摘 要：世界最大的超导聚变装置之一HT-7U正在中国建造之中。本 文对基于VXI总线的实时分布式计算机系统-HT-7U数据采集控制系统进行了描述。
关键词：托卡马克；CAMAC总线；VXI总线；系统结构；反馈控制
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。
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图1 HT-7数据采集及控制系统
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-7 U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。 |
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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
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