HT-7数据采集及控制系统的总线选型与改造

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威廉希尔官方网站 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、数据采集和控制威廉希尔官方网站 、网络威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 和集成威廉希尔官方网站 的发展，使系统始终能采用计算机威廉希尔官方网站 和集成威廉希尔官方网站 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。

4.1PC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。

4.2CAMAC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，采用总线转换威廉希尔官方网站 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。

4.3VXI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威廉希尔官方网站 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。

责任编辑：gt