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1 前言 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展，其科學可行性已得到證實。各國正在競相建造或計劃建造大型超導托卡馬克聚變實驗裝置。非圓截面超導托卡馬克將成為未來穩態、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年初進行了首次放電實驗。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的基礎。為了進一步推進我國在核聚變領域的研究，中國科學院在九五期間預期用1.6億元的投資，在中國科學院等離子體物理研究所內，建造一個更大型的非圓截面超導托卡馬克聚變實驗裝置(HT-7U)，計劃于2002年左右建成并投入運行。屆時中國將在磁約束核聚變研究領域進入世界前沿，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的總線系統。如圖1所示。該系統在所有通道全部開啟時，其速度較慢，以至于一些快速反饋控制根本無法進行。其主要原因包括有： (1)現有的這套基于VAX/VMS CAMAC串行總線，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裝置的實驗帶來了許多不利的影響。 (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。如果登錄的用戶過多，就會使系統的速度變得很慢。由于在實驗期間，各個診斷、控制組都想了解最新的實驗數據情況，以便調整各自的采集模件參數和實驗參數，這樣大量的用戶通過VAX終端或利用PC機仿終端登錄到VAX33上，用繪圖軟件包將實驗數據顯示出來。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，在系統的采集網上，集中了大量的各種類型的計算機，它們在網上進行各種數據交換，同時VAX33還要定時將大量的采集數據向所區網上的VAX42上傳送，這勢必造成網絡的擁擠，使網上的數據傳送速度下降。 上述三條，都會制約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的實驗要求和具體特點，作出如下需求分析。 3.1 功能需求 (1)能產生系統所需的各種激勵信號(如觸發信號、時鐘信號等)，并能對其進行實時控制； (2)具有實時采集和測量各種信號的能力； (3)具有對被測系統進行快速實時控制的能力； (4)能對采集的數據及過程進行記錄、處理和存檔，并具有自動故障診斷和保護的能力； (5)改進現有的總線結構，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足HT-7U準穩態放電運行時的要求； (7)在滿足高速數據獲取的前提下，組建HT-7U專用高速控制網，以增加系統對各種物理狀態的控制能力。 3.2 結構需求 考慮到計算機、數據采集和控制技術、網絡技術等相關領域的未來發展和系統今后的擴充、升級，整個HT-7U計算機系統應是一個大型分布式的系統，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，要求有良好的用戶界面，特別需要具有實時測控能力的軟件開發平臺。 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數據采集系統總線選型考慮 隨著計算機測量與控制技術的發展，設計開放式系統，實現標準化、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域的發展主流。開放式系統結構能實現系統資源、軟件資源、硬件資源共享，系統通道易于升級，系統易于擴充，易于適應各種場合需要而很方便地重組系統。系統不僅達到各類資源共享，而且能夠適應計算機技術和集成技術的發展，使系統始終能采用計算機技術和集成技術的最新成果，保持系統的先進性和兼容性。 基于上述趨勢，各種測控系統總線標準應運而生。目前可以用于核能領域的測控系統的總線規范主要有：微機總線(如PC總線)、測控總線(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等功能模塊或測量儀器，可以快速、方便地構建所需要的測控系統。 4.1 PC總線系統 利用PC總線所構建的系統主要用于工業控制領域，其特點是：價格較低，結構簡單，便于控制，軟件產品較多。但對于HT-7U數據采集系統，這種總線系統存在著明顯的不足。 (1)可靠性差；電磁兼容性較差，抗干擾和可維護性差。 (2)采集速度慢，采集通道和采樣點較少。 (3)總線設計主要滿足PC及外設的需要，不支持測量儀器的工作，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，在需要更換其他總線的計算機時，功能模塊也要隨之改變。 4.2 CAMAC總線系統 CAMAC系統是計算機自動測量與控制的通用標準接口系統，它有多種系統組建方式，采用總線轉換技術使CAMAC系統可配接各類計算機等優點，在七、八十年代被廣泛應用于航空、航天、核能等各個領域。綜合當今測控領域內CAMAC系統的現狀和發展方向，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專用，不適用于通用計算機網絡連接。 (3)CAMAC機箱控制器承擔對機箱中各個功能模塊的控制管理，雖有智能，但遠不是一個通用計算機模塊，其功能和通用性較差。 (4)CAMAC軟件較少，層次較低，不能適應軟件發展的形勢和HT-7U測控的需要。 (5)國內開發的CAMAC機箱和模件工藝較差，可靠性不高。 (6)隨著VXI總線的應用，大多數CAMAC測控系統也在逐步進行升級、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總線而難于實現。 4.3 VXI總線系統 VXI總線自1987年問世以來，現已成為國際上公認的2000年前最好的總線標準，廣泛應用于軍事、航空、航天等領域的測控系統。 (1)VXI總線能進行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，其優良的性能完全能滿足HT-7U高速數據采集和控制的需要。 (2)VXI總線系統計算機連接方法有五種：GP-IB總線；嵌入式計算機；MXI總線；通過R S232C接口連接；局域網連接。系統可以方便地根據需要選用。 (3)VXI總線系統可使用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)，另外還有廠商提供的專為VXI總線系統開發的軟件工具，如ITG、Labview、CVI、VEE等。 (4)由于VXI總線系統從機箱到模塊的設計和生產遵循軍用標準，而且還很好地解決了電磁兼容、抗干擾、散熱等問題，使得系統具有很高的可靠性。 (5)VXI總線業已成為國際標準，其開放式結構、良好的兼容性、優越的性能已成為在高技術領域的測控系統的首選設備。 綜合比較上述三種總線的性能、兼容性、擴展性、先進性和可靠性，結合HT-7U的具體需要，選用VXI總線系統是一種最佳選擇。 5 基于VXI總線的HT-7U數據采集控制系統 綜合比較VXI總線系統計算機連接的五種方法：GP-IB總線連接、嵌入式計算機、MXI總線接口、RS-232C和LAN連接，結合HT-7U要求系統具有高速數據采集和實時反饋控制的能力，而且系統的數據資源要求能夠實現共享。這樣系統擬采用嵌入式計算機和MXI總線接口兩種方式，然后通過Ethernet連接起來。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HT-7U計算機系統的結構將按照分布式系統來構造(如圖2)。結合HT-7U實驗的要求，將整個系統分成若干個子系統，如充氣系統、縱場系統、極向場系統、真空系統、LHCD、通用系統等等。這些子系統各自獨立地進行數據采集和控制，就會大大提高整個系統的采集和控制的速度。對于實驗數據，各子系統將獲得的數據直接保留在本地系統主機上，這樣也減少了網上 的數據傳輸量，系統速度也會提高。 對于系統控制部分而言，由于HT-7U是在準穩態下運行，有很多信號要求能夠實現快速實時反饋控制，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，將根據各個子系統對數據和控制的具體要求來選用。對一般的數據采集和不需要快速實時反饋控制的子系統，將采用基于MXI(多系統擴展接口)總線的多機箱、外接式計算機系統；對需要快速實時反饋控制的子系統，將采用嵌入式計算機系統(如圖3)。 就整個分布式系統而言，為了減少網絡上的數據流量，提高網絡速度，系統將由三個獨立的100Mbps的快速以太網構成，即實驗網、數據采集網、診斷控制網。通過一臺100M的交換機將三個局域網和所區網連接起來，并可通過所區網進入互聯網。 對于各個子系統采集的實驗數據，可通過將VXI機箱內A/D模件緩存內的數據映射到各個子系統的主機(即VXI機箱內的嵌入式計算機或基于MXI總線的外接計算機)內存內，并以一定 的文件格式保存在本地硬盤上。 上述系統，將進入具體實施階段。 |
