使用LabVIEW和PXI測量托克馬克裝置COMPASS

圖2.湯姆遜散射（TS）系統(tǒng)原理框圖

　　現(xiàn)在COMPASS裝置上的TS系統(tǒng)正在建設中[3]，圖2顯示了這個系統(tǒng)的布局示意圖，其主要組成部分有高能激光器、用于測量散射光譜的多色器以及快速模數轉換器(Analog-to-Digital Converters，ADCs)。我們使用了兩臺釹釔鋁石榴石激光器(Nd:YAG),二者重復頻率為30Hz，最大輸出能量為1.5J。激光穿過等離子體并部分被散射。單色光在散射后光譜展寬，散射光從56個空間點經過光路和光纖組合系統(tǒng)到多色器(設計于英國卡爾漢姆聚變能研究中心CCFE)，在這里入射光通過級聯(lián)光譜濾波器和雪崩光電二極管(Avalanche Photodiodes，APD)進行光譜分析。該系統(tǒng)的每個多色器使用多達5個光譜通道用于光譜測定，最終實現(xiàn)每個從雪崩光電二極管傳來的信號都被快速模數轉換器數字化。

　　數據采集需求

　　每個激光脈沖持續(xù)時間為8ns，且激光器可以在不同機制下工作(如圖3)。兩個激光器可以同時工作，或者分別按可調的延遲時間(1 μs–16.6 ms)進行工作。該系統(tǒng)對快速模數轉換器的要求反映出它對數字化這樣的信號需要足夠的采樣率來重建激光脈沖時間演化。

圖3.激光脈沖機制

　　系統(tǒng)硬件

　　我們使用高速NI PXI-5152數字化儀和低速D-Tacq ACQ196C PCI ADC板卡來同步來自所有多色器(120個光譜通道)的數字化信號。快速模數轉換器擁有高達1GS/s的轉換速率，8位分辨率以及小于300ps的通道間偏移。這些ADC板卡(每個板卡兩個通道)每通道擁有8MB板載內存并被安放在四個PXI-1045機箱中。

　　第一個機箱，也稱作主機箱，安放了一個嵌入四核的PXI-8110控制器，其同時擁有觸發(fā)和定時板卡以同步剩余三個附屬機箱。主機箱儲存數據，執(zhí)行計算，通過MXI-4技術(78MB/s)與附屬機箱進行刪除通信，并通過以太網與低速ADC板卡和COMPASS裝置控制系統(tǒng)(CODAC)進行交互。所有機箱的所有通道都與NI PXI-6653的參考時鐘緊密同步。使用NI TClk技術以及內嵌鎖相環(huán)(Phrase Locked Loops，PLLs)，我們可以獲得小于300ps的通道間偏移，即便是在這個高通道數目的系統(tǒng)中。低速數字化儀每個通道都擁有16位模數轉換器以實現(xiàn)真正采樣率為500kS/s的同時模擬輸入。我們使用兩塊低速ADC板卡，每塊擁有96個通道、400MHz的精簡指令集運算(RISC)處理器以及512M的板載內存。

　　系統(tǒng)軟件

　　我們使用LabVIEW編寫程序來控制TS系統(tǒng)中的數字化儀。軟件的基本功能包括參數設定、提供觸發(fā)、進行采集和顯示采集記錄以及保存數據到文件(如圖4)。我們將在以后增添附加功能，如數據分析、數據接口和其他必要的更多功能。該軟件運行于Microsoft Windows平臺。我們在以后可采用LabVIEW實時模塊來對托克馬克控制回路內部進行確定性操作。

圖4.LabVIEW控制程序界面

　　數據采集(Data Acquisition，DAQ)特征

　　激光脈沖觸發(fā)數據采集，這樣激光定時將是目前COMPASS裝置實時TS系統(tǒng)的限制因素。由于TS系統(tǒng)DAQ硬件和軟件是模塊化的，所以在以后我們可以增加數字化儀的數量，并可能使用主機箱的嵌入式電腦通過激光觸發(fā)數據采集，所得數據將分段獲取。