基于VXI總線(xiàn)的HT-7U數據采集控制系統
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磁約束核聚變已在常規(非超導)托卡馬克裝置上取得了突破性的進(jìn)展，其科學(xué)可行性已得到證實(shí)。各國正在競相建造或計劃建造大型超導托卡馬克聚變實(shí)驗裝置。非圓截面超導托卡馬克將成為未來(lái)穩態(tài)、安全、高效運行的托卡馬克聚變反應堆提供寶貴的物理及工程技術(shù)基礎。
1994年底，等離子體物理所成功地改建成我國第一臺超導托卡馬克裝置HT-7及其附屬系統，并于1995年初進(jìn)行了首次放電實(shí)驗。HT-7的建成使我國成為繼法國、日本、俄羅斯之后世界上第四個(gè)擁有超導托卡馬克裝置的國家，為我國核聚變研究走向世界前沿打下了堅實(shí)的基礎。為了進(jìn)一步推進(jìn)我國在核聚變領(lǐng)域的研究，中國科學(xué)院在九五期間預期用1.6億元的投資，在中國科學(xué)院等離子體物理研究所內，建造一個(gè)更大型的非圓截面超導托卡馬克聚變實(shí)驗裝置(HT-7U)，計劃于2002年左右建成并投入運行。屆時(shí)中國將在磁約束核聚變研究領(lǐng)域進(jìn)入世界前沿，并可更為平等、獨立地參與國際交流、合作與競爭。
2 現有的HT-7數據采集及控制系統
在現有的HT-7總控系統中，其數據采集部分是采用基于VAX/VMX CAMAC的總線(xiàn)系統。如圖1所示。該系統在所有通道全部開(kāi)啟時(shí)，其速度較慢，以至于一些快速反饋控制根本無(wú)法進(jìn)行。其主要原因包括有：
(1)現有的這套基于VAX/VMS CAMAC串行總線(xiàn)，其最大數據傳輸速率只有5Mbytes/s，典型值只有3Mbytes/s。這種傳輸速率已對HT-7裝置的實(shí)驗帶來(lái)了許多不利的影響。
(2)在HT-7上負責采集和存儲數據的計算機是Micro VAX3300，這種VAX機型主要是用作小型工作站。如果登錄的用戶(hù)過(guò)多，就會(huì )使系統的速度變得很慢。由于在實(shí)驗期間，各個(gè)診斷、控制組都想了解最新的實(shí)驗數據情況，以便調整各自的采集模件參數和實(shí)驗參數，這樣大量的用戶(hù)通過(guò)VAX終端或利用PC機仿終端登錄到VAX33上，用繪圖軟件包將實(shí)驗數據顯示出來(lái)。這樣就大量占用了VAX的有限資源，使得系統的采集速度下降。
(3)另外，在系統的采集網(wǎng)上，集中了大量的各種類(lèi)型的計算機，它們在網(wǎng)上進(jìn)行各種數據交換，同時(shí)VAX33還要定時(shí)將大量的采集數據向所區網(wǎng)上的VAX42上傳送，這勢必造成網(wǎng)絡(luò )的擁擠，使網(wǎng)上的數據傳送速度下降。
上述三條，都會(huì )制約HT-7數據采集系統的采集速度，所以在HT-7U上必須在這三方面進(jìn)行改造。
3 HT-7U對采集系統的需求分析
需求分析是HT-7U數據采集系統選型和設計的依據，根據HT-7U的實(shí)驗要求和具體特點(diǎn)，作出如下需求分析。
3.1 功能需求
(1)能產(chǎn)生系統所需的各種激勵信號(如觸發(fā)信號、時(shí)鐘信號等)，并能對其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；
(2)具有實(shí)時(shí)采集和測量各種信號的能力；
(3)具有對被測系統進(jìn)行快速實(shí)時(shí)控制的能力；
(4)能對采集的數據及過(guò)程進(jìn)行記錄、處理和存檔，并具有自動(dòng)故障診斷和保護的能力；
(5)改進(jìn)現有的總線(xiàn)結構，以提高數據獲取速度；
(6)對于HT-7U，預計數據采集通道將達到500路，其中100路采用交替采集以滿(mǎn)足HT-7U準穩態(tài)放電運行時(shí)的要求；
(7)在滿(mǎn)足高速數據獲取的前提下，組建HT-7U專(zhuān)用高速控制網(wǎng)，以增加系統對各種物理狀態(tài)的控制能力。
3.2 結構需求
考慮到計算機、數據采集和控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展和系統今后的擴充、升級，整個(gè)HT-7U計算機系統應是一個(gè)大型分布式的系統，這樣有利于系統的重構、擴充和升級。
3.3 軟件需求
HT-7U的計算機控制和數據采集及處理系統應配有豐富的支撐軟件，要求有良好的用戶(hù)界面，特別需要具有實(shí)時(shí)測控能力的軟件開(kāi)發(fā)平臺。
3.4 可靠性需求
(1)系統應具有高可靠性；
(2)系統有良好的電磁兼容性和很強的抗干擾能力；
(3)系統具有安全巡檢和故障保護能力；
(4)有良好的可維護性。
4 HT-7U數據采集系統總線(xiàn)選型考慮
隨著(zhù)計算機測量與控制技術(shù)的發(fā)展，設計開(kāi)放式系統，實(shí)現標準化、模塊化、系列化、通用化的系統已成為當今國際上計算機測控領(lǐng)域的發(fā)展主流。開(kāi)放式系統結構能實(shí)現系統資源、軟件資源、硬件資源共享，系統通道易于升級，系統易于擴充，易于適應各種場(chǎng)合需要而很方便地重組系統。系統不僅達到各類(lèi)資源共享，而且能夠適應計算機技術(shù)和集成技術(shù)的發(fā)展，使系統始終能采用計算機技術(shù)和集成技術(shù)的最新成果，保持系統的先進(jìn)性和兼容性。
基于上述趨勢，各種測控系統總線(xiàn)標準應運而生。目前可以用于核能領(lǐng)域的測控系統的總線(xiàn)規范主要有：微機總線(xiàn)(如PC總線(xiàn))、測控總線(xiàn)(如CAMAC總線(xiàn))和儀器儀表總線(xiàn)(如VXI總線(xiàn))。利用與這些總線(xiàn)相配套的各類(lèi)A/D、D/A、I/O等功能模塊或測量?jì)x器，可以快速、方便地構建所需要的測控系統。4.1 PC總線(xiàn)系統
利用PC總線(xiàn)所構建的系統主要用于工業(yè)控制領(lǐng)域，其特點(diǎn)是：價(jià)格較低，結構簡(jiǎn)單，便于控制，軟件產(chǎn)品較多。但對于HT-7U數據采集系統，這種總線(xiàn)系統存在著(zhù)明顯的不足。
(1)可靠性差；電磁兼容性較差，抗干擾和可維護性差。
(2)采集速度慢，采集通道和采樣點(diǎn)較少。
(3)總線(xiàn)設計主要滿(mǎn)足PC及外設的需要，不支持測量?jì)x器的工作，功能模塊種類(lèi)較少。
(4)總線(xiàn)插槽和電源種類(lèi)較少，負載能力較差，限制了功能模塊的作用。
(5)功能模塊與計算機共用同一總線(xiàn)，在需要更換其他總線(xiàn)的計算機時(shí)，功能模塊也要隨之改變。
4.2 CAMAC總線(xiàn)系統
CAMAC系統是計算機自動(dòng)測量與控制的通用標準接口系統，它有多種系統組建方式，采用總線(xiàn)轉換技術(shù)使CAMAC系統可配接各類(lèi)計算機等優(yōu)點(diǎn)，在七、八十年代被廣泛應用于航空、航天、核能等各個(gè)領(lǐng)域。綜合當今測控領(lǐng)域內CAMAC系統的現狀和發(fā)展方向，結合HT-7U數據采集系統的具體要求，CAMAC系統具有以下缺陷：
(1)CAMAC總線(xiàn)是采用24位數據傳輸，很難與當今計算機(16或32位)相匹配。
(2)CAMAC系統雖然為分布式系統提供了可行方法，但連接方式為CAMAC專(zhuān)用，不適用于通用計算機網(wǎng)絡(luò )連接。
(3)CAMAC機箱控制器承擔對機箱中各個(gè)功能模塊的控制管理，雖有智能，但遠不是一個(gè)通用計算機模塊，其功能和通用性較差。
(4)CAMAC軟件較少，層次較低，不能適應軟件發(fā)展的形勢和HT-7U測控的需要。
(5)國內開(kāi)發(fā)的CAMAC機箱和模件工藝較差，可靠性不高。
(6)隨著(zhù)VXI總線(xiàn)的應用，大多數CAMAC測控系統也在逐步進(jìn)行升級、改造，CAMAC模件供應商也在大量減少，這勢必影響系統的維護和改造。
對以上不足之處，除第一條外，其余均因其自身因素或供應商轉向更新VXI總線(xiàn)而難于實(shí)現。
4.3 VXI總線(xiàn)系統
VXI總線(xiàn)自1987年問(wèn)世以來(lái)，現已成為國際上公認的2000年前最好的總線(xiàn)標準，廣泛應用于軍事、航空、航天等領(lǐng)域的測控系統。
(1)VXI總線(xiàn)能進(jìn)行8、16或32位數據存取，最大傳輸速率為40Mbytes/s，具有同步觸發(fā)信號，不僅有模塊化的A/D，D/A，I/O，還有模塊化的示波器、數字表等儀器，其優(yōu)良的性能完全能滿(mǎn)足HT-7U高速數據采集和控制的需要。
(2)VXI總線(xiàn)系統計算機連接方法有五種：GP-IB總線(xiàn)；嵌入式計算機；MXI總線(xiàn)；通過(guò)R S232C接口連接；局域網(wǎng)連接。系統可以方便地根據需要選用。
(3)VXI總線(xiàn)系統可使用IEEE488的程控軟件和可程控儀器的標準指令(SCPI)，也可使用微機通用的所有軟件(如C/C++，Windows等)，另外還有廠(chǎng)商提供的專(zhuān)為VXI總線(xiàn)系統開(kāi)發(fā)的軟件工具，如ITG、Labview、CVI、VEE等。
(4)由于VXI總線(xiàn)系統從機箱到模塊的設計和生產(chǎn)遵循軍用標準，而且還很好地解決了電磁兼容、抗干擾、散熱等問(wèn)題，使得系統具有很高的可靠性。
(5)VXI總線(xiàn)業(yè)已成為國際標準，其開(kāi)放式結構、良好的兼容性、優(yōu)越的性能已成為在高技術(shù)領(lǐng)域的測控系統的首選設備。
綜合比較上述三種總線(xiàn)的性能、兼容性、擴展性、先進(jìn)性和可靠性，結合HT-7U的具體需要，選用VXI總線(xiàn)系統是一種最佳選擇。
5 基于VXI總線(xiàn)的HT-7U數據采集控制系統
綜合比較VXI總線(xiàn)系統計算機連接的五種方法：GP-IB總線(xiàn)連接、嵌入式計算機、MXI總線(xiàn)接口、RS-232C和LAN連接，結合HT-7U要求系統具有高速數據采集和實(shí)時(shí)反饋控制的能力，而且系統的數據資源要求能夠實(shí)現共享。這樣系統擬采用嵌入式計算機和MXI總線(xiàn)接口兩種方式，然后通過(guò)Ethernet連接起來(lái)。對于內嵌式VXI計算機系統的最大數據傳送率為40Mby tes/s；典型值為5～10Mbytes/s；而基于MXI總線(xiàn)的多機箱、外接式計算機系統其最大數據傳送率為20Mbytes/s；典型值為5Mbytes/s。
整個(gè)HT-7U計算機系統的結構將按照分布式系統來(lái)構造(如圖2)。結合HT-7U實(shí)驗的要求，將整個(gè)系統分成若干個(gè)子系統，如充氣系統、縱場(chǎng)系統、極向場(chǎng)系統、真空系統、LHCD、通用系統等等。這些子系統各自獨立地進(jìn)行數據采集和控制，就會(huì )大大提高整個(gè)系統的采集和控制的速度。對于實(shí)驗數據，各子系統將獲得的數據直接保留在本地系統主機上，這樣也減少了網(wǎng)上 的數據傳輸量，系統速度也會(huì )提高。
對于系統控制部分而言，由于HT-7U是在準穩態(tài)下運行，有很多信號要求能夠實(shí)現快速實(shí)時(shí)反饋控制，為此，各子系統的控制均采用內嵌式VXI計算機系統以保證系統的需要。而對采集部分，將根據各個(gè)子系統對數據和控制的具體要求來(lái)選用。對一般的數據采集和不需要快速實(shí)時(shí)反饋控制的子系統，將采用基于MXI(多系統擴展接口)總線(xiàn)的多機箱、外接式計算機系統；對需要快速實(shí)時(shí)反饋控制的子系統，將采用嵌入式計算機系統(如圖3)。
就整個(gè)分布式系統而言，為了減少網(wǎng)絡(luò )上的數據流量，提高網(wǎng)絡(luò )速度，系統將由三個(gè)獨立的100Mbps的快速以太網(wǎng)構成，即實(shí)驗網(wǎng)、數據采集網(wǎng)、診斷控制網(wǎng)。通過(guò)一臺100M的交換機將三個(gè)局域網(wǎng)和所區網(wǎng)連接起來(lái)，并可通過(guò)所區網(wǎng)進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)。
對于各個(gè)子系統采集的實(shí)驗數據，可通過(guò)將VXI機箱內A/D模件緩存內的數據映射到各個(gè)子系統的主機(即VXI機箱內的嵌入式計算機或基于MXI總線(xiàn)的外接計算機)內存內，并以一定 的文件格式保存在本地硬盤(pán)上。
上述系統，將進(jìn)入具體實(shí)施階段。
基金項目：國家發(fā)展計劃委員會(huì )“計投資(1998)1303號項目”( 子項目)。
作者簡(jiǎn)介：謝向陽(yáng)(1966-)，男，安徽寧國人，博士生，主要從事核 聚變裝置的計算機數據采集和中央控制系統的研究和設計。
作者單位：謝向陽(yáng)(中國科學(xué)院等離子體所，安徽 合肥 230031)
羅家融(中國科學(xué)院等離子體所，安徽 合肥 230031)
參考文獻：
［1］VXIbus System Specification VXI-1,Revision 1.4［S］.May22,1992.
［2］VXIbus Mainframe Extender Specification VXI-6,Rev.1.0［S］.February 7,1991.
［3］VXIbus:TCP/IP Instrument Protocol Specification,VXI-11,Rev.1.0［S］ .July17,1995.
［4］VXI Source Book［M］.HP Company,1998.
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