基于VXI總線的HT-7U數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

　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。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(jìn)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(jìn)一步推進(jìn)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(jìn)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(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(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(jī)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(jī)，它們在網(wǎng)上進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行快速實時控制的能力；
　　
　　(4)能對采集的數(shù)據(jù)及過程進(jìn)行記錄、處理和存檔，并具有自動故障診斷和保護(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(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)域的未來發(fā)展和系統(tǒng)今后的擴(kuò)充、升級，整個HT-7U計算機(jī)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(kuò)充和升級。

3.3　軟件需求
　　
　　HT-7U的計算機(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(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。

4　HT-7U數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總線選型考慮
　　
　　隨著計算機(jī)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(jī)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(kuò)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(jī)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(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，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(jī)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)。4.1　PC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(hù)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(jī)共用同一總線，在需要更換其他總線的計算機(jī)時，功能模塊也要隨之改變。

4.2　CAMAC總線系統(tǒng)
　　
　　CAMAC系統(tǒng)是計算機(jī)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(jī)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(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，不適用于通用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接。
　　
　　(3)CAMAC機(jī)箱控制器承擔(dān)對機(jī)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(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)展的形勢和HT-7U測控的需要。
　　
　　(5)國內(nèi)開發(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測控系統(tǒng)也在逐步進(jìn)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(hù)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)。

4.3　VXI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(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，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(jī)連接方法有五種：GP-IB總線；嵌入式計算機(jī)；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(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(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)計算機(jī)連接的五種方法：GP-IB總線連接、嵌入式計算機(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(jī)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(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HT-7U計算機(jī)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(jìn)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(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(jī)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(kuò)展接口)總線的多機(jī)箱、外接式計算機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)(即VXI機(jī)箱內(nèi)的嵌入式計算機(jī)或基于MXI總線的外接計算機(jī))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(jìn)入具體實施階段。

基金項目：國家發(fā)展計劃委員會“計投資(1998)1303號項目”( 子項目)。
作者簡介：謝向陽(1966-)，男，安徽寧國人，博士生，主要從事核 聚變裝置的計算機(jī)數(shù)據(jù)采集和中央控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計。

作者單位：謝向陽(中國科學(xué)院等離子體所，安徽 合肥　230031)
　　　　　羅家融(中國科學(xué)院等離子體所，安徽 合肥　230031)

參考文獻(xiàn)：

［1］VXIbus System Specification VXI-1,Revision 1.4［S］.May22,1992.
［2］VXIbus Mainframe Extender Specification VXI-6,Rev.1.0［S］.February 7,1991.
［3］VXIbus:TCP/IP Instrument Protocol Specification,VXI-11,Rev.1.0［S］ .July17,1995.
［4］VXI Source Book［M］.HP Company,1998.