基于VXI总线的HT-7U数据采集控制系统

1 前言

磁约束核聚变已在常规(非超导)托卡马克装置上取得了突破性的进展，其科学可行性已得到证实。各国正在竞相建造或计划建造大型超导托卡马克聚变实验装置。非圆截面超导托卡马克将成为未来稳态、安全、高效运行的托卡马克聚变反应堆提供宝贵的物理及工程技术基础。

1994年底，等离子体物理所成功地改建成我国第一台超导托卡马克装置HT-7及其附属系统，并于1995年初进行了首次放电实验。HT-7的建成使我国成为继法国、日本、俄罗斯之后世界上第四个拥有超导托卡马克装置的国家，为我国核聚变研究走向世界前沿打下了坚实的基础。为了进一步推进我国在核聚变领域的研究，中国科学院在九五期间预期用1.6亿元的投资，在中国科学院等离子体物理研究所内，建造一个更大型的非圆截面超导托卡马克聚变实验装置(HT-7U)，计划于2002年左右建成并投入运行。届时中国将在磁约束核聚变研究领域进入世界前沿，并可更为平等、独立地参与国际交流、合作与竞争。

2　现有的HT-7数据采集及控制系统

在现有的HT-7总控系统中，其数据采集部分是采用基于VAX/VMX CAMAC的总线系统。如图1所示。该系统在所有通道全部开启时，其速度较慢，以至于一些快速反馈控制根本无法进行。其主要原因包括有：

(1)现有的这套基于VAX/VMS CAMAC串行总线，其最大数据传输速率只有5Mbytes/s，典型值只有3Mbytes/s。这种传输速率已对HT-7装置的实验带来了许多不利的影响。

(2)在HT-7上负责采集和存储数据的计算机是Micro VAX3300，这种VAX机型主要是用作小型工作站。如果登录的用户过多，就会使系统的速度变得很慢。由于在实验期间，各个诊断、控制组都想了解最新的实验数据情况，以便调整各自的采集模件参数和实验参数，这样大量的用户通过VAX终端或利用PC机仿终端登录到VAX33上，用绘图软件包将实验数据显示出来。这样就大量占用了VAX的有限资源，使得系统的采集速度下降。

(3)另外，在系统的采集网上，集中了大量的各种类型的计算机，它们在网上进行各种数据交换，同时VAX33还要定时将大量的采集数据向所区网上的VAX42上传送，这势必造成网络的拥挤，使网上的数据传送速度下降。

上述三条，都会制约HT-7数据采集系统的采集速度，所以在HT-7U上必须在这三方面进行改造。



3　HT-7U对采集系统的需求分析

需求分析是HT-7U数据采集系统选型和设计的依据，根据HT-7U的实验要求和具体特点，作出如下需求分析。

3.1　功能需求

(1)能产生系统所需的各种激励信号(如触发信号、时钟信号等)，并能对其进行实时控制；　

(2)具有实时采集和测量各种信号的能力；

(3)具有对被测系统进行快速实时控制的能力；

(4)能对采集的数据及过程进行记录、处理和存档，并具有自动故障诊断和保护的能力；　

(5)改进现有的总线结构，以提高数据获取速度；

(6)对于HT-7U，预计数据采集通道将达到500路，其中100路采用交替采集以满足HT-7U准稳态放电运行时的要求；　

(7)在满足高速数据获取的前提下，组建HT-7U专用高速控制网，以增加系统对各种物理状态的控制能力。

3.2　结构需求

考虑到计算机、数据采集和控制技术、网络技术等相关领域的未来发展和系统今后的扩充、升级，整个HT-7U计算机系统应是一个大型分布式的系统，这样有利于系统的重构、扩充和升级。

3.3　软件需求　

HT-7U的计算机控制和数据采集及处理系统应配有丰富的支撑软件，要求有良好的用户界面，特别需要具有实时测控能力的软件开发平台。

3.4　可靠性需求

(1)系统应具有高可靠性；

(2)系统有良好的电磁兼容性和很强的抗干扰能力；

(3)系统具有安全巡检和故障保护能力；

(4)有良好的可维护性。

4　HT-7U数据采集系统总线选型考虑

随着计算机测量与控制技术的发展，设计开放式系统，实现标准化、模块化、系列化、通用化的系统已成为当今国际上计算机测控领域的发展主流。开放式系统结构能实现系统资源、软件资源、硬件资源共享，系统通道易于升级，系统易于扩充，易于适应各种场合需要而很方便地重组系统。系统不仅达到各类资源共享，而且能够适应计算机技术和集成技术的发展，使系统始终能采用计算机技术和集成技术的最新成果，保持系统的先进性和兼容性。

基于上述趋势，各种测控系统总线标准应运而生。目前可以用于核能领域的测控系统的总线规范主要有：微机总线(如PC总线)、测控总线(如CAMAC总线)和仪器仪表总线(如VXI总线)。利用与这些总线相配套的各类A/D、D/A、I/O等功能模块或测量仪器，可以快速、方便地构建所需要的测控系统。

4.1　PC总线系统

利用PC总线所构建的系统主要用于工业控制领域，其特点是：价格较低，结构简单，便于控制，软件产品较多。但对于HT-7U数据采集系统，这种总线系统存在着明显的不足。

(1)可靠性差；电磁兼容性较差，抗干扰和可维护性差。

(2)采集速度慢，采集通道和采样点较少。

(3)总线设计主要满足PC及外设的需要，不支持测量仪器的工作，功能模块种类较少。

(4)总线插槽和电源种类较少，负载能力较差，限制了功能模块的作用。

(5)功能模块与计算机共用同一总线，在需要更换其他总线的计算机时，功能模块也要随之改变。

4.2　CAMAC总线系统

CAMAC系统是计算机自动测量与控制的通用标准接口系统，它有多种系统组建方式，采用总线转换技术使CAMAC系统可配接各类计算机等优点，在七、八十年代被广泛应用于航空、航天、核能等各个领域。综合当今测控领域内CAMAC系统的现状和发展方向，结合HT-7U数据采集系统的具体要求，CAMAC系统具有以下缺陷：

(1)CAMAC总线是采用24位数据传输，很难与当今计算机(16或32位)相匹配。

(2)CAMAC系统虽然为分布式系统提供了可行方法，但连接方式为CAMAC专用，不适用于通用计算机网络连接。

(3)CAMAC机箱控制器承担对机箱中各个功能模块的控制管理，虽有智能，但远不是一个通用计算机模块，其功能和通用性较差。

(4)CAMAC软件较少，层次较低，不能适应软件发展的形势和HT-7U测控的需要。

(5)国内开发的CAMAC机箱和模件工艺较差，可靠性不高。

(6)随着VXI总线的应用，大多数CAMAC测控系统也在逐步进行升级、改造，CAMAC模件供应商也在大量减少，这势必影响系统的维护和改造。

对以上不足之处，除第一条外，其余均因其自身因素或供应商转向更新VXI总线而难于实现。

4.3　VXI总线系统

VXI总线自1987年问世以来，现已成为国际上公认的2000年前最好的总线标准，广泛应用于军事、航空、航天等领域的测控系统。

(1)VXI总线能进行8、16或32位数据存取，最大传输速率为40Mbytes/s，具有同步触发信号，不仅有模块化的A/D，D/A，I/O，还有模块化的示波器、数字表等仪器，其优良的性能完全能满足HT-7U高速数据采集和控制的需要。

(2)VXI总线系统计算机连接方法有五种：GP-IB总线；嵌入式计算机；MXI总线；通过R S232C接口连接；局域网连接。系统可以方便地根据需要选用。

(3)VXI总线系统可使用IEEE488的程控软件和可程控仪器的标准指令(SCPI)，也可使用微机通用的所有软件(如C/C++，Windows等)，另外还有厂商提供的专为VXI总线系统开发的软件工具，如ITG、Labview、CVI、VEE等。

(4)由于VXI总线系统从机箱到模块的设计和生产遵循军用标准，而且还很好地解决了电磁兼容、抗干扰、散热等问题，使得系统具有很高的可靠性。

(5)VXI总线业已成为国际标准，其开放式结构、良好的兼容性、优越的性能已成为在高技术领域的测控系统的首选设备。

综合比较上述三种总线的性能、兼容性、扩展性、先进性和可靠性，结合HT-7U的具体需要，选用VXI总线系统是一种最佳选择。

5　基于VXI总线的HT-7U数据采集控制系统

综合比较VXI总线系统计算机连接的五种方法：GP-IB总线连接、嵌入式计算机、MXI总线接口、RS-232C和LAN连接，结合HT-7U要求系统具有高速数据采集和实时反馈控制的能力，而且系统的数据资源要求能够实现共享。这样系统拟采用嵌入式计算机和MXI总线接口两种方式，然后通过Ethernet连接起来。对于内嵌式VXI计算机系统的最大数据传送率为40Mby tes/s；典型值为5～10Mbytes/s；而基于MXI总线的多机箱、外接式计算机系统其最大数据传送率为20Mbytes/s；典型值为5Mbytes/s。

整个HT-7U计算机系统的结构将按照分布式系统来构造(如图2)。结合HT-7U实验的要求，将整个系统分成若干个子系统，如充气系统、纵场系统、极向场系统、真空系统、LHCD、通用系统等等。这些子系统各自独立地进行数据采集和控制，就会大大提高整个系统的采集和控制的速度。对于实验数据，各子系统将获得的数据直接保留在本地系统主机上，这样也减少了网上 的数据传输量，系统速度也会提高。



对于系统控制部分而言，由于HT-7U是在准稳态下运行，有很多信号要求能够实现快速实时反馈控制，为此，各子系统的控制均采用内嵌式VXI计算机系统以保证系统的需要。而对采集部分，将根据各个子系统对数据和控制的具体要求来选用。对一般的数据采集和不需要快速实时反馈控制的子系统，将采用基于MXI(多系统扩展接口)总线的多机箱、外接式计算机系统；对需要快速实时反馈控制的子系统，将采用嵌入式计算机系统(如图3)。



就整个分布式系统而言，为了减少网络上的数据流量，提高网络速度，系统将由三个独立的100Mbps的快速以太网构成，即实验网、数据采集网、诊断控制网。通过一台100M的交换机将三个局域网和所区网连接起来，并可通过所区网进入互联网。

对于各个子系统采集的实验数据，可通过将VXI机箱内A/D模件缓存内的数据映射到各个子系统的主机(即VXI机箱内的嵌入式计算机或基于MXI总线的外接计算机)内存内，并以一定 的文件格式保存在本地硬盘上。

上述系统，将进入具体实施阶段。