使用LabVIEW和PXI測(cè)量托克馬克裝置COMPASS

圖2.湯姆遜散射（TS）系統(tǒng)原理框圖

　　現(xiàn)在COMPASS裝置上的TS系統(tǒng)正在建設(shè)中[3]，圖2顯示了這個(gè)系統(tǒng)的布局示意圖，其主要組成部分有高能激光器、用于測(cè)量散射光譜的多色器以及快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converters，ADCs)。我們使用了兩臺(tái)釹釔鋁石榴石激光器(Nd:YAG),二者重復(fù)頻率為30Hz，最大輸出能量為1.5J。激光穿過(guò)等離子體并部分被散射。單色光在散射后光譜展寬，散射光從56個(gè)空間點(diǎn)經(jīng)過(guò)光路和光纖組合系統(tǒng)到多色器(設(shè)計(jì)于英國(guó)卡爾漢姆聚變能研究中心CCFE)，在這里入射光通過(guò)級(jí)聯(lián)光譜濾波器和雪崩光電二極管(Avalanche Photodiodes，APD)進(jìn)行光譜分析。該系統(tǒng)的每個(gè)多色器使用多達(dá)5個(gè)光譜通道用于光譜測(cè)定，最終實(shí)現(xiàn)每個(gè)從雪崩光電二極管傳來(lái)的信號(hào)都被快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。

　　數(shù)據(jù)采集需求

　　每個(gè)激光脈沖持續(xù)時(shí)間為8ns，且激光器可以在不同機(jī)制下工作(如圖3)。兩個(gè)激光器可以同時(shí)工作，或者分別按可調(diào)的延遲時(shí)間(1 μs–16.6 ms)進(jìn)行工作。該系統(tǒng)對(duì)快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求反映出它對(duì)數(shù)字化這樣的信號(hào)需要足夠的采樣率來(lái)重建激光脈沖時(shí)間演化。

圖3.激光脈沖機(jī)制

　　系統(tǒng)硬件

　　我們使用高速NI PXI-5152數(shù)字化儀和低速D-Tacq ACQ196C PCI ADC板卡來(lái)同步來(lái)自所有多色器(120個(gè)光譜通道)的數(shù)字化信號(hào)?？焖倌?shù)轉(zhuǎn)換器擁有高達(dá)1GS/s的轉(zhuǎn)換速率，8位分辨率以及小于300ps的通道間偏移。這些ADC板卡(每個(gè)板卡兩個(gè)通道)每通道擁有8MB板載內(nèi)存并被安放在四個(gè)PXI-1045機(jī)箱中。

　　第一個(gè)機(jī)箱，也稱(chēng)作主機(jī)箱，安放了一個(gè)嵌入四核的PXI-8110控制器，其同時(shí)擁有觸發(fā)和定時(shí)板卡以同步剩余三個(gè)附屬機(jī)箱。主機(jī)箱儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，執(zhí)行計(jì)算，通過(guò)MXI-4技術(shù)(78MB/s)與附屬機(jī)箱進(jìn)行刪除通信，并通過(guò)以太網(wǎng)與低速ADC板卡和COMPASS裝置控制系統(tǒng)(CODAC)進(jìn)行交互。所有機(jī)箱的所有通道都與NI PXI-6653的參考時(shí)鐘緊密同步。使用NI TClk技術(shù)以及內(nèi)嵌鎖相環(huán)(Phrase Locked Loops，PLLs)，我們可以獲得小于300ps的通道間偏移，即便是在這個(gè)高通道數(shù)目的系統(tǒng)中。低速數(shù)字化儀每個(gè)通道都擁有16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)真正采樣率為500kS/s的同時(shí)模擬輸入。我們使用兩塊低速ADC板卡，每塊擁有96個(gè)通道、400MHz的精簡(jiǎn)指令集運(yùn)算(RISC)處理器以及512M的板載內(nèi)存。

　　系統(tǒng)軟件

　　我們使用LabVIEW編寫(xiě)程序來(lái)控制TS系統(tǒng)中的數(shù)字化儀。軟件的基本功能包括參數(shù)設(shè)定、提供觸發(fā)、進(jìn)行采集和顯示采集記錄以及保存數(shù)據(jù)到文件(如圖4)。我們將在以后增添附加功能，如數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)接口和其他必要的更多功能。該軟件運(yùn)行于Microsoft Windows平臺(tái)。我們?cè)谝院罂刹捎?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/LabVIEW">LabVIEW實(shí)時(shí)模塊來(lái)對(duì)托克馬克控制回路內(nèi)部進(jìn)行確定性操作。

圖4.LabVIEW控制程序界面

　　數(shù)據(jù)采集(Data Acquisition，DAQ)特征

　　激光脈沖觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，這樣激光定時(shí)將是目前COMPASS裝置實(shí)時(shí)TS系統(tǒng)的限制因素。由于TS系統(tǒng)DAQ硬件和軟件是模塊化的，所以在以后我們可以增加數(shù)字化儀的數(shù)量，并可能使用主機(jī)箱的嵌入式電腦通過(guò)激光觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，所得數(shù)據(jù)將分段獲取。