VXI总线测试系统

引言 

　　在托卡马克等离子体物理放电过程中，破裂与据齿的研究具有重要的意义。在大多数托卡马克放电过程
中都存在破裂与锯齿。破裂是一个值得注意的事件，其间等离子体的约束遭到严重的破坏，它不仅限制了等
离子体的电流和密度的运行区域，而且它造成的机械应力和热负荷给等离子体容器壁带来严重损害。对破裂，
目前在理论上仍缺乏详尽理解，大体上可将其分为低q破裂和密度极限破裂。利用村上（Murakami）参数作
横坐标的Hugill图，我们可以得到破裂和托卡马克等离子体运行区域的初略了解。 
　　在大多数情况下托卡马克等离子体中心存在驰豫振荡，也就是温度和密度的锯齿振荡。在上升期，磁轴
附近的电流密度增加，中心q值下降，在下降期，磁轴附近的电流密度下降，中心值增加。锯齿的机制不太
清楚，一般由卡达姆采夫重连模解释。 
　　破裂与锯齿的软X-射线行为大体可以分为四个阶段，即预前兆期、前兆期、快速下降期、以及恢复或熄
灭期。对于破裂与锯齿的快速下降期，通常人们对它有一种误解，即认为在此期间，软X-射线信号是单调或
准单调地下降的。事实上，只要采样频率足够高，仔细观察，不难发现软X-射线是振荡下降的，而且一阶小
量大于零阶量（通常将直流成分定义为零阶量）。 
　　可见，为了获得破裂和锯齿行为的详尽信息，必须采用时间分辨率较高的等离子体诊断方式。随着采样
频率的增加，获得的数据量也成倍增加，这给数据的存储、传送和处理带来了极大的困难。要在漫长的放电
过程中，实现高速数据采集，并在给定的短时间内完成数据的存储、传送和处理成为构建测试系统要解决问
题的关键所在。 

构建VXI测试系统 

　　由于在托卡马克等离子体物理漫长的放电过程中，破裂和锯齿是非常短暂的过程，这为我们克服这些困
难提供了条件。 
　　我们以这样的方式组成40通道VXI数据采集测试系统，针对漫长的放电过程除破裂和锯齿等短暂过程外
其缓慢变化的特征，在各个通道采用较低的采样率采集全过程数据，确保能采集到放电全过程的数据，就可
以满足对放电过程的概况测试。将其战速采集时间设定为1.6秒，可以覆盖所有放电过程。但由于采样频率
低，整个持续1.6秒的慢采集过程形成的数据量也就仅仅每通道几十K。 
　　低速采集的同时，每通道还有一个与低速采集并行进行着的高速采集，专门用来采集破裂和锯齿事件。
高速采集和低速采集有各自不同的存储器存储数据，高速采集的存储器被分为很多片段，最多可分为16段，
每段存储器采集存储一个破裂和锯齿事件数据。在低速采集开始以后，由一个专门的事件触发模块多次触
发快速采集，每次触发启动一次快速采集过程，记录一个事件信号。由于破裂和锯齿事件非常短暂，持续
时间也就几毫秒，对于2MSa/s的高速采集，每通道存储器总的长度不到100K就可满足多次快速采集的存储
数据的需要。 
　　这样一来，我们构建的VXI测试系统用一种变通的方式实现既可以由低速采集观察到漫长的放电过程的
全貌，又可以由高速采集仔细分析破裂和锯齿的短暂过程，以及判断事件出现在放电过程的时刻，将常规
方式采集下每通道约3MSa的存储器需求降到100KSa左右，解决了由于采样频率的增加而产生的数据量成倍
增加的矛盾。为在给定的短时间内完成数据的存储、传送和处理提供了保证。 

功能设计考虑 

　　要构建测试系统，我们首先需要一个最基本的VXI平台：13槽的VXI机箱和零槽控制器，在此平台基础
上，我们开始构建这套专用系统的测试功能部分。系统测试功能部分的硬件被抽象为两个基本功能：一个
是信号数据采集和存储，包括慢速的全过程采集和同时进行的快速的破裂和锯齿事件捕捉；另一个是识别
和判断破裂和锯齿事件，产生对采集的触发。两个抽象的基本功能确定了测试系统要开发的两种类型的VX
I模块：数据采集模块和事件触发模块。 
　　在我们的测试系统中，需要40个并行采集通道，数据采集模块被设计为每模块4个通道，需用到10个
采集模块数。40个通道并行工作，系统的快速采集只需要由一个事件触发模块来启动，只需要对被监视
的一路信号来加以判别产生动作。13槽的VXI机箱刚好满足使用。 
　　系统工作模式是这样进行的：工作开始时，事件触发模块首先接受代表放电过程开始的外部触发信号，
来启动数据采集模块的慢速采集，同时启动事件触发模块内部的破裂和锯齿事件鉴别工作。每当事件触发
模块鉴别出设定事件时，它就立即通过TTLTRGn线发出触发信号，启动数据采集模块的一次快速的数据采
集，捕捉破裂和锯齿事件信号。破裂和锯齿事件的发生到事件触发模块鉴别出事件，给出触发信号总会有
延迟，所以，在快速的每一次数据采集对应的存储数据中，还必须使用负延迟触发功能。一次快速数据采
集完成自动进入下一段存储器，准备接受下一次触发，启动下一次采集，直到设定的快速数据采集次数全
部完成。 
　　最后，当数据采集模块1.6秒的慢速采集数据过程全部完成，整个采集过程宣告结束，才可以开始处
理数据，并准备下一次的工作。 

技术关键 

　　系统一方面要以一个快速的采集，捕捉到破裂的锯齿事件信号进行研究，另一方面又要因保证数据处
理速度而控制数据量，这是一个矛盾。对这个矛盾，前面的系统功能的设计已给出了很好的解决办法。不
少技术难题是出现在接下来的模块设计和实现的模块的各项功能中。 
　　事件触发模块：为了识别特定的信号事件，先要定义一个信号事件。破裂，锯齿或者别的事件。选取
我们想识别的事件，既要做到毫无遗漏，同时也不会误选。这给我们识别事件计算方法提出了较高的要求。 
　　1.事件属性的定义。苛刻的条件很容易将我们想要的事件过滤掉而遗漏。然而宽松的要求很容易产生
误触发，用尽可能多的事件属性来筛选我们所要的事件，才可能抓住事件区别于别的事件的特征。然而，
要处理多个属性，需要更多的计算判别时间，会带来别的问题。在对HL-1M放电过程中破裂与锯齿特性的
深入了解的基础上，经过大量的摸索和多次改选，算法代码中用7个属性来筛选特定的破裂与锯齿。 
　　2.实时响应。由于每一次快速采集只能采集一个较短的时间过程，即使采用负延时，从事件发生到给
出触发信号的延时也不能超过一个快速采集存储片的总存储时间，当超过这个时间，就只能采集到事件之
后的数据，而丢失重要的事件信号数据。 
　　为提高响应时间，这里采用DSP芯片来完成计算功能。选用的是AD公司的40MHz的ADSP-21061芯片。
ADSP-21061这种哈佛结构的DSP芯片，不同于传统的冯·诺依曼并行体系结构的芯片。ADSP-21061将程序
和数据存储在不同的内存里，由24位的程序总线和32位的数据总线分别进行存取，实现了取指令和取操作
数的并行工作，具有很高的效率。 
　　DSP芯片的采用，使事件触发模块可以在破裂与锯齿事件发生的数微秒之内作出计算识别，给出触发
信号。保证了事件触发的实时响应性。 
　　数据采集模块：数据采集模块的设计难点在于其复杂的功能。它有两套采集机制，能以一个较低的采
样频率，采集放电的全过程，同时又可由事件触发模块启动快速采集，捕捉到破裂和锯齿事件信号。 
　　设计和实现中，模块只使用了一套A/D转换器，按快速采集的采样率工作。慢速采集获取数据时将漏
掉对于慢速采集来说多余的数据，只按它本身对应的慢采速率得到数据。这样既可以节约硬件成本，又保
证两套采集机制下数据的一致性。 
　　为了找到破裂和锯齿事件发生在放电过程的相对时刻，需要作一个识别标志。A/D转换器的分辨率为
12Bit，而数据总是以16Bit方式存储和访问，可以利用富余的4Bit数据位来实现。当每次速采集结束时，
保存最后一个数据时做上结束标志。 
　　慢速采集工作方式，是一种常规的采集方式，从零地址启动，采满即结束。但快速采集则要复杂得多，
它在每一个片段的存储器内都要按环形存储器方式工作，数据不停地存人存储器，新的数据总是覆盖旧的
数据，直至一次采集结束。片段内的结束地址也就是起始地址，这样来实现每一段的负延迟采集。当一个
片段的高速数据采集完成，需要在结束地址的数据作上结束标志供数据处理时使用，然后跳到下一个片段，
并在下一个片段又继续采集存储数据。 
　　VXI硬件平台：在系统测试硬件的设计方面，我们花了很多精力进行精心设计，使满足测试需求条件
下的测试得到的数据量大大减小。尽管如此，系统共40个通道的总数据量仍然非常大，配备一个数据吞吐
量较高VXI硬件系统平台就显得很重要，我们为系统配备了一个MXI的零槽控制器，保证数据的快速传输，
使系统平台这一环不会成为数据传输的瓶颈，保证整个系统具有高效率。 

系统功能验证 

　　在完成系统测试部分的设计和制作后，对它的测试和功能验证显得非常重要。将没有经过测试的仪器
直接进人现场使用是非常危险的，测试失败将会造成大量人力和物力的浪费，损失我们宝贵的时间。为方
便测试和验证系统功能，我们利用VXI机箱剩余的最后一个空槽，为系统集成了一个任意波形函数发生器
模块JV53202。 
　　利用JV53202任意波形函数发生器模块的用户数据波形功能，将以前试验曾经获得的数据整理后，下
载到JV53202模块内部作为波形输，可以模拟托卡马克等离子体物理漫长的放电过程中破裂和锯齿的试验
条件，对系统进行测试和功能验证。 
　　事实证明，这种测试是系统必不可少的一环，它降低了风险，为系统最终成功获取试验数据提供了保
障。 

结束语 

　　利用先进的VXI总线硬件平台，构建的这套测试系统是将VXI总线测试仪器引人托卡马克等离子体物理
应用方面的一次尝试。系统合理利用了VXI总线资源，使系统测试能力增强，同时缩小系统体积，降低系
统成本。成熟的VXI总线模块资源也给系统的组建和测试带来方便。可以预见，VXI测试技术将会在等离子
体物理方面不断得到更多的应用。