VXI總線(xiàn)測試設計

引言

在托卡馬克等離子體物理放電過(guò)程中，破裂與據齒的研究具有重要的意義。在大多數托卡馬克放電過(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重的破壞，它不僅限制了等離子體的電流和密度的運行區域，而且它造成的機械應力和熱負荷給等離子體容器壁帶來(lái)嚴重損害。對破裂，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）參數作橫坐標的Hugill圖，我們可以得到破裂和托卡馬克等離子體運行區域的初略了解。

在大多數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。鋸齒的機制不太清楚，一般由卡達姆采夫重連模解釋。

破裂與鋸齒的軟X-射線(xiàn)行為大體可以分為四個(gè)階段，即預前兆期、前兆期、快速下降期、以及恢復或熄滅期。對于破裂與鋸齒的快速下降期，通常人們對它有一種誤解，即認為在此期間，軟X-射線(xiàn)信號是單調或準單調地下降的。事實(shí)上，只要采樣頻率足夠高，仔細觀(guān)察，不難發(fā)現軟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(zhù)采樣頻率的增加，獲得的數據量也成倍增加，這給數據的存儲、傳送和處理帶來(lái)了極大的困難。要在漫長(cháng)的放電過(guò)程中，實(shí)現高速數據采集，并在給定的短時(shí)間內完成數據的存儲、傳送和處理成為構建測試系統要解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

構建VXI測試系統

由于在托卡馬克等離子體物理漫長(cháng)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數據采集測試系統，針對漫長(cháng)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)程數據，確保能采集到放電全過(guò)程的數據，就可以滿(mǎn)足對放電過(guò)程的概況測試。將其戰速采集時(shí)間設定為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1.6秒的慢采集過(guò)程形成的數據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(zhù)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器存儲數據，高速采集的存儲器被分為很多片段，最多可分為16段，每段存儲器采集存儲一個(gè)破裂和鋸齒事件數據。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。由于破裂和鋸齒事件非常短暫，持續時(shí)間也就幾毫秒，對于2MSa/s的高速采集，每通道存儲器總的長(cháng)度不到100K就可滿(mǎn)足多次快速采集的存儲數據的需要。

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

功能設計考慮

要構建測試系統，我們首先需要一個(gè)最基本的VXI平臺：13槽的VXI機箱和零槽控制器，在此平臺基礎上，我們開(kāi)始構建這套專(zhuān)用系統的測試功能部分。系統測試功能部分的硬件被抽象為兩個(gè)基本功能：一個(gè)是信號數據采集和存儲，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)是識別和判斷破裂和鋸齒事件，產(chǎn)生對采集的觸發(fā)。兩個(gè)抽象的基本功能確定了測試系統要開(kāi)發(fā)的兩種類(lèi)型的VX I模塊：數據采集模塊和事件觸發(fā)模塊。

在我們的測試系統中，需要40個(gè)并行采集通道，數據采集模塊被設計為每模塊4個(gè)通道，需用到10個(gè)采集模塊數。40個(gè)通道并行工作，系統的快速采集只需要由一個(gè)事件觸發(fā)模塊來(lái)啟動(dòng)，只需要對被監視的一路信號來(lái)加以判別產(chǎn)生動(dòng)作。13槽的VXI機箱剛好滿(mǎn)足使用。

系統工作模式是這樣進(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，來(lái)啟動(dòng)數據采集模塊的慢速采集，同時(shí)啟動(dòng)事件觸發(fā)模塊內部的破裂和鋸齒事件鑒別工作。每當事件觸發(fā)模塊鑒別出設定事件時(shí)，它就立即通過(guò)TTLTRGn線(xiàn)發(fā)出觸發(fā)信號，啟動(dòng)數據采集模塊的一次快速的數據采集，捕捉破裂和鋸齒事件信號。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)信號總會(huì )有延遲，所以，在快速的每一次數據采集對應的存儲數據中，還必須使用負延遲觸發(fā)功能。一次快速數據采集完成自動(dòng)進(jìn)入下一段存儲器，準備接受下一次觸發(fā)，啟動(dòng)下一次采集，直到設定的快速數據采集次數全部完成。

最后，當數據采集模塊1.6秒的慢速采集數據過(guò)程全部完成，整個(gè)采集過(guò)程宣告結束，才可以開(kāi)始處理數據，并準備下一次的工作。

技術(shù)關(guān)鍵

系統一方面要以一個(gè)快速的采集，捕捉到破裂的鋸齒事件信號進(jìn)行研究，另一方面又要因保證數據處理速度而控制數據量，這是一個(gè)矛盾。對這個(gè)矛盾，前面的系統功能的設計已給出了很好的解決辦法。不少技術(shù)難題是出現在接下來(lái)的模塊設計和實(shí)現的模塊的各項功能中。

事件觸發(fā)模塊：為了識別特定的信號事件，先要定義一個(gè)信號事件。破裂，鋸齒或者別的事件。選取我們想識別的事件，既要做到毫無(wú)遺漏，同時(shí)也不會(huì )誤選。這給我們識別事件計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，需要更多的計算判別時(shí)間，會(huì )帶來(lái)別的問(wèn)題。在對HL-1M放電過(guò)程中破裂與鋸齒特性的深入了解的基礎上，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。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，即使采用負延時(shí)，從事件發(fā)生到給出觸發(fā)信號的延時(shí)也不能超過(guò)一個(gè)快速采集存儲片的總存儲時(shí)間，當超過(guò)這個(gè)時(shí)間，就只能采集到事件之后的數據，而丟失重要的事件信號數據。

為提高響應時(shí)間，這里采用DSP芯片來(lái)完成計算功能。選用的是AD公司的40MHz的ADSP-21061芯片。 ADSP-21061這種哈佛結構的DSP芯片，不同于傳統的馮·諾依曼并行體系結構的芯片。ADSP-21061將程序和數據存儲在不同的內存里，由24位的程序總線(xiàn)和32位的數據總線(xiàn)分別進(jìn)行存取，實(shí)現了取指令和取操作數的并行工作，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)生的數微秒之內作出計算識別，給出觸發(fā)信號。保證了事件觸發(fā)的實(shí)時(shí)響應性。 　

數據采集模塊：數據采集模塊的設計難點(diǎn)在于其復雜的功能。它有兩套采集機制，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。

設計和實(shí)現中，模塊只使用了一套A/D轉換器，按快速采集的采樣率工作。慢速采集獲取數據時(shí)將漏掉對于慢速采集來(lái)說(shuō)多余的數據，只按它本身對應的慢采速率得到數據。這樣既可以節約硬件成本，又保證兩套采集機制下數據的一致性。

為了找到破裂和鋸齒事件發(fā)生在放電過(guò)程的相對時(shí)刻，需要作一個(gè)識別標志。A/D轉換器的分辨率為 12Bit，而數據總是以16Bit方式存儲和訪(fǎng)問(wèn)，可以利用富余的4Bit數據位來(lái)實(shí)現。當每次速采集結束時(shí)，保存最后一個(gè)數據時(shí)做上結束標志。

慢速采集工作方式，是一種常規的采集方式，從零地址啟動(dòng)，采滿(mǎn)即結束。但快速采集則要復雜得多，它在每一個(gè)片段的存儲器內都要按環(huán)形存儲器方式工作，數據不停地存人存儲器，新的數據總是覆蓋舊的數據，直至一次采集結束。片段內的結束地址也就是起始地址，這樣來(lái)實(shí)現每一段的負延遲采集。當一個(gè)片段的高速數據采集完成，需要在結束地址的數據作上結束標志供數據處理時(shí)使用，然后跳到下一個(gè)片段，并在下一個(gè)片段又繼續采集存儲數據。

VXI硬件平臺：在系統測試硬件的設計方面，我們花了很多精力進(jìn)行精心設計，使滿(mǎn)足測試需求條件下的測試得到的數據量大大減小。盡管如此，系統共40個(gè)通道的總數據量仍然非常大，配備一個(gè)數據吞吐量較高VXI硬件系統平臺就顯得很重要，我們?yōu)橄到y配備了一個(gè)MXI的零槽控制器，保證數據的快速傳輸，使系統平臺這一環(huán)不會(huì )成為數據傳輸的瓶頸，保證整個(gè)系統具有高效率。系統功能驗證　　在完成系統測試部分的設計和制作后，對它的測試和功能驗證顯得非常重要。將沒(méi)有經(jīng)過(guò)測試的儀器直接進(jìn)人現場(chǎng)使用是非常危險的，測試失敗將會(huì )造成大量人力和物力的浪費，損失我們寶貴的時(shí)間。為方便測試和驗證系統功能，我們利用VXI機箱剩余的最后一個(gè)空槽，為系統集成了一個(gè)任意波形函數發(fā)生器模塊JV53202。

利用JV53202任意波形函數發(fā)生器模塊的用戶(hù)數據波形功能，將以前試驗曾經(jīng)獲得的數據整理后，下載到JV53202模塊內部作為波形輸，可以模擬托卡馬克等離子體物理漫長(cháng)的放電過(guò)程中破裂和鋸齒的試驗條件，對系統進(jìn)行測試和功能驗證?！　∈聦?shí)證明，這種測試是系統必不可少的一環(huán)，它降低了風(fēng)險，為系統最終成功獲取試驗數據提供了保障。

結束語(yǔ)

利用先進(jìn)的VXI總線(xiàn)硬件平臺，構建的這套測試系統是將VXI總線(xiàn)測試儀器引人托卡馬克等離子體物理應用方面的一次嘗試。系統合理利用了VXI總線(xiàn)資源，使系統測試能力增強，同時(shí)縮小系統體積，降低系統成本。成熟的VXI總線(xiàn)模塊資源也給系統的組建和測試帶來(lái)方便?？梢灶A見(jiàn)，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用。