1 前言

磁約束核聚變已在常規(guī)（非超導(dǎo)）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(guó)正在競(jìng)相建造或計(jì)劃建造大型超導(dǎo)托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置。非圓截面超導(dǎo)托卡馬克將成為未來(lái)穩(wěn)態(tài)、安全、高效運(yùn)行的托卡馬克聚變反應(yīng)堆提供寶貴的物理及工程技術(shù)基礎(chǔ)。

1994年底，等離子體物理所成功地改建成我國(guó)第一臺(tái)超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7及其附屬系統(tǒng)，并于1995年初進(jìn)行了首次放電實(shí)驗(yàn)。HT-7的建成使我國(guó)成為繼法國(guó)、日本、俄羅斯之后世界上第四個(gè)擁有超導(dǎo)托卡馬克裝置的國(guó)家，為我國(guó)核聚變研究走向世界前沿打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為了進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)在核聚變領(lǐng)域的研究，中國(guó)科學(xué)院在九五期間預(yù)期用1.6億元的投資，在中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所內(nèi)，建造一個(gè)更大型的非圓截面超導(dǎo)托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置（HT-7U），計(jì)劃于2002年左右建成并投入運(yùn)行。屆時(shí)中國(guó)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(dú)立地參與國(guó)際交流、合作與競(jìng)爭(zhēng)。

2現(xiàn)有的HT-7數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

在現(xiàn)有的HT-7總控系統(tǒng)中，其數(shù)據(jù)采集部分是采用基于VAX/VMX CAMAC的總線系統(tǒng)。如圖1所示。該系統(tǒng)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(xiàn)有的這套基于VAX/VMS CAMAC串行總線，其最大數(shù)據(jù)傳輸速率只有5Mbytes/s，典型值只有3Mbytes/s。這種傳輸速率已對(duì)HT-7裝置的實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了許多不利的影響。

（2）在HT-7上負(fù)責(zé)采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)是Micro VAX3300，這種VAX機(jī)型主要是用作小型工作站。如果登錄的用戶過(guò)多，就會(huì)使系統(tǒng)的速度變得很慢。由于在實(shí)驗(yàn)期間，各個(gè)診斷、控制組都想了解最新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)情況，以便調(diào)整各自的采集模件參數(shù)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)，這樣大量的用戶通過(guò)VAX終端或利用PC機(jī)仿終端登錄到VAX33上，用繪圖軟件包將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。這樣就大量占用了VAX的有限資源，使得系統(tǒng)的采集速度下降。

（3）另外，在系統(tǒng)的采集網(wǎng)上，集中了大量的各種類型的計(jì)算機(jī)，它們?cè)诰W(wǎng)上進(jìn)行各種數(shù)據(jù)交換，同時(shí)VAX33還要定時(shí)將大量的采集數(shù)據(jù)向所區(qū)網(wǎng)上的VAX42上傳送，這勢(shì)必造成網(wǎng)絡(luò)的擁擠，使網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳送速度下降。

上述三條，都會(huì)制約HT-7數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集速度，所以在HT-7U上必須在這三方面進(jìn)行改造。

3HT-7U對(duì)采集系統(tǒng)的需求分析

需求分析是HT-7U數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選型和設(shè)計(jì)的依據(jù)，根據(jù)HT-7U的實(shí)驗(yàn)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(tǒng)所需的各種激勵(lì)信號(hào)（如觸發(fā)信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)等），并能對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；

（2）具有實(shí)時(shí)采集和測(cè)量各種信號(hào)的能力；

（3）具有對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行快速實(shí)時(shí)控制的能力；

（4）能對(duì)采集的數(shù)據(jù)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(hù)的能力；

（5）改進(jìn)現(xiàn)有的總線結(jié)構(gòu)，以提高數(shù)據(jù)獲取速度；

（6）對(duì)于HT-7U，預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)采集通道將達(dá)到500路，其中100路采用交替采集以滿足HT-7U準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電運(yùn)行時(shí)的要求；

（7）在滿足高速數(shù)據(jù)獲取的前提下，組建HT-7U專用高速控制網(wǎng)，以增加系統(tǒng)對(duì)各種物理狀態(tài)的控制能力。

3.2結(jié)構(gòu)需求

考慮到計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)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(tǒng)今后的擴(kuò)充、升級(jí)，整個(gè)HT-7U計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)大型分布式的系統(tǒng)，這樣有利于系統(tǒng)的重構(gòu)、擴(kuò)充和升級(jí)。

3.3軟件需求

HT-7U的計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)應(yīng)配有豐富的支撐軟件，要求有良好的用戶界面，特別需要具有實(shí)時(shí)測(cè)控能力的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

3.4可靠性需求

（1）系統(tǒng)應(yīng)具有高可靠性；

（2）系統(tǒng)有良好的電磁兼容性和很強(qiáng)的抗干擾能力；

（3）系統(tǒng)具有安全巡檢和故障保護(hù)能力；

（4）有良好的可維護(hù)性。

4HT-7U數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總線選型考慮

隨著計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)開(kāi)放式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化、通用化的系統(tǒng)已成為當(dāng)今國(guó)際上計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的發(fā)展主流。開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源、軟件資源、硬件資源共享，系統(tǒng)通道易于升級(jí)，系統(tǒng)易于擴(kuò)充，易于適應(yīng)各種場(chǎng)合需要而很方便地重組系統(tǒng)。系統(tǒng)不僅達(dá)到各類資源共享，而且能夠適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成技術(shù)的發(fā)展，使系統(tǒng)始終能采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成技術(shù)的最新成果，保持系統(tǒng)的先進(jìn)性和兼容性。

基于上述趨勢(shì)，各種測(cè)控系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。目前可以用于核能領(lǐng)域的測(cè)控系統(tǒng)的總線規(guī)范主要有：微機(jī)總線（如PC總線）、測(cè)控總線（如CAMAC總線）和儀器儀表總線（如VXI總線）。利用與這些總線相配套的各類A/D、D/A、I/O等功能模塊或測(cè)量?jī)x器，可以快速、方便地構(gòu)建所需要的測(cè)控系統(tǒng)。

4.1PC總線系統(tǒng)

利用PC總線所構(gòu)建的系統(tǒng)主要用于工業(yè)控制領(lǐng)域，其特點(diǎn)是：價(jià)格較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于控制，軟件產(chǎn)品較多。但對(duì)于HT-7U數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這種總線系統(tǒng)存在著明顯的不足。

（1）可靠性差；電磁兼容性較差，抗干擾和可維護(hù)性差。

（2）采集速度慢，采集通道和采樣點(diǎn)較少。

（3）總線設(shè)計(jì)主要滿足PC及外設(shè)的需要，不支持測(cè)量?jī)x器的工作，功能模塊種類較少。

（4）總線插槽和電源種類較少，負(fù)載能力較差，限制了功能模塊的作用。

（5）功能模塊與計(jì)算機(jī)共用同一總線，在需要更換其他總線的計(jì)算機(jī)時(shí)，功能模塊也要隨之改變。

4.2CAMAC總線系統(tǒng)

CAMAC系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制的通用標(biāo)準(zhǔn)接口系統(tǒng)，它有多種系統(tǒng)組建方式，采用總線轉(zhuǎn)換技術(shù)使CAMAC系統(tǒng)可配接各類計(jì)算機(jī)等優(yōu)點(diǎn)，在七、八十年代被廣泛應(yīng)用于航空、航天、核能等各個(gè)領(lǐng)域。綜合當(dāng)今測(cè)控領(lǐng)域內(nèi)CAMAC系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向，結(jié)合HT-7U數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的具體要求，CAMAC系統(tǒng)具有以下缺陷：

（1）CAMAC總線是采用24位數(shù)據(jù)傳輸，很難與當(dāng)今計(jì)算機(jī)（16或32位）相匹配。

（2）CAMAC系統(tǒng)雖然為分布式系統(tǒng)提供了可行方法，但連接方式為CAMAC專用，不適用于通用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接。

（3）CAMAC機(jī)箱控制器承擔(dān)對(duì)機(jī)箱中各個(gè)功能模塊的控制管理，雖有智能，但遠(yuǎn)不是一個(gè)通用計(jì)算機(jī)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(yīng)軟件發(fā)展的形勢(shì)和HT-7U測(cè)控的需要。

（5）國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的CAMAC機(jī)箱和模件工藝較差，可靠性不高。

（6）隨著VXI總線的應(yīng)用，大多數(shù)CAMAC測(cè)控系統(tǒng)也在逐步進(jìn)行升級(jí)、改造，CAMAC模件供應(yīng)商也在大量減少，這勢(shì)必影響系統(tǒng)的維護(hù)和改造。

對(duì)以上不足之處，除第一條外，其余均因其自身因素或供應(yīng)商轉(zhuǎn)向更新VXI總線而難于實(shí)現(xiàn)。

4.3VXI總線系統(tǒng)

VXI總線自1987年問(wèn)世以來(lái)，現(xiàn)已成為國(guó)際上公認(rèn)的2000年前最好的總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于軍事、航空、航天等領(lǐng)域的測(cè)控系統(tǒng)。

（1）VXI總線能進(jìn)行8、16或32位數(shù)據(jù)存取，最大傳輸速率為40Mbytes/s，具有同步觸發(fā)信號(hào)，不僅有模塊化的A/D，D/A，I/O，還有模塊化的示波器、數(shù)字表等儀器，其優(yōu)良的性能完全能滿足HT-7U高速數(shù)據(jù)采集和控制的需要。

（2）VXI總線系統(tǒng)計(jì)算機(jī)連接方法有五種：GP-IB總線；嵌入式計(jì)算機(jī)；MXI總線；通過(guò)R S232C接口連接；局域網(wǎng)連接。系統(tǒng)可以方便地根據(jù)需要選用。

（3）VXI總線系統(tǒng)可使用IEEE488的程控軟件和可程控儀器的標(biāo)準(zhǔn)指令（SCPI），也可使用微機(jī)通用的所有軟件（如C/C++，Windows等），另外還有廠商提供的專為VXI總線系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件工具，如ITG、Labview、CVI、VEE等。

（4）由于VXI總線系統(tǒng)從機(jī)箱到模塊的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)遵循軍用標(biāo)準(zhǔn)，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(tǒng)具有很高的可靠性。

（5）VXI總線業(yè)已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其開(kāi)放式結(jié)構(gòu)、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(cè)控系統(tǒng)的首選設(shè)備。

綜合比較上述三種總線的性能、兼容性、擴(kuò)展性、先進(jìn)性和可靠性，結(jié)合HT-7U的具體需要，選用VXI總線系統(tǒng)是一種最佳選擇。

5基于VXI總線的HT-7U數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

綜合比較VXI總線系統(tǒng)計(jì)算機(jī)連接的五種方法：GP-IB總線連接、嵌入式計(jì)算機(jī)、MXI總線接口、RS-232C和LAN連接，結(jié)合HT-7U要求系統(tǒng)具有高速數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)反饋控制的能力，而且系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源要求能夠?qū)崿F(xiàn)共享。這樣系統(tǒng)擬采用嵌入式計(jì)算機(jī)和MXI總線接口兩種方式，然后通過(guò)Ethernet連接起來(lái)。對(duì)于內(nèi)嵌式VXI計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)傳送率為40Mby tes/s；典型值為5～10Mbytes/s；而基于MXI總線的多機(jī)箱、外接式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其最大數(shù)據(jù)傳送率為20Mbytes/s；典型值為5Mbytes/s。

整個(gè)HT-7U計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將按照分布式系統(tǒng)來(lái)構(gòu)造（如圖2）。結(jié)合HT-7U實(shí)驗(yàn)的要求，將整個(gè)系統(tǒng)分成若干個(gè)子系統(tǒng)，如充氣系統(tǒng)、縱場(chǎng)系統(tǒng)、極向場(chǎng)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、LHCD、通用系統(tǒng)等等。這些子系統(tǒng)各自獨(dú)立地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，就會(huì)大大提高整個(gè)系統(tǒng)的采集和控制的速度。對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，各子系統(tǒng)將獲得的數(shù)據(jù)直接保留在本地系統(tǒng)主機(jī)上，這樣也減少了網(wǎng)上 的數(shù)據(jù)傳輸量，系統(tǒng)速度也會(huì)提高。

對(duì)于系統(tǒng)控制部分而言，由于HT-7U是在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行，有很多信號(hào)要求能夠?qū)崿F(xiàn)快速實(shí)時(shí)反饋控制，為此，各子系統(tǒng)的控制均采用內(nèi)嵌式VXI計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以保證系統(tǒng)的需要。而對(duì)采集部分，將根據(jù)各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)和控制的具體要求來(lái)選用。對(duì)一般的數(shù)據(jù)采集和不需要快速實(shí)時(shí)反饋控制的子系統(tǒng)，將采用基于MXI（多系統(tǒng)擴(kuò)展接口）總線的多機(jī)箱、外接式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；對(duì)需要快速實(shí)時(shí)反饋控制的子系統(tǒng)，將采用嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（如圖3）。

就整個(gè)分布式系統(tǒng)而言，為了減少網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)流量，提高網(wǎng)絡(luò)速度，系統(tǒng)將由三個(gè)獨(dú)立的100Mbps的快速以太網(wǎng)構(gòu)成，即實(shí)驗(yàn)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)、診斷控制網(wǎng)。通過(guò)一臺(tái)100M的交換機(jī)將三個(gè)局域網(wǎng)和所區(qū)網(wǎng)連接起來(lái)，并可通過(guò)所區(qū)網(wǎng)進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)。

對(duì)于各個(gè)子系統(tǒng)采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可通過(guò)將VXI機(jī)箱內(nèi)A/D模件緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)映射到各個(gè)子系統(tǒng)的主機(jī)（即VXI機(jī)箱內(nèi)的嵌入式計(jì)算機(jī)或基于MXI總線的外接計(jì)算機(jī)）內(nèi)存內(nèi)，并以一定 的文件格式保存在本地硬盤(pán)上。

上述系統(tǒng)，將進(jìn)入具體實(shí)施階段。

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