J-TEXT偏振干涉仪数据采集与实时处理系统设计

摘要

偏振干涉仪是J-TEXT托卡马克装置上重要的诊断设备，它能够实现对法拉第旋转角和等离子体弦积分电子密度的直接测量。在这两个基本物理量的基础上，通过反演可以进一步得到等离子体电流密度剖面。偏振干涉仪的一个不可或缺的组成部分是数据采集与实时处理系统。数据采集是偏振干涉仪运行的基础之一，能为实验人员提供宝贵的实验数据；实时处理能在数据采集的同时实现对数据的处理，从而能更有效地利用数据。本论文的工作就是设计和实现一个可靠性高、可维护性高、可扩展性高、实时性好以及操作友好的数据采集与实时处理系统，来满足偏振干涉仪当前和未来运行的需要。
　　本文首先从系统的需求出发，同时遵循着模块化的原则，对系统整体的软硬件框架进行了设计。在硬件上选用了基于FPGA的NI FlexRIO硬件平台，以满足高采样率和实时性的需求。在软件上，充分考虑软件系统的性能以及维护和扩展的难度，利用LabVIEW进行开发，将数据采集与存储、等离子体密度实时计算和密度反馈这三个功能集成到一个软件框架之下。数据采集与存储需要在主机端和 FPGA端执行不同的功能。主机端采用基于数据队列实现的生产者/消费者编程模式，实现了系统配置、数据读取和数据存储的功能。FPGA端程序采用状态机结构，利用LabVIEW FPGA编程模块实现了可靠的数据采样、逻辑判断和数据传输。在数据采集的基础上，利用已有硬件条件可以进行数据的实时处理。计算等离子体弦积分电子密度的关键是信号相位差的计算。根据J-TEXT偏振干涉仪信号的特点，通过对过零点检测法、数字相关法和FFT算法的测试分析，本文选取FFT算法作为实时相位差计算方法。利用LabVIEW FPGA编程，本文设计和实现了可靠的数据处理流程和相位翻转算法。实际运行结果表明，等离子体密度实时计算结果与离线计算结果吻合的很好，因此可以用于理论分析或者下一步的密度反馈控制。

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1 绪论

1.1 能源与托卡马克

1.2 偏振干涉仪概述

1.3 国内外应用现状

1.4 本文主要内容

2 整体框架设计

2.1 系统需求分析

2.2基于NI FlexRIO平台的硬件框架设计

2.3 基于LabVIEW语言的软件结构设计

2.4本章小结

3 数据采集与存储

3.1 数据采集概述

3.2 数据存储与共享

3.3 数据采集与存储的实现

3.4本章小结

4 等离子体密度的实时计算

4.1 等离子体密度计算原理

4.2 三种常用的相位差算法

4.3三种算法的测试结果

4.4 等离子体密度实时计算的实现

4.5本章小结

5 系统运行结果分析

5.1 系统运行情况

5.2 实验结果分析

5.3本章小结

6 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文