基于PXI的EAST中央定时系统

摘要

本发明公开了一种基于PXI的EAST中央定时系统，由分别接入EAST局域网的主控计算机、数据库服务器、PXI主节点、PXI分节点，以及接入PXI主节点、PXI分节点的隔离驱动设备构成。本发明利用LabVIEWFPGA技术，使得系统功能更新升级更加灵活方便。本发明能够提供纳秒级精度的时钟信号，脉宽可调、极性可选、使能可控的触发信号，同时有事件触发功能以及信号采集、系统自检功能。本发明可高精度的实现分节点间时钟同步和触发同步，扩展也很方便。本发明选用PXI工业级产品，应用虚拟仪器技术无缝的实现了硬件设备和应用程序间的信息交互。

说明书

技术领域

本发明涉及EAST托卡马克可控核聚变装置领域，具体为一种基于PXI的EAST中央定时系统。

背景技术

随着经济社会的快速发展，煤炭、石油、天然气等化石能源的过度开发利用，人类在不久的未来除了面临燃料短缺、资源枯竭等能源危机外，还要治理空气污染、生态破坏等环境问题。协调能源和环境的可持续发展是我国当前面临的一个重大课题。

世界各国对清洁新能源的开发与利用，呈现出方兴未艾的局面。清洁、安全而且原料取之不尽的可控热核聚变，受到人们的广泛关注，并有可能在本世纪中叶成为人类的替代能源。目前可行性较大的可控核聚变反应装置就是托卡马克装置，它包括真空、低温、电源、诊断等多个复杂子系统，这些子系统只有按照定时系统设置的时序工作，才能实现托卡马克聚变装置的精确运行及正常放电。例如，英国的MAST托卡马克通过VME和CAMAC开发的分布式触发和时序系统，实现了精确同步的触发输出。采用树形拓扑结构的触发和时序系统由中央单元向所有卫星节点提供时间同步信号。中央单元包含至少一个反射单元以及多个事件与同步反射模件，而事件与同步反射模件通过光纤将触发信号传至事件与脉冲模件，从而启动其内部的时间计数器，同时也启动预先定义的静态时序序列。我国的HT-7托卡马克装置则基于VXI建立了分布式定时和触发系统，采用了类似的拓扑结构实现了定时和同步功能。

随着近年PXI逐步成为模块化仪器的主流标准，一些世界领先的测试系统供应商纷纷开发出各种PXI外围模块，同时PXI的工业标准特性能够降低系统的总成本和开发时间，增强系统性能和带宽，所以受到业界的广泛青睐并且作为虚拟仪器测试测量的理想平台，实现了各种案例的需求开发，具有广阔的应用前景。

通过对专利数据库的检索，发现没有研究机构应用PXI技术开发定时触发系统并将其应用于托卡马克核聚变实验中，来精确定时各子系统的投入时序。因此，基于PXI的（EAST）中央定时系统的研制开发，对托卡马克实验的顺利进行具有重要的研究意义，同时也为该系统在其他领域的应用提供了重要的参考价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于PXI的EAST中央定时系统，在托卡马克物理实验中，为分布在不同地理位置的多个子系统提供精确的时钟信号，确保各子系统以相同的时钟基准工作；控制子系统按照预设的时序精准的投入托卡马克实验中，实现托卡马克装置的稳态运行；提供事件触发功能，若检测到特定信号，实时触发相应处理机制；采集本系统的输出信号，检测本系统运行是否正常。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于PXI的EAST中央定时系统，其特征在于：包括分别接入EAST局域网的主控计算机、数据库服务器、PXI主节点、PXI分节点，所述主控计算机分别与所述数据库服务器、PXI主节点、PXI分节点双向通讯连接以双向传输数据，所述PXI主节点包括PXI机箱，以及集成于PXI主节点的PXI机箱中的PXI控制器、两个PXI计数定时模块、PXI多功能RIO模块，所述PXI分节点包括PXI机箱，以及分别集成于PXI分节点的PXI机箱中的PXI控制器、PXI计数定时模块、多功能RIO模块，所述PXI主节点、PXI分节点分别通过等长的信号光纤与EAST中央控制系统连接以同步接收EAST中央控制系统的触发信号，所述PXI主节点中其中一个PXI计数定时模块通过等长的光纤分别接入所述PXI主节点的 PXI机箱背板、PXI分节点的PXI机箱背板，通过时钟锁相技术，令PXI分节点的PXI机箱时钟与PXI主节点的PXI机箱时钟同步，所述PXI主节点的另一个计数定时模块、PXI多功能RIO模块，以及PXI分节点的计数定时模块、PXI多功能RIO模块分别各自接有隔离驱动设备，所述PXI主节点、PXI分节点分别通过各自的隔离驱动设备向EAST子系统输出时钟信号、触发信号，以及接收采集到的所述EAST中央定时系统输出信号。

所述的基于PXI的EAST中央定时系统，其特征在于：所述PXI分节点可扩展为多个，PXI主节点、多个PXI分节点通过等长的光纤与EAST中央控制系统连接，以同步接收EAST中央控制系统的触发信号，所述PXI主节点中相应的PXI计数定时模块通过等长的光纤分别接入所述PXI主节点的 PXI机箱背板、多个PXI分节点的PXI机箱背板，通过时钟锁相技术令多个PXI分节点的 PXI机箱时钟与PXI主节点的 PXI机箱时钟同步。

所述的基于PXI的EAST中央定时系统，其特征在于：所述PXI主节点包括一个PXI-1042Q机箱，以及集成于PXI主节点的PXI-1042Q机箱中的一个PXI-8110控制器、两块PXI-6608计数定时模件、一块PXI-7842R多功能RIO模件，所述PXI-8110控制器中安装LabVIEW RT系统；

所述PXI分节点包括一个PXI-1042Q机箱，以及集成于PXI分节点的PXI-1042Q机箱中的一个PXI-8110控制器、一块PXI-6608计数定时模件、一块PXI-7842R多功能RIO模件，所述PXI-8110控制器中安装LabVIEW RT系统；

所述PXI主节点其中一个PXI-6608计数定时模件通过等长的光纤与PXI主节点的机箱背板、PXI分节点的机箱背板连接，PXI主节点的PXI-7842R多功能RIO模件其IO口、PXI分节点的PXI-7842R多功能RIO模件其IO口分别通过等长的光纤与EAST中央控制系统连接以同步接收EAST中央控制系统的触发信号，所述PXI主节点的另一PXI-6608计数定时模件其SCSI接口、PXI分节点的PXI-6608计数定时模件其SCSI接口分别通过屏蔽电缆各自接入隔离驱动设备，所述PXI主节点的PXI-7842R多功能RIO模件其SCSI接口、PXI分节点的PXI-7842R多功能RIO模件其SCSI接口分别通过屏蔽电缆各自接入隔离驱动设备。

所述的基于PXI的EAST中央定时系统，其特征在于：所述PXI主节点的另一PXI-6608计数定时模件其SCSI接口通过屏蔽电缆接入有一个隔离驱动设备，PXI分节点的PXI-6608计数定时模件其SCSI接口通过屏蔽电缆接入有一个隔离驱动设备，所述PXI主节点的另一PXI-6608计数定时模件、PXI分节点的PXI-6608计数定时模件分别通过其各自的隔离驱动设备向EAST子系统输出多路时钟信号；

所述PXI主节点、 PXI分节点的PXI-7842R多功能RIO模件的SCSI接口分别有三个，一个多功能连接器SCSI接口RMIO，两个数字连接器SCSI接口RDIO。每一个SCSI接口均通过屏蔽电缆接入一个隔离驱动设备，所述PXI主节点、PXI分节点的PXI-7842R多功能RIO模件分别通过各自的RMIO连接器接口，将6路采集信号和2路事件触发采集信号经光电隔离驱动设备采集并存储至PXI本地硬盘。所述PXI主节点、PXI分节点的PXI-7842R多功能RIO模件分别通过各自的两个RDIO连接器接口，经光电隔离驱动设备向子系统提供事件触发反馈信号和延时触发信号。

所述的基于PXI的EAST中央定时系统，其特征在于：所述PXI主节点、PXI分节点分别与EAST中央控制系统连接的等长光纤，以及PXI主节点中其中一个PXI-6608计数定时模件分别与PXI主节点的PXI机箱背板、PXI分节点的PXI机箱背板连接的等长光纤，共同构成同步光纤网。

所述的基于PXI的EAST中央定时系统，其特征在于：所述隔离驱动设备包括发射单元和接收单元，所述发射单元包括彼此电连接的HFBR1414光纤头、与非门驱动芯片74ACTQ00，所述与非门驱动芯片74ACTQ00上接有LED信号灯，所述发射单元的与非门驱动芯片74ACTQ00与PXI主节点、PXI分节点中对应的PXI-6608计数定时模件、PXI-7842R多功能RIO模件的SCSI接口连接；

所述接收单元包括彼此电连接的HFBR2412光纤头、与非门驱动芯片74ACTQ00，所述与非门驱动芯片74ACTQ00上接有LED信号灯、BNC接头，还包括电源、DC-DC芯片SPR01L-05，所述电源通过DC-DC芯片SPR01L-05独立给所述与非门驱动芯片74ACTQ00供电，所述接收单元接入所述PXI主节点、PXI分节点的SCSI接口，所述接收单元与所述发射单元通过光纤连接。

所述的基于PXI的EAST中央定时系统，其特征在于：所述PXI主节点、PXI分节点的PXI-8110控制器中的LabVIEW 程序分为三部分内容：Windows环境下参数设置台（主控计算机）的主机VI、PXI节点控制器中的RT VI以及用于定制RIO设备的FPGA VI。

本发明具有以下优点：

其一：本发明提出的一种基于PXI的EAST中央定时系统，选用可重配置I/O(RIO)板卡模件，利用LabVIEW FPGA技术，编译配置RIO板卡上FPGA的逻辑功能，从而创建一个用户自定义的I/O设备。该设备自定义的触发输出通道数量多、输出信号精度高、事件响应速度快且参数设置简便。由于系统采用模块化设计方式，且IO设备的功能可由用户多次自定义配置，使得系统功能更新升级更加灵活方便。

其二：本发明提出的一种基于PXI的EAST中央定时系统，能够提供脉宽可调、极性可选、使能可控的触发信号，不需要任何外围设备，子系统即可获得脉宽在1ms~6872s，精度为纳秒级可调的正触发或负触发信号，通过使能控制，用户可以有选择的调试、运行某个子系统。同时该系统还能采集通道输出信号，从而判断系统工作是否正常，有助于快速查找试验中故障的原因并加以排除。

其三：本发明提出的一种基于PXI的EAST中央定时系统，系统开始运行的触发信号通过158米等长的50/125μm信号光纤，分别传至PXI主节点和PXI分节点，保证了PXI节点间的触发同步。同时PXI主节点提供的10MHz精准时钟（75ppb），通过一对150米等长光纤，分别送至PXI主节点和PXI分节点的机箱背板，运用时钟锁相技术，确保两个不同机箱时钟同步。两路158米等长光纤和一对150米等长光纤组成同步光纤网，不需额外购买专门的定时模件，即可高精度的实现分节点间的触发同步和时间同步。并且同步光纤网构建简易，扩展也很方便。

其四：本发明提出的一种基于PXI的EAST中央定时系统，选用PXI工业级产品，利用成熟的虚拟仪器技术开发出RT应用程序和主机应用程序，分别嵌入至安装有LabVIEW RT环境的控制器和装有Windows系统的主机中，无缝的实现了硬件设备和应用程序间的信息交互。工业级坚固设计的硬件设备，专业级开发软件的无缝集成，保证了该系统在非常恶劣复杂的电磁环境下，能够长时间的正常稳定工作，具有长期可维护性。

附图说明

图1为本发明系统原理图。

图2为本发明系统网络信息关系图。

图3为本发明系统硬件结构图。

图4为本发明系统隔离驱动设备的发射单元原理示意图。

图5为本发明系统隔离驱动设备的接收单元原理示意图。

图6为本发明系统隔离驱动设备的原理示意图。

图7为本发明系统LabVIEW 程序架构图。

具体实施方式

如图1、图2所示。本发明系统由主控计算机、数据库服务器、同步光纤网、PXI节点和若干隔离驱动设备组成。主控计算机、数据服务器以及所有PXI节点均接入EAST局域网。 用户在主控计算机上对PXI节点上所有时钟通道和触发通道的参数进行设置，这些参数信息一方面通过网络传输，存储至数据库服务器做数据备份，另一方面这些参数通过TCP协议传至各个PXI分节点，用于设置通道参数。用户想查看、调用相关数据，主控计算机的应用程序将利用ADO技术访问数据库服务器，并根据用户的查询条件查找、读取数据库服务器中的信息。同时主控计算机可通过FTP将存储于各分节点的采集数据文件和事件触发记录拷至本机。

如图3所示。本系统中使用的光纤型号均为ST到ST，50/125μm。

本系统PXI主节点硬件组成：一个NI公司PXI-1042Q机箱、一个PXI-8110控制器、两块PXI-6608计数定时模件、一块PXI-7842R多功能RIO模件。其中PXI-8110控制器中安装LabVIEW RT操作系统。

PXI分节点硬件组成：一个NI公司PXI-1042Q机箱、一个PXI-8110控制器、一块PXI-6608计数定时模件、一块PXI-7842R多功能RIO模件。其中PXI-8110控制器中安装LabVIEW RT系统环境。若要新增PXI节点，节点配置同PXI分节点。

PXI-7842R中利用一个IO（connector 1/DIO39）作为接受系统触发的通道，当EAST中央控制系统向本发明系统提供EAST装置“开始放电”信号（即系统触发信号），该信号通过两路158米等长的50/125μm信号光纤，分别传至PXI主节点和PXI分节点的DIO连接器connector 1/DIO39，保证了两个PXI节点触发同步（即同步开始工作）。另一方面PXI主节点中的计数定时模件PXI-6608通过编程能够提供10MHz精准时钟（精度75ppb），通过一对150米50/125μm等长光纤，分别连接至PXI主节点和PXI分节点机箱背板的10MHz RFF-IN通道 ，运用时钟锁相技术，确保两个不同机箱时钟同步。两路158米等长光纤和一对150米等长光纤组成同步光纤网。若要新增节点，扩展同步光纤网，只需要增加158米光纤，用于接收触发信号；增加150米光纤至PXI主节点的PXI-6608模件接收同步时钟信号。

PXI-6608模件通过专用的SH68-68-D1 Cable 屏蔽电缆，与光电隔离设备相连接，接口为SCSI（Small Computer System Interface）。PXI-7842R模件有3个SCSI连接口（1个RMIO，2个RDIO），通过屏蔽电缆SHC68-68-RMIO Cable和SHC68-68-RDIO Cable 与光电隔离设备相连接，从而降低串扰，提高信号完整性和去噪性能。

如图4所示。隔离&驱动设备将PXI分节点的各通道输出隔离并提高驱动能力后提供给各子系统，另外也能将外界信号经隔离设备传至PXI节点，供终端应用程序采集使用。发射单元中，74ACTQ00作为驱动，用于提高驱动能力；光纤头采用HFBR1414，LED用于显示信号状态。

如图5所示。接收单元中，光纤接收头采用HFBR2412，同样由与非门芯片74ACTQ00驱动输出，LED用于显示信号状态。为了保证每个输出单元电源独立，采用了输出5V，200mA的DC-DC芯片SPR01L-05，保证了每个输出端口的隔离。

如图6所示。隔离&驱动设备的接收单元与发射单元之间采用多模光纤连接。

如图7所示。中央定时系统LabVIEW程序分为三部分内容：Windows环境下参数设置台（主控计算机）的主机VI、PXI节点控制器中的RT VI以及用于定制RIO设备的FPGA VI。