VXI總線測試系統(tǒng)

引言

在托卡馬克等離子體物理放電過程中，破裂與據(jù)齒的研究具有重要的意義。在大多數(shù)托卡馬克放電過程中都存在破裂與鋸齒。破裂是一個(gè)值得注意的事件，其間等離子體的約束遭到嚴(yán)重的破壞，它不僅限制了等離子體的電流和密度的運(yùn)行區(qū)域，而且它造成的機(jī)械應(yīng)力和熱負(fù)荷給等離子體容器壁帶來嚴(yán)重?fù)p害。對(duì)破裂，目前在理論上仍缺乏詳盡理解，大體上可將其分為低q破裂和密度極限破裂。利用村上（Murakami）參數(shù)作橫坐標(biāo)的Hugill圖，我們可以得到破裂和托卡馬克等離子體運(yùn)行區(qū)域的初略了解。

在大多數(shù)情況下托卡馬克等離子體中心存在馳豫振蕩，也就是溫度和密度的鋸齒振蕩。在上升期，磁軸附近的電流密度增加，中心q值下降，在下降期，磁軸附近的電流密度下降，中心值增加。鋸齒的機(jī)制不太清楚，一般由卡達(dá)姆采夫重連模解釋。

破裂與鋸齒的軟X-射線行為大體可以分為四個(gè)階段，即預(yù)前兆期、前兆期、快速下降期、以及恢復(fù)或熄滅期。對(duì)于破裂與鋸齒的快速下降期，通常人們對(duì)它有一種誤解，即認(rèn)為在此期間，軟X-射線信號(hào)是單調(diào)或準(zhǔn)單調(diào)地下降的。事實(shí)上，只要采樣頻率足夠高，仔細(xì)觀察，不難發(fā)現(xiàn)軟X-射線是振蕩下降的，而且一階小量大于零階量（通常將直流成分定義為零階量）。

可見，為了獲得破裂和鋸齒行為的詳盡信息，必須采用時(shí)間分辨率較高的等離子體診斷方式。隨著采樣頻率的增加，獲得的數(shù)據(jù)量也成倍增加，這給數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳送和處理帶來了極大的困難。要在漫長的放電過程中，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，并在給定的短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳送和處理成為構(gòu)建測試系統(tǒng)要解決問題的關(guān)鍵所在。

構(gòu)建VXI測試系統(tǒng)

由于在托卡馬克等離子體物理漫長的放電過程中，破裂和鋸齒是非常短暫的過程，這為我們克服這些困難提供了條件。

我們以這樣的方式組成40通道VXI數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)，針對(duì)漫長的放電過程除破裂和鋸齒等短暫過程外其緩慢變化的特征，在各個(gè)通道采用較低的采樣率采集全過程數(shù)據(jù)，確保能采集到放電全過程的數(shù)據(jù)，就可以滿足對(duì)放電過程的概況測試。將其戰(zhàn)速采集時(shí)間設(shè)定為1.6秒，可以覆蓋所有放電過程。但由于采樣頻率低，整個(gè)持續(xù)1.6秒的慢采集過程形成的數(shù)據(jù)量也就僅僅每通道幾十K。

低速采集的同時(shí)，每通道還有一個(gè)與低速采集并行進(jìn)行著的高速采集，專門用來采集破裂和鋸齒事件。

高速采集和低速采集有各自不同的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，高速采集的存儲(chǔ)器被分為很多片段，最多可分為16段，每段存儲(chǔ)器采集存儲(chǔ)一個(gè)破裂和鋸齒事件數(shù)據(jù)。在低速采集開始以后，由一個(gè)專門的事件觸發(fā)模塊多次觸發(fā)快速采集，每次觸發(fā)啟動(dòng)一次快速采集過程，記錄一個(gè)事件信號(hào)。由于破裂和鋸齒事件非常短暫，持續(xù)時(shí)間也就幾毫秒，對(duì)于2MSa/s的高速采集，每通道存儲(chǔ)器總的長度不到100K就可滿足多次快速采集的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的需要。

這樣一來，我們構(gòu)建的VXI測試系統(tǒng)用一種變通的方式實(shí)現(xiàn)既可以由低速采集觀察到漫長的放電過程的全貌，又可以由高速采集仔細(xì)分析破裂和鋸齒的短暫過程，以及判斷事件出現(xiàn)在放電過程的時(shí)刻，將常規(guī)方式采集下每通道約3MSa的存儲(chǔ)器需求降到100KSa左右，解決了由于采樣頻率的增加而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量成倍增加的矛盾。為在給定的短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳送和處理提供了保證。

功能設(shè)計(jì)考慮

要構(gòu)建測試系統(tǒng)，我們首先需要一個(gè)最基本的VXI平臺(tái)：13槽的VXI機(jī)箱和零槽控制器，在此平臺(tái)基礎(chǔ)上，我們開始構(gòu)建這套專用系統(tǒng)的測試功能部分。系統(tǒng)測試功能部分的硬件被抽象為兩個(gè)基本功能：一個(gè)是信號(hào)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，包括慢速的全過程采集和同時(shí)進(jìn)行的快速的破裂和鋸齒事件捕捉；另一個(gè)是識(shí)別和判斷破裂和鋸齒事件，產(chǎn)生對(duì)采集的觸發(fā)。兩個(gè)抽象的基本功能確定了測試系統(tǒng)要開發(fā)的兩種類型的VX I模塊：數(shù)據(jù)采集模塊和事件觸發(fā)模塊。

在我們的測試系統(tǒng)中，需要40個(gè)并行采集通道，數(shù)據(jù)采集模塊被設(shè)計(jì)為每模塊4個(gè)通道，需用到10個(gè)采集模塊數(shù)。40個(gè)通道并行工作，系統(tǒng)的快速采集只需要由一個(gè)事件觸發(fā)模塊來啟動(dòng)，只需要對(duì)被監(jiān)視的一路信號(hào)來加以判別產(chǎn)生動(dòng)作。13槽的VXI機(jī)箱剛好滿足使用。

系統(tǒng)工作模式是這樣進(jìn)行的：工作開始時(shí)，事件觸發(fā)模塊首先接受代表放電過程開始的外部觸發(fā)信號(hào)，來啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊的慢速采集，同時(shí)啟動(dòng)事件觸發(fā)模塊內(nèi)部的破裂和鋸齒事件鑒別工作。每當(dāng)事件觸發(fā)模塊鑒別出設(shè)定事件時(shí)，它就立即通過TTLTRGn線發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊的一次快速的數(shù)據(jù)采集，捕捉破裂和鋸齒事件信號(hào)。破裂和鋸齒事件的發(fā)生到事件觸發(fā)模塊鑒別出事件，給出觸發(fā)信號(hào)總會(huì)有延遲，所以，在快速的每一次數(shù)據(jù)采集對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中，還必須使用負(fù)延遲觸發(fā)功能。一次快速數(shù)據(jù)采集完成自動(dòng)進(jìn)入下一段存儲(chǔ)器，準(zhǔn)備接受下一次觸發(fā)，啟動(dòng)下一次采集，直到設(shè)定的快速數(shù)據(jù)采集次數(shù)全部完成。

最后，當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊1.6秒的慢速采集數(shù)據(jù)過程全部完成，整個(gè)采集過程宣告結(jié)束，才可以開始處理數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)備下一次的工作。

技術(shù)關(guān)鍵

系統(tǒng)一方面要以一個(gè)快速的采集，捕捉到破裂的鋸齒事件信號(hào)進(jìn)行研究，另一方面又要因保證數(shù)據(jù)處理速度而控制數(shù)據(jù)量，這是一個(gè)矛盾。對(duì)這個(gè)矛盾，前面的系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)已給出了很好的解決辦法。不少技術(shù)難題是出現(xiàn)在接下來的模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的模塊的各項(xiàng)功能中。

事件觸發(fā)模塊：為了識(shí)別特定的信號(hào)事件，先要定義一個(gè)信號(hào)事件。破裂，鋸齒或者別的事件。選取我們想識(shí)別的事件，既要做到毫無遺漏，同時(shí)也不會(huì)誤選。這給我們識(shí)別事件計(jì)算方法提出了較高的要求。

1.事件屬性的定義?？量痰臈l件很容易將我們想要的事件過濾掉而遺漏。然而寬松的要求很容易產(chǎn)生誤觸發(fā)，用盡可能多的事件屬性來篩選我們所要的事件，才可能抓住事件區(qū)別于別的事件的特征。然而，要處理多個(gè)屬性，需要更多的計(jì)算判別時(shí)間，會(huì)帶來別的問題。在對(duì)HL-1M放電過程中破裂與鋸齒特性的深入了解的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量的摸索和多次改選，算法代碼中用7個(gè)屬性來篩選特定的破裂與鋸齒。

2.實(shí)時(shí)響應(yīng)。由于每一次快速采集只能采集一個(gè)較短的時(shí)間過程，即使采用負(fù)延時(shí)，從事件發(fā)生到給出觸發(fā)信號(hào)的延時(shí)也不能超過一個(gè)快速采集存儲(chǔ)片的總存儲(chǔ)時(shí)間，當(dāng)超過這個(gè)時(shí)間，就只能采集到事件之后的數(shù)據(jù)，而丟失重要的事件信號(hào)數(shù)據(jù)。

為提高響應(yīng)時(shí)間，這里采用DSP芯片來完成計(jì)算功能。選用的是AD公司的40MHz的ADSP-21061芯片。 ADSP-21061這種哈佛結(jié)構(gòu)的DSP芯片，不同于傳統(tǒng)的馮·諾依曼并行體系結(jié)構(gòu)的芯片。ADSP-21061將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的內(nèi)存里，由24位的程序總線和32位的數(shù)據(jù)總線分別進(jìn)行存取，實(shí)現(xiàn)了取指令和取操作數(shù)的并行工作，具有很高的效率。

DSP芯片的采用，使事件觸發(fā)模塊可以在破裂與鋸齒事件發(fā)生的數(shù)微秒之內(nèi)作出計(jì)算識(shí)別，給出觸發(fā)信號(hào)。保證了事件觸發(fā)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性。 　

數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于其復(fù)雜的功能。它有兩套采集機(jī)制，能以一個(gè)較低的采樣頻率，采集放電的全過程，同時(shí)又可由事件觸發(fā)模塊啟動(dòng)快速采集，捕捉到破裂和鋸齒事件信號(hào)。

設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，模塊只使用了一套A/D轉(zhuǎn)換器，按快速采集的采樣率工作。慢速采集獲取數(shù)據(jù)時(shí)將漏掉對(duì)于慢速采集來說多余的數(shù)據(jù)，只按它本身對(duì)應(yīng)的慢采速率得到數(shù)據(jù)。這樣既可以節(jié)約硬件成本，又保證兩套采集機(jī)制下數(shù)據(jù)的一致性。

為了找到破裂和鋸齒事件發(fā)生在放電過程的相對(duì)時(shí)刻，需要作一個(gè)識(shí)別標(biāo)志。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為 12Bit，而數(shù)據(jù)總是以16Bit方式存儲(chǔ)和訪問，可以利用富余的4Bit數(shù)據(jù)位來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)每次速采集結(jié)束時(shí)，保存最后一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)做上結(jié)束標(biāo)志。

慢速采集工作方式，是一種常規(guī)的采集方式，從零地址啟動(dòng)，采滿即結(jié)束。但快速采集則要復(fù)雜得多，它在每一個(gè)片段的存儲(chǔ)器內(nèi)都要按環(huán)形存儲(chǔ)器方式工作，數(shù)據(jù)不停地存人存儲(chǔ)器，新的數(shù)據(jù)總是覆蓋舊的數(shù)據(jù)，直至一次采集結(jié)束。片段內(nèi)的結(jié)束地址也就是起始地址，這樣來實(shí)現(xiàn)每一段的負(fù)延遲采集。當(dāng)一個(gè)片段的高速數(shù)據(jù)采集完成，需要在結(jié)束地址的數(shù)據(jù)作上結(jié)束標(biāo)志供數(shù)據(jù)處理時(shí)使用，然后跳到下一個(gè)片段，并在下一個(gè)片段又繼續(xù)采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

VXI硬件平臺(tái)：在系統(tǒng)測試硬件的設(shè)計(jì)方面，我們花了很多精力進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，使?jié)M足測試需求條件下的測試得到的數(shù)據(jù)量大大減小。盡管如此，系統(tǒng)共40個(gè)通道的總數(shù)據(jù)量仍然非常大，配備一個(gè)數(shù)據(jù)吞吐量較高VXI硬件系統(tǒng)平臺(tái)就顯得很重要，我們?yōu)橄到y(tǒng)配備了一個(gè)MXI的零槽控制器，保證數(shù)據(jù)的快速傳輸，使系統(tǒng)平臺(tái)這一環(huán)不會(huì)成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，保證整個(gè)系統(tǒng)具有高效率。系統(tǒng)功能驗(yàn)證　　在完成系統(tǒng)測試部分的設(shè)計(jì)和制作后，對(duì)它的測試和功能驗(yàn)證顯得非常重要。將沒有經(jīng)過測試的儀器直接進(jìn)人現(xiàn)場使用是非常危險(xiǎn)的，測試失敗將會(huì)造成大量人力和物力的浪費(fèi)，損失我們寶貴的時(shí)間。為方便測試和驗(yàn)證系統(tǒng)功能，我們利用VXI機(jī)箱剩余的最后一個(gè)空槽，為系統(tǒng)集成了一個(gè)任意波形函數(shù)發(fā)生器模塊JV53202。

利用JV53202任意波形函數(shù)發(fā)生器模塊的用戶數(shù)據(jù)波形功能，將以前試驗(yàn)曾經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)整理后，下載到JV53202模塊內(nèi)部作為波形輸，可以模擬托卡馬克等離子體物理漫長的放電過程中破裂和鋸齒的試驗(yàn)條件，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試和功能驗(yàn)證?！　∈聦?shí)證明，這種測試是系統(tǒng)必不可少的一環(huán)，它降低了風(fēng)險(xiǎn)，為系統(tǒng)最終成功獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了保障。

結(jié)束語

利用先進(jìn)的VXI總線硬件平臺(tái)，構(gòu)建的這套測試系統(tǒng)是將VXI總線測試儀器引人托卡馬克等離子體物理應(yīng)用方面的一次嘗試。系統(tǒng)合理利用了VXI總線資源，使系統(tǒng)測試能力增強(qiáng)，同時(shí)縮小系統(tǒng)體積，降低系統(tǒng)成本。成熟的VXI總線模塊資源也給系統(tǒng)的組建和測試帶來方便。可以預(yù)見，VXI測試技術(shù)將會(huì)在等離子體物理方面不斷得到更多的應(yīng)用。