Transcript 発表スライド

LabVIEWを用いた
測定システムの開発
極限コヒーレント光科学研究センター
小林研究室
伊藤 功
14/03/17
平成25年度「東京大学物性研究所所長賞」授与式
1
経歴
1978.9.26 生まれ 35歳
2004.3 東北大学大学院 理学研究科 修士課程 修了
金属材料研究所 小林(典男)研究室で物性研究に従事
修士論文「有機導体の赤外反射スペクトル」
2004.4 東京大学物性研究所 軌道放射物性研究施設 着任
中村研究室で放射光源加速器の開発に従事
2011.4 同 先端分光研究部門 異動
小林研究室でレーザーの開発に従事
開発に携わった装置
年度
加速器
2004
Super SORの制御システム
(Real-Time OS)
2005
2006
2007
2008
中
村
研
2010
2011
2012
2013
2014
ビーム位置モニターシステム
(FPGA)
電磁石型移相器：システム担当
(LabVIEW Real-Time)
2009
小
林
研
レーザー
電子銃用ファイバーレーザー
超高安定CWレーザー
(LabVIEW FPGA)
光電子分光用8eVレーザー
(LabVIEW)
発表内容
Real-Time OS や FPGAが
LabVIEW によって
エンドユーザーにも
使いやすくなったことを紹介。
事例
電磁石移相器診断システム
超高安定CWレーザー
LabVIEW Real-Timeを用いた
電磁石型移相器診断システム
柏国際キャンパス構想
放射光源加速器
アンジュレータ
放射光
アンジュレータ
e-
N
S
水平偏光
電子ビーム
(電子の集団)
e-
高周波空洞
電磁石
アンジュレータ@つくば分室
放射光の偏光制御
垂直偏光
アンジュレータ
水平偏光
アンジュレータ
e-
e移相器
dV
dH
偏光制御アンジュレータから出力される偏光
dV - d H = 0
dV - d H = p 2
dV - d H = - p 2
電磁石型移相器
移相器
特徴
高速偏光切り替え(100Hz)
3つのコイルを独立に制御
 電子ビーム軌道の微調
 製作誤差•経年劣化の補正
A
C
Z
移相器の磁場を上から見た図
条件
 数μmの軌道歪み
=> 積分磁場が数G・cm程度
 磁場の安定性と再現性。
B
A
B
C
ò
e-
ò
BA
BB
Bdz = 0
Z
Bdz ¹ 0
BC
診断システムに対する要求仕様
移相器
コ
イ
ル
C
V(∝B)
A
B
移相器
IC
電源C
IB
電源B
制御コンピュータ
電流制御
磁場測定
IA
電源A
Vc(∝I)
① 電流制御精度：1mA以下
直流磁場と100Hz(10ms)
の交流磁場を発生させ、
そ の 積 分 磁 場 が 1G•cm
以下であるかを確認する。
② 磁場測定精度：1G・cm以下
③ 同期：1ms以下
④ 長期安定
Windows PC
では難しい。
Real-Time OS
Real Time
「確定性」=>定められた時間内に確実に処理を行えること。
「信頼性」=>長時間の運転において安定した動作を保証すること。
Real Time OS
処理を高確定•高信頼に実効するための機能を搭載したOS。
+
Windows版LabVIEWと同じ要領。
東大ライセンスで使える。
汎用OS vs Real-Time OS
時間
時間
ジッター
数ms
ジッター
数us
割り込みなし
割り込み
回数
フリーズ
終了
フリーズなし
回数
終了
移相器診断システム
センサー部分
RTターゲット
移相器
フリップコイル
C
モーター
CW,CCW入力
A
B
エンコー
ダ出力
データ収録
コイル電
圧出力
DAQ
PXI6123
ドライバ
IC
IB
電源B
電源C
DAQ
同期
PXI6221
電源
Motion
Controller
AO
PXI-7330
PXI-6733
制御
RTOS
PXI-8106
A B Z
プリアンプ
IA
電源A
回転
V
A相
B相
Z相
CW, CCW
VC
VB
VA
ホスト
コンピュータ
移相器診断システム
交流
W
移相器
B 0L =
移相器
V0
2pfNW
フリップコイル
L
V
直流
ò
B L=0
W
p w
0
V (t ) dt
2NW
θ=
ωt
L
V
移相器診断システム
制御コンピュータ
RTターゲット
フリップコイル
C
モーター
CW,CCW入力
A
B
エンコー
ダ出力
データ収録
コイル電
圧出力
DAQ
PXI6123
ドライバ
IC
IB
電源B
電源C
DAQ
同期
PXI6221
電源
Motion
Controller
AO
PXI-7330
PXI-6733
CPU
RTOS
PXI-8106
A B Z
プリアンプ
IA
電源A
回転
V
A相
B相
Z相
CW, CCW
VC
VB
VA
ホスト
コンピュータ
移相器診断システム
設定値
計測値
電源制御、磁場測定
FIFO
(First In
First Out)
ホスト
コンピュー
タ
RTターゲット
(PXIシステム)
パラメータ設定、グラフ表示、
解析(フーリエ変換、累積変位)、保存
交流磁場測定
パワースペクトル密度
10
10
10
10
10
10
0
1
-1
Integrated RMS [G cm]
2
PSD [(G cm) /Hz]
10
累積変位
-2
-3
-4
-5
0.1
-6
100
200
300
400
500
Frequency [Hz]
全てのピークは1(G・cm)2/Hz
以下に収まっている
100
200
300
400
500
Frequency [Hz]
移相器の目標仕様1G・cmを
満たしている事を確認できた。
その他の直流磁場測定など
I. Ito, et al., Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, p956-960
アプリケーションコンテスト2010
一般部門 最優秀賞受賞
本社のイベントに参加
世界大会にも参戦
LabVIEW FPGAによる
超高安定CWレーザーの
フィードバック制御システム
超高安定CWレーザー
線幅<1kHz、長期ドリフト 0.1Hz/sec
For application
For Lock
4mW
0.5mW
ECDL
フィードバック制御システム
Fast Feedback (〜1MHz)
PI
Slow Feedback (〜10Hz)
Sound
proof box
TEM00
Coupling
ULE cavity
PID
PD
CMOS
camera
Gran-Teler
Polarizer
Transmission
Light
LPF
15MHz
〜
EOM
Φ
PD
0.2mW
λ/4
Reflection
Light
高確定•高信頼アーキテクチャ
ハードウェア
タイミング
(精度高)
FPGA
確
定
性
・
信
頼
性
ソフトウェア
タイミング
(精度低)
○n秒の精度 (RTOSのタスクスケジューリング機能+ハード
ウェアの制約なし)
○長期的な動作に対して安定。
○RTOSよりシステムの開発に時間とコストがかからない。
使用例) 組み込みDUTテスト
リアルタイムOS
(VxWorks etc)
+
工業用バス
((PXI)
○μ秒の精度 (重要なタスクを優先実行、全タスクを直接制
御、割り込み禁止)
○長期的な動作に対して安定
×システム開発に時間とコストがかかる。
使用例) 安全装置のイベント応答、製品の長時間耐久テスト
汎用OS
(Win, Linux)
+
PC
○システムの開発・操作しやすい。
×m秒の精度(重要でないタスクの優先実行、バックグランド
あり、割り込みを許す)
×長期的な起動に対して不安定。
使用例) 短時間データ収録、計測器制御など。
Field Programmable Gate Array
デジタル回路構
築をソフトウェア
上で行える
LabVIEW
FPGA
フィードバック制御システムの更新
アナログ
デジタル
Real-Time OS + FPGA
長期安定性制御
For application
For Lock
フリーラン
4mW
0.5mW
500秒
Fast
PI
Slow
Sound
proof box
TEM00
Coupling
PID
PD
CMOS
camera
Gran-Teler
Polarizer
Transmission
Light
LPF
15MHz
〜
EOM
Φ
PD
0.2mW
λ/4
Reflection
Light
ロック
まとめ
LabVIEWで
Real-Time OSとFPGAが
エンドユーザーでも使いやすくなりました。
謝辞
中村研究室
小林研究室
技術部の皆様
小森先生(技術部長)
磯部さん(技術部委員長)
矢田さん、野澤さん(推薦者)
金井さん(相談)