VXI總線(xiàn)測(cè)試設(shè)計(jì)

引言

在托卡馬克等離子體物理放電過(guò)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(guò)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(lái)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(jiàn)，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(lái)了極大的困難。要在漫長(zhǎng)的放電過(guò)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(cè)試系統(tǒng)要解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

構(gòu)建VXI測(cè)試系統(tǒng)

由于在托卡馬克等離子體物理漫長(zhǎng)的放電過(guò)程中，破裂和鋸齒是非常短暫的過(guò)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(cè)試系統(tǒng)，針對(duì)漫長(zhǎng)的放電過(guò)程除破裂和鋸齒等短暫過(guò)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(guò)程數(shù)據(jù)，確保能采集到放電全過(guò)程的數(shù)據(jù)，就可以滿(mǎn)足對(duì)放電過(guò)程的概況測(cè)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(guò)程。但由于采樣頻率低，整個(gè)持續(xù)1.6秒的慢采集過(guò)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(zhuān)門(mén)用來(lái)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(kāi)始以后，由一個(gè)專(zhuān)門(mén)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(guò)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(zhǎng)度不到100K就可滿(mǎn)足多次快速采集的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的需要。

這樣一來(lái)，我們構(gòu)建的VXI測(cè)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(zhǎng)的放電過(guò)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(guò)程，以及判斷事件出現(xiàn)在放電過(guò)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(cè)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(kāi)始構(gòu)建這套專(zhuān)用系統(tǒng)的測(cè)試功能部分。系統(tǒng)測(cè)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(guò)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(cè)試系統(tǒng)要開(kāi)發(fā)的兩種類(lèi)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(cè)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(lái)啟動(dòng)，只需要對(duì)被監(jiān)視的一路信號(hào)來(lái)加以判別產(chǎn)生動(dòng)作。13槽的VXI機(jī)箱剛好滿(mǎn)足使用。

系統(tǒng)工作模式是這樣進(jìn)行的：工作開(kāi)始時(shí)，事件觸發(fā)模塊首先接受代表放電過(guò)程開(kāi)始的外部觸發(fā)信號(hào)，來(lái)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(guò)TTLTRGn線(xiàn)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(guò)程全部完成，整個(gè)采集過(guò)程宣告結(jié)束，才可以開(kāi)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(lái)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(wú)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(guò)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(lái)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(lái)別的問(wèn)題。在對(duì)HL-1M放電過(guò)程中破裂與鋸齒特性的深入了解的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)大量的摸索和多次改選，算法代碼中用7個(gè)屬性來(lái)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(guò)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(guò)一個(gè)快速采集存儲(chǔ)片的總存儲(chǔ)時(shí)間，當(dāng)超過(guò)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(lái)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(xiàn)和32位的數(shù)據(jù)總線(xiàn)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(guò)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(lái)說(shuō)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(guò)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(fǎng)問(wèn)，可以利用富余的4Bit數(shù)據(jù)位來(lái)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(mǎn)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(lái)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(cè)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(cè)試需求條件下的測(cè)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(cè)試部分的設(shè)計(jì)和制作后，對(duì)它的測(cè)試和功能驗(yàn)證顯得非常重要。將沒(méi)有經(jīng)過(guò)測(cè)試的儀器直接進(jìn)人現(xiàn)場(chǎng)使用是非常危險(xiǎn)的，測(cè)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(cè)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(hù)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(zhǎng)的放電過(guò)程中破裂和鋸齒的試驗(yàn)條件，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和功能驗(yàn)證。　　事實(shí)證明，這種測(cè)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(yǔ)

利用先進(jìn)的VXI總線(xiàn)硬件平臺(tái)，構(gòu)建的這套測(cè)試系統(tǒng)是將VXI總線(xiàn)測(cè)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(xiàn)資源，使系統(tǒng)測(cè)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(xiàn)模塊資源也給系統(tǒng)的組建和測(cè)試帶來(lái)方便?？梢灶A(yù)見(jiàn)，VXI測(cè)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。