HT-7數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)的總線選型與改造

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展，其科學(xué)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(dǎo)托卡馬克聚變實驗裝置。非圓截面超導(dǎo)托卡馬克將成為未來穩(wěn)態(tài)、安全、高效運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第一臺超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7及其附屬系統(tǒng)，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(dǎo)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(chǔ)。為了進一步推進我國在核聚變領(lǐng)域的研究，中國科學(xué)院在九五期間預(yù)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(nèi)，建造一個更大型的非圓截面超導(dǎo)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(lǐng)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(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(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HT-7裝置的實驗帶來了許多不利的影響。

（2）在HT-7上負(fù)責(zé)采集和存儲數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)情況，以便調(diào)整各自的采集模件參數(shù)和實驗參數(shù)，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(shù)據(jù)顯示出來。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算機，它們在網(wǎng)上進行各種數(shù)據(jù)交換，同時VAX33還要定時將大量的采集數(shù)據(jù)向所區(qū)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(shù)據(jù)傳送速度下降。

上述三條，都會制約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行改造。

3、HT-7U對采集系統(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)計的依據(jù)，根據(jù)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(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種激勵信號（如觸發(fā)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(tǒng)進行快速實時控制的能力；

（4）能對采集的數(shù)據(jù)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(xiàn)有的總線結(jié)構(gòu)，以提高數(shù)據(jù)獲取速度；

（6）對于HT-7U，預(yù)計數(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)放電運行時的要求；

（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)對各種物理狀態(tài)的控制能力。

3.2結(jié)構(gòu)需求

考慮到計算機、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)域的未來發(fā)展和系統(tǒng)今后的擴充、升級，整個HT-7U計算機系統(tǒng)應(yīng)是一個大型分布式的系統(tǒng)，這樣有利于系統(tǒng)的重構(gòu)、擴充和升級。

3.3軟件需求

HT-7U的計算機控制和數(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，特別需要具有實時測控能力的軟件開發(fā)平臺。

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的抗干擾能力；

（3）系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總線選型考慮

隨著計算機測量與控制技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計開放式系統(tǒng)，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化、通用化的系統(tǒng)已成為當(dāng)今國際上計算機測控領(lǐng)域的發(fā)展主流。開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能實現(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，系統(tǒng)易于擴充，易于適應(yīng)各種場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)計算機技術(shù)和集成技術(shù)的發(fā)展，使系統(tǒng)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(tǒng)的先進性和兼容性。

基于上述趨勢，各種測控系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運而生。目前可以用于核能領(lǐng)域的測控系統(tǒng)的總線規(guī)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(gòu)建所需要的測控系統(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，其特點是：價格較低，結(jié)構(gòu)簡單，便于控制，軟件產(chǎn)品較多。但對于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，抗干擾和可維護性差。

（2）采集速度慢，采集通道和采樣點較少。

（3）總線設(shè)計主要滿足PC及外設(shè)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(fù)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。

4.2CAMAC總線系統(tǒng)

CAMAC系統(tǒng)是計算機自動測量與控制的通用標(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)可配接各類計算機等優(yōu)點，在七、八十年代被廣泛應(yīng)用于航空、航天、核能等各個領(lǐng)域。綜合當(dāng)今測控領(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)今計算機（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，不適用于通用計算機網(wǎng)絡(luò)連接。

（3）CAMAC機箱控制器承擔(dān)對機箱中各個功能模塊的控制管理，雖有智能，但遠(yuǎn)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(yīng)軟件發(fā)展的形勢和HT-7U測控的需要。

（5）國內(nèi)開發(fā)的CAMAC機箱和模件工藝較差，可靠性不高。

（6）隨著VXI總線的應(yīng)用，大多數(shù)CAMAC測控系統(tǒng)也在逐步進行升級、改造，CAMAC模件供應(yīng)商也在大量減少，這勢必影響系統(tǒng)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(yīng)商轉(zhuǎn)向更新VXI總線而難于實現(xiàn)。

4.3VXI總線系統(tǒng)

VXI總線自1987年問世以來，現(xiàn)已成為國際上公認(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)域的測控系統(tǒng)。

（1）VXI總線能進行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，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(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)開發(fā)的軟件工具，如ITG、Labview、CVI、VEE等。

（4）由于VXI總線系統(tǒng)從機箱到模塊的設(shè)計和生產(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、散熱等問題，使得系統(tǒng)具有很高的可靠性。

（5）VXI總線業(yè)已成為國際標(biāo)準(zhǔn)，其開放式結(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、擴展性、先進性和可靠性，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(jié)合HT-7U要求系統(tǒng)具有高速數(shù)據(jù)采集和實時反饋控制的能力，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)擬采用嵌入式計算機和MXI總線接口兩種方式，然后通過Ethernet連接起來。對于內(nèi)嵌式VXI計算機系統(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總線的多機箱、外接式計算機系統(tǒng)其最大數(shù)據(jù)傳送率為20Mbytes/s；典型值為5Mbytes/s。

整個HT-7U計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將按照分布式系統(tǒng)來構(gòu)造（如圖2）。結(jié)合HT-7U實驗的要求，將整個系統(tǒng)分成若干個子系統(tǒng)，如充氣系統(tǒng)、縱場系統(tǒng)、極向場系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、LHCD、通用系統(tǒng)等等。這些子系統(tǒng)各自獨立地進行數(shù)據(jù)采集和控制，就會大大提高整個系統(tǒng)的采集和控制的速度。對于實驗數(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)速度也會提高。

對于系統(tǒng)控制部分而言，由于HT-7U是在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下運行，有很多信號要求能夠?qū)崿F(xiàn)快速實時反饋控制，為此，各子系統(tǒng)的控制均采用內(nèi)嵌式VXI計算機系統(tǒng)以保證系統(tǒng)的需要。而對采集部分，將根據(jù)各個子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)和控制的具體要求來選用。對一般的數(shù)據(jù)采集和不需要快速實時反饋控制的子系統(tǒng)，將采用基于MXI（多系統(tǒng)擴展接口）總線的多機箱、外接式計算機系統(tǒng)；對需要快速實時反饋控制的子系統(tǒng)，將采用嵌入式計算機系統(tǒng)（如圖3）。

就整個分布式系統(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)將由三個獨立的100Mbps的快速以太網(wǎng)構(gòu)成，即實驗網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)、診斷控制網(wǎng)。通過一臺100M的交換機將三個局域網(wǎng)和所區(qū)網(wǎng)連接起來，并可通過所區(qū)網(wǎng)進入互聯(lián)網(wǎng)。

對于各個子系統(tǒng)采集的實驗數(shù)據(jù)，可通過將VXI機箱內(nèi)A/D模件緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)映射到各個子系統(tǒng)的主機（即VXI機箱內(nèi)的嵌入式計算機或基于MXI總線的外接計算機）內(nèi)存內(nèi)，并以一定 的文件格式保存在本地硬盤上。上述系統(tǒng)，將進入具體實施階段。

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