使用LabVIEW和PXI測量托克馬克裝置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)正在建設中[3]，圖2顯示了這個系統(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)。我們使用了兩臺釹釔鋁石榴石激光器(Nd:YAG),二者重復頻率為30Hz，最大輸出能量為1.5J。激光穿過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個空間點經(jīng)過光路和光纖組合系統(tǒng)到多色器(設計于英國卡爾漢姆聚變能研究中心CCFE)，在這里入射光通過級聯(lián)光譜濾波器和雪崩光電二極管(Avalanche Photodiodes，APD)進行光譜分析。該系統(tǒng)的每個多色器使用多達5個光譜通道用于光譜測定，最終實現(xiàn)每個從雪崩光電二極管傳來的信號都被快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。

　　數(shù)據(jù)采集需求

　　每個激光脈沖持續(xù)時間為8ns，且激光器可以在不同機制下工作(如圖3)。兩個激光器可以同時工作，或者分別按可調(diào)的延遲時間(1 μs–16.6 ms)進行工作。該系統(tǒng)對快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求反映出它對數(shù)字化這樣的信號需要足夠的采樣率來重建激光脈沖時間演化。

圖3.激光脈沖機制

　　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板卡來同步來自所有多色器(120個光譜通道)的數(shù)字化信號?？焖倌?shù)轉(zhuǎn)換器擁有高達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(每個板卡兩個通道)每通道擁有8MB板載內(nèi)存并被安放在四個PXI-1045機箱中。

　　第一個機箱，也稱作主機箱，安放了一個嵌入四核的PXI-8110控制器，其同時擁有觸發(fā)和定時板卡以同步剩余三個附屬機箱。主機箱儲存數(shù)據(jù)，執(zhí)行計算，通過MXI-4技術(shù)(78MB/s)與附屬機箱進行刪除通信，并通過以太網(wǎng)與低速ADC板卡和COMPASS裝置控制系統(tǒng)(CODAC)進行交互。所有機箱的所有通道都與NI PXI-6653的參考時鐘緊密同步。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，即便是在這個高通道數(shù)目的系統(tǒng)中。低速數(shù)字化儀每個通道都擁有16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以實現(xiàn)真正采樣率為500kS/s的同時模擬輸入。我們使用兩塊低速ADC板卡，每塊擁有96個通道、400MHz的精簡指令集運算(RISC)處理器以及512M的板載內(nèi)存。

　　系統(tǒng)軟件

　　我們使用LabVIEW編寫程序來控制TS系統(tǒng)中的數(shù)字化儀。軟件的基本功能包括參數(shù)設定、提供觸發(fā)、進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。該軟件運行于Microsoft Windows平臺。我們在以后可采用LabVIEW實時模塊來對托克馬克控制回路內(nèi)部進行確定性操作。

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，這樣激光定時將是目前COMPASS裝置實時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，并可能使用主機箱的嵌入式電腦通過激光觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，所得數(shù)據(jù)將分段獲取。