運転時に測定を繰り返し行い、取得する I/Q 波形データを比較検討することで、データの正確性を検証する必要がある。
担当者以外は GUI 操作を行えないようにするため、アクセスコントロールなどユーザ認証の実装を検討する必要がある。

参考文献[1] N.Kamikubota, et al., “J-PARC Control toward Future
Reliable Operation”, Proceedings of the ICALEPCS 2011,
Grenoble, France Oct.2011 p.378.
[2] EPICS web site “http://www.aps.anl.gov/epics/”[3] StreamDevice web site“http://epics.web.psi.ch/software/streamdevice/”[4] asyn web site“http://www.aps.anl.gov/epics/modules/soft/asyn/”- 1274 -