引言

在托卡馬克等離子體物理放電過程中，破裂與據齒的研究具有重要的意義。在大多數托卡馬克放電過程中都存在破裂與鋸齒。破裂是一個值得注意的事件，其間等離子體的約束遭到嚴重的破壞，它不僅限制了等離子體的電流和密度的運行區域，而且它造成的機械應力和熱負荷給等離子體容器壁帶來嚴重損害。對破裂，目前在理論上仍缺乏詳盡理解，大體上可將其分為低q破裂和密度極限破裂。利用村上（Murakami）參數作橫坐標的Hugill圖，我們可以得到破裂和托卡馬克等離子體運行區域的初略了解。

在大多數情況下托卡馬克等離子體中心存在馳豫振蕩，也就是溫度和密度的鋸齒振蕩。在上升期，磁軸附近的電流密度增加，中心q值下降，在下降期，磁軸附近的電流密度下降，中心值增加。鋸齒的機制不太清楚，一般由卡達姆采夫重連模解釋。

破裂與鋸齒的軟X-射線行為大體可以分為四個階段，即預前兆期、前兆期、快速下降期、以及恢復或熄滅期。對于破裂與鋸齒的快速下降期，通常人們對它有一種誤解，即認為在此期間，軟X-射線信號是單調或準單調地下降的。事實上，只要采樣頻率足夠高，仔細觀察，不難發現軟X-射線是振蕩下降的，而且一階小量大于零階量（通常將直流成分定義為零階量）。

可見，為了獲得破裂和鋸齒行為的詳盡信息，必須采用時間分辨率較高的等離子體診斷方式。隨著采樣頻率的增加，獲得的數據量也成倍增加，這給數據的存儲、傳送和處理帶來了極大的困難。要在漫長的放電過程中，實現高速數據采集，并在給定的短時間內完成數據的存儲、傳送和處理成為構建測試系統要解決問題的關鍵所在。

構建VXI測試系統

由于在托卡馬克等離子體物理漫長的放電過程中，破裂和鋸齒是非常短暫的過程，這為我們克服這些困難提供了條件。

我們以這樣的方式組成40通道VXI數據采集測試系統，針對漫長的放電過程除破裂和鋸齒等短暫過程外其緩慢變化的特征，在各個通道采用較低的采樣率采集全過程數據，確保能采集到放電全過程的數據，就可以滿足對放電過程的概況測試。將其戰速采集時間設定為1.6秒，可以覆蓋所有放電過程。但由于采樣頻率低，整個持續1.6秒的慢采集過程形成的數據量也就僅僅每通道幾十K。

低速采集的同時，每通道還有一個與低速采集并行進行著的高速采集，專門用來采集破裂和鋸齒事件。

高速采集和低速采集有各自不同的存儲器存儲數據，高速采集的存儲器被分為很多片段，最多可分為16段，每段存儲器采集存儲一個破裂和鋸齒事件數據。在低速采集開始以后，由一個專門的事件觸發模塊多次觸發快速采集，每次觸發啟動一次快速采集過程，記錄一個事件信號。由于破裂和鋸齒事件非常短暫，持續時間也就幾毫秒，對于2MSa/s的高速采集，每通道存儲器總的長度不到100K就可滿足多次快速采集的存儲數據的需要。

這樣一來，我們構建的VXI測試系統用一種變通的方式實現既可以由低速采集觀察到漫長的放電過程的全貌，又可以由高速采集仔細分析破裂和鋸齒的短暫過程，以及判斷事件出現在放電過程的時刻，將常規方式采集下每通道約3MSa的存儲器需求降到100KSa左右，解決了由于采樣頻率的增加而產生的數據量成倍增加的矛盾。為在給定的短時間內完成數據的存儲、傳送和處理提供了保證。

功能設計考慮

要構建測試系統，我們首先需要一個最基本的VXI平臺：13槽的VXI機箱和零槽控制器，在此平臺基礎上，我們開始構建這套專用系統的測試功能部分。系統測試功能部分的硬件被抽象為兩個基本功能：一個是信號數據采集和存儲，包括慢速的全過程采集和同時進行的快速的破裂和鋸齒事件捕捉；另一個是識別和判斷破裂和鋸齒事件，產生對采集的觸發。兩個抽象的基本功能確定了測試系統要開發的兩種類型的VX I模塊：數據采集模塊和事件觸發模塊。

在我們的測試系統中，需要40個并行采集通道，數據采集模塊被設計為每模塊4個通道，需用到10個采集模塊數。40個通道并行工作，系統的快速采集只需要由一個事件觸發模塊來啟動，只需要對被監視的一路信號來加以判別產生動作。13槽的VXI機箱剛好滿足使用。

系統工作模式是這樣進行的：工作開始時，事件觸發模塊首先接受代表放電過程開始的外部觸發信號，來啟動數據采集模塊的慢速采集，同時啟動事件觸發模塊內部的破裂和鋸齒事件鑒別工作。每當事件觸發模塊鑒別出設定事件時，它就立即通過TTLTRGn線發出觸發信號，啟動數據采集模塊的一次快速的數據采集，捕捉破裂和鋸齒事件信號。破裂和鋸齒事件的發生到事件觸發模塊鑒別出事件，給出觸發信號總會有延遲，所以，在快速的每一次數據采集對應的存儲數據中，還必須使用負延遲觸發功能。一次快速數據采集完成自動進入下一段存儲器，準備接受下一次觸發，啟動下一次采集，直到設定的快速數據采集次數全部完成。

最后，當數據采集模塊1.6秒的慢速采集數據過程全部完成，整個采集過程宣告結束，才可以開始處理數據，并準備下一次的工作。

技術關鍵

系統一方面要以一個快速的采集，捕捉到破裂的鋸齒事件信號進行研究，另一方面又要因保證數據處理速度而控制數據量，這是一個矛盾。對這個矛盾，前面的系統功能的設計已給出了很好的解決辦法。不少技術難題是出現在接下來的模塊設計和實現的模塊的各項功能中。

事件觸發模塊：為了識別特定的信號事件，先要定義一個信號事件。破裂，鋸齒或者別的事件。選取我們想識別的事件，既要做到毫無遺漏，同時也不會誤選。這給我們識別事件計算方法提出了較高的要求。

1.事件屬性的定義。苛刻的條件很容易將我們想要的事件過濾掉而遺漏。然而寬松的要求很容易產生誤觸發，用盡可能多的事件屬性來篩選我們所要的事件，才可能抓住事件區別于別的事件的特征。然而，要處理多個屬性，需要更多的計算判別時間，會帶來別的問題。在對HL-1M放電過程中破裂與鋸齒特性的深入了解的基礎上，經過大量的摸索和多次改選，算法代碼中用7個屬性來篩選特定的破裂與鋸齒。

2.實時響應。由于每一次快速采集只能采集一個較短的時間過程，即使采用負延時，從事件發生到給出觸發信號的延時也不能超過一個快速采集存儲片的總存儲時間，當超過這個時間，就只能采集到事件之后的數據，而丟失重要的事件信號數據。

為提高響應時間，這里采用DSP芯片來完成計算功能。選用的是AD公司的40MHz的ADSP-21061芯片。 ADSP-21061這種哈佛結構的DSP芯片，不同于傳統的馮·諾依曼并行體系結構的芯片。ADSP-21061將程序和數據存儲在不同的內存里，由24位的程序總線和32位的數據總線分別進行存取，實現了取指令和取操作數的并行工作，具有很高的效率。

DSP芯片的采用，使事件觸發模塊可以在破裂與鋸齒事件發生的數微秒之內作出計算識別，給出觸發信號。保證了事件觸發的實時響應性。 　

數據采集模塊：數據采集模塊的設計難點在于其復雜的功能。它有兩套采集機制，能以一個較低的采樣頻率，采集放電的全過程，同時又可由事件觸發模塊啟動快速采集，捕捉到破裂和鋸齒事件信號。

設計和實現中，模塊只使用了一套A/D轉換器，按快速采集的采樣率工作。慢速采集獲取數據時將漏掉對于慢速采集來說多余的數據，只按它本身對應的慢采速率得到數據。這樣既可以節約硬件成本，又保證兩套采集機制下數據的一致性。

為了找到破裂和鋸齒事件發生在放電過程的相對時刻，需要作一個識別標志。A/D轉換器的分辨率為 12Bit，而數據總是以16Bit方式存儲和訪問，可以利用富余的4Bit數據位來實現。當每次速采集結束時，保存最后一個數據時做上結束標志。

慢速采集工作方式，是一種常規的采集方式，從零地址啟動，采滿即結束。但快速采集則要復雜得多，它在每一個片段的存儲器內都要按環形存儲器方式工作，數據不停地存人存儲器，新的數據總是覆蓋舊的數據，直至一次采集結束。片段內的結束地址也就是起始地址，這樣來實現每一段的負延遲采集。當一個片段的高速數據采集完成，需要在結束地址的數據作上結束標志供數據處理時使用，然后跳到下一個片段，并在下一個片段又繼續采集存儲數據。

VXI硬件平臺：在系統測試硬件的設計方面，我們花了很多精力進行精心設計，使滿足測試需求條件下的測試得到的數據量大大減小。盡管如此，系統共40個通道的總數據量仍然非常大，配備一個數據吞吐量較高VXI硬件系統平臺就顯得很重要，我們為系統配備了一個MXI的零槽控制器，保證數據的快速傳輸，使系統平臺這一環不會成為數據傳輸的瓶頸，保證整個系統具有高效率。系統功能驗證　　在完成系統測試部分的設計和制作后，對它的測試和功能驗證顯得非常重要。將沒有經過測試的儀器直接進人現場使用是非常危險的，測試失敗將會造成大量人力和物力的浪費，損失我們寶貴的時間。為方便測試和驗證系統功能，我們利用VXI機箱剩余的最后一個空槽，為系統集成了一個任意波形函數發生器模塊JV53202。

利用JV53202任意波形函數發生器模塊的用戶數據波形功能，將以前試驗曾經獲得的數據整理后，下載到JV53202模塊內部作為波形輸，可以模擬托卡馬克等離子體物理漫長的放電過程中破裂和鋸齒的試驗條件，對系統進行測試和功能驗證?！　∈聦嵶C明，這種測試是系統必不可少的一環，它降低了風險，為系統最終成功獲取試驗數據提供了保障。

結束語

利用先進的VXI總線硬件平臺，構建的這套測試系統是將VXI總線測試儀器引人托卡馬克等離子體物理應用方面的一次嘗試。系統合理利用了VXI總線資源，使系統測試能力增強，同時縮小系統體積，降低系統成本。成熟的VXI總線模塊資源也給系統的組建和測試帶來方便。可以預見，VXI測試技術將會在等離子體物理方面不斷得到更多的應用。