EAST電場(chǎng)實(shí)時(shí)采集與處理系統(tǒng)

馬騰飛，季振山，王　勇，張祖超，朱崇銘

(中國(guó)科學(xué)院 等離子體物理研究所，合肥　230031)

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EAST電場(chǎng)實(shí)時(shí)采集與處理系統(tǒng)

馬騰飛，季振山，王勇，張祖超，朱崇銘

(中國(guó)科學(xué)院 等離子體物理研究所，合肥230031)

摘要：EAST是國(guó)家大科學(xué)工程實(shí)驗(yàn)裝置，在實(shí)驗(yàn)放電過(guò)程中，其周圍有著非常復(fù)雜的電場(chǎng)環(huán)境;為了在放電期間達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控周圍電場(chǎng)的要求，進(jìn)而設(shè)計(jì)了電場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng);該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，檢測(cè)瞬態(tài)電場(chǎng)的分布及其強(qiáng)度，為電磁兼容(EMC)的設(shè)計(jì)提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析;其硬件架構(gòu)主要包含單極子電場(chǎng)探頭，光電隔離設(shè)備，RAID磁盤陣列以及PXI平臺(tái)，軟件主要使用LabVIEW對(duì)FPGA進(jìn)行軟件編程，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集和處理;經(jīng)過(guò)測(cè)試，目前該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單個(gè)通道，50 MHz/s采樣率的數(shù)據(jù)采集以及四通道12.5 MHz/s的同步數(shù)據(jù)采集，滿足了對(duì)高頻模擬信號(hào)進(jìn)行多通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ)要求。

關(guān)鍵詞：EAST；電磁兼容；數(shù)據(jù)采集；FPGA；實(shí)時(shí)測(cè)量

0引言

EAST裝置是我國(guó)自行研制的世界上第一個(gè)全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置[1]。該裝置包含數(shù)10個(gè)子系統(tǒng)，還有一些內(nèi)部線圈，例如快空電源以及用于加熱的低雜波電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、離子回旋頻率范圍系統(tǒng)、中性束注入系統(tǒng)等。EAST放電過(guò)程中，每個(gè)子系統(tǒng)都會(huì)在中央定時(shí)系統(tǒng)的控制下有序加入。在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，每個(gè)子系統(tǒng)的加入都會(huì)對(duì)電場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響。電場(chǎng)瞬態(tài)變化所產(chǎn)生的高電壓會(huì)對(duì)EAST裝置周圍設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，影響實(shí)驗(yàn)放電時(shí)間。

EAST電場(chǎng)實(shí)時(shí)采集與處理系統(tǒng)就是針對(duì)在每個(gè)子系統(tǒng)加入時(shí)，對(duì)瞬態(tài)電場(chǎng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量分析，做好電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作，從而保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的儀器設(shè)備都能夠在復(fù)雜的電磁場(chǎng)環(huán)境中正常運(yùn)行[2]。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

EAST電場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是為了可以測(cè)量在等離子體放電過(guò)程中，EAST周圍空間中任何一點(diǎn)的電場(chǎng)變化。復(fù)雜的電場(chǎng)變化對(duì)硬件設(shè)備的穩(wěn)定性要求很高，再加上電場(chǎng)信號(hào)頻率的復(fù)雜性，這就要求硬件系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的采樣率能夠采集到不同頻段的電場(chǎng)信號(hào)，高速的數(shù)據(jù)采集速率不僅對(duì)采集設(shè)備性能要求很高，產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備性能也是一個(gè)挑戰(zhàn)，這也成為了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1.2硬件選型

整個(gè)硬件系統(tǒng)包括NI公司的基于PXI平臺(tái)系列產(chǎn)品、用于電場(chǎng)測(cè)量的探頭、HBM公司的用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓怆姼綦x設(shè)備。以下對(duì)硬件進(jìn)行詳細(xì)介紹:

1)暫態(tài)電場(chǎng)探頭：暫態(tài)電場(chǎng)探頭用于測(cè)量瞬態(tài)電場(chǎng)狀況的高精度傳感器?？梢詫⒉煌l率的電磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電壓信號(hào)，暫態(tài)電場(chǎng)探頭的AF參數(shù)是在其研制過(guò)程中由不同頻率的電場(chǎng)信號(hào)與對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)比值所標(biāo)定的，即可以測(cè)量0~20 MHz頻率范圍。

2)光電隔離設(shè)備：為了達(dá)到長(zhǎng)距離無(wú)干擾的信號(hào)傳輸，采用了HBM公司型號(hào)為ISOBE5600的光電隔離設(shè)備，帶寬為25 MHz。

3)采集與存儲(chǔ)設(shè)備：本系統(tǒng)的采集硬件用到NI的PXIe系列產(chǎn)品，主要包括PXIe-1082機(jī)箱、PXIe-8135控制器、PXIe-7966R板卡、FlexRIO 5751數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)備[3]。

PXIe-8135控制器運(yùn)行上位機(jī)程序；PXIe-7966R板卡運(yùn)行FPGA程序，直接讀取NI 5751轉(zhuǎn)換后的AD信號(hào)[4]，通過(guò)PXIe-1082機(jī)箱背板總線傳遞給上位機(jī)；NI 5751為靈活可配置的I/O模塊，16個(gè)模擬通道，14bit的分辨率，最大采樣率為50 MHz；存儲(chǔ)流盤HDD-8265設(shè)備參數(shù)為存儲(chǔ)容量24TB，讀寫(xiě)速率800 Mbps[5]。

1.3硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到復(fù)雜的電場(chǎng)變換對(duì)信號(hào)傳輸?shù)母蓴_，電場(chǎng)信號(hào)在電場(chǎng)探頭測(cè)得后，需經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行高速采集。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖1所示，上下分別對(duì)應(yīng)了硬件及其功能。

圖1　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)利用NI LabVIEW進(jìn)行編程，整個(gè)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，F(xiàn)PGA程序和Host上位機(jī)程序。

2.1FPGA程序

FPGA程序運(yùn)行在數(shù)據(jù)采集卡FPGA模塊上，是整個(gè)采集系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與處理。如圖2所示，按照程序的模塊化設(shè)計(jì)思想，F(xiàn)PGA核心程序按功能主要分為初始化配置模塊、采集數(shù)據(jù)模塊、Ping-Pong操作模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及上傳到Host上位機(jī)模塊。下面將就其中主要的幾個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)的分析。

圖2　FPGA核心程序框圖

2.1.1采集初始化配置

FPGA VI程序開(kāi)始數(shù)據(jù)采集之前需先進(jìn)行初始化設(shè)置，初始化設(shè)置主要包括以下幾步：

1)AF系數(shù)：天線系數(shù)AF在主機(jī)VI中擬合根據(jù)FFT點(diǎn)數(shù)N計(jì)算出變換用天線系數(shù)，通過(guò)FIFO由主機(jī)傳給FPGA VI，擬合也是程序設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，詳細(xì)請(qǐng)見(jiàn)2.2.1節(jié)。

2)采樣率：根據(jù)采集的原始信號(hào)設(shè)置合適的采樣率，為使采集到的信號(hào)能夠平滑地顯示，采樣率至少為原始信號(hào)的2倍，本系統(tǒng)采樣率最大為50 MHz?？梢酝ǖ椒诸l處理得到滿足要求的采樣率。

3)觸發(fā)方式：包括軟件觸發(fā)和硬件觸發(fā)[6]。軟件觸發(fā)由上位機(jī)給出高電平信號(hào)觸發(fā)。硬件觸發(fā)由外部觸發(fā)源給出信號(hào)，這樣即可達(dá)到同步采集的效果。

2.1.2Ping-Pong操作

由于每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量很大，對(duì)數(shù)據(jù)流的控制也是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。本文采用Ping-Pong操作的設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于數(shù)據(jù)流控制，以四通道采集為例，四通道數(shù)據(jù)采集的FPGA核心程序如圖3所示，本系統(tǒng)采用兩個(gè)單周期定時(shí)循環(huán)，第一個(gè)循環(huán)中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并寫(xiě)入終端范圍FIFO中，第二個(gè)循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在第二個(gè)循環(huán)中創(chuàng)建一個(gè)狀態(tài)機(jī)作為輸入數(shù)據(jù)流選擇單元，根據(jù)狀態(tài)變換，從終端范圍FIFO中連續(xù)讀取數(shù)據(jù)，每讀取N個(gè)(一幀)則進(jìn)行一次FFT變換，變換的同時(shí)仍可讀取下一幀，第二個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)處理速度要高于第一個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)采集速度，并且要保證其速度差能使得數(shù)據(jù)處理循環(huán)能處理所有數(shù)據(jù)采集循環(huán)采集的數(shù)據(jù)。

圖3Host上位機(jī)程序流程圖

為了節(jié)省FPGA資源，本系統(tǒng)將四路采集數(shù)據(jù)連接為兩路數(shù)據(jù)寫(xiě)入兩個(gè)FIFO中——FIFO 0、FIFO 1，數(shù)據(jù)處理循環(huán)采用60 MHz，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為1 024個(gè)點(diǎn)， FPGA板載時(shí)鐘作為定時(shí)時(shí)鐘源，對(duì)板載時(shí)鐘源50 MHz做4分頻[7]，這樣數(shù)據(jù)采集速度可達(dá)到12.5 MHz/s、FIFO大小為2 048當(dāng)FIFO 0中的數(shù)據(jù)達(dá)到1 024點(diǎn)時(shí)，讀取第一幀，4個(gè)通道為同步數(shù)據(jù)采集，F(xiàn)IFO 1中的數(shù)據(jù)此時(shí)也為1 024個(gè)點(diǎn)；讀完1 024個(gè)數(shù)據(jù)之后跳到FIFO 1，此時(shí)FIFO 1中數(shù)據(jù)為2 048個(gè)，因?yàn)樽x數(shù)據(jù)的時(shí)候采集循環(huán)還在不斷的寫(xiě)入數(shù)據(jù)，即開(kāi)始讀第二幀數(shù)據(jù)的時(shí)候，F(xiàn)IFO 0中又寫(xiě)入了1 024個(gè)數(shù)據(jù)，此時(shí)FIFO 1的數(shù)據(jù)為1 024個(gè)點(diǎn)，當(dāng)讀取第三幀的時(shí)候又回到FIFO 0，此時(shí)兩個(gè)FIFO的狀態(tài)和開(kāi)始讀取第一幀的時(shí)候完全一樣，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)間斷連續(xù)處理。

2.1.3數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)

對(duì)于電場(chǎng)中復(fù)雜的電磁信號(hào)而言，要想成功地達(dá)到還原電磁場(chǎng)信號(hào)的目的，必須對(duì)不同的頻率信號(hào)進(jìn)行還原。單極子電場(chǎng)探頭的設(shè)計(jì)原理就是針對(duì)于不同頻率信號(hào)而設(shè)計(jì)的，不同的信號(hào)頻率對(duì)應(yīng)著不同的天線系數(shù)。

數(shù)據(jù)處理算法的設(shè)計(jì)是將采集的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，將采集到的電壓信號(hào)作N點(diǎn)的逐點(diǎn)快速傅里葉變換，得到N點(diǎn)的FFT[X]。將各頻率點(diǎn)上的值分別與對(duì)應(yīng)已經(jīng)擬合好的天線系數(shù)(AF系數(shù))相乘，即程序框圖中的由上位機(jī)傳遞的AF系數(shù)存儲(chǔ)單元。這樣新的一組FFT[X]即為真實(shí)的頻域電場(chǎng)信號(hào)。對(duì)新的FFT[X]再做傅里葉逆變換，即可達(dá)到還原時(shí)域電場(chǎng)信號(hào)的目的，再通過(guò)兩個(gè)FIFO TO HOST DMA通道傳遞給Host上位機(jī)程序進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與分析。

2.2Host上位機(jī)程序

Host程序運(yùn)行在PXI控制器上，主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建用戶界面、提供人機(jī)接口、初始化參數(shù)設(shè)置、天線系數(shù)擬合、控制采集開(kāi)始和停止等，程序流程如圖3所示，下面將對(duì)程序設(shè)計(jì)模塊的幾個(gè)核心模塊進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

2.2.1天線系數(shù)擬合

天線系數(shù)擬合結(jié)果的好壞直接影響對(duì)電場(chǎng)信號(hào)還原的結(jié)果。天線系數(shù)擬合主要是對(duì)表1中標(biāo)定的天線系數(shù)在0 Hz~20 MHz的全頻域上擬合出一條最佳的曲線，使其能夠代表該單極子瞬態(tài)電場(chǎng)探頭的天線系數(shù)隨頻率變換的規(guī)律，能夠求得任意頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的天線系數(shù)值。在曲線擬合中不同的度量標(biāo)準(zhǔn)將導(dǎo)致不同的測(cè)量結(jié)果，本文采用最小二乘法作為天線系數(shù)曲線的擬合方法。

表1　天線系數(shù)

利用Labview提供的擬合函數(shù)VI，結(jié)合給定的天線系數(shù)的標(biāo)定值，我們采用廣義多項(xiàng)式擬合，擬合的結(jié)果如圖4所示。根據(jù)系統(tǒng)采樣率與FFT變換點(diǎn)數(shù)N之間的關(guān)系可知在頻點(diǎn)0、df、2df、…、上的天線系數(shù)AF值即為信號(hào)處理FFT變換中所需的單極子瞬態(tài)電場(chǎng)探頭的N點(diǎn)AF值。

擬合的天線系數(shù)值個(gè)數(shù)與FFT變換的每幀數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)相等，將擬合的天線系數(shù)值存儲(chǔ)到AF系數(shù)存儲(chǔ)模塊中，供信號(hào)處理時(shí)使用。

圖4　擬合結(jié)果

2.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

本系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)流盤程序設(shè)計(jì)是基于Labview軟件設(shè)計(jì)中的生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式，如圖5所示，一個(gè)循環(huán)(生成者)從主機(jī)FIFO中讀取采集數(shù)據(jù)，并將其傳遞至一個(gè)隊(duì)列結(jié)構(gòu)，在后臺(tái)，Labview為隊(duì)列在PC內(nèi)存中分配一個(gè)存儲(chǔ)模塊，該存儲(chǔ)模塊被用作在兩個(gè)循環(huán)間數(shù)據(jù)傳遞的臨時(shí)存儲(chǔ)FIFO，另一個(gè)循環(huán)(消費(fèi)者)從隊(duì)列結(jié)構(gòu)中讀取數(shù)據(jù)，并將其以二進(jìn)制文件的形式寫(xiě)入到RAID磁盤陣列中，在文件格式上，我們采用二進(jìn)制進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，相比于其它格式，二進(jìn)制存儲(chǔ)速率更快。在消費(fèi)者循環(huán)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤的同時(shí)，生成者循環(huán)可以繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，真正的實(shí)現(xiàn)并行工作，使程序高效運(yùn)行。

圖5　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式

3實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.1單通道測(cè)試結(jié)果分析

系統(tǒng)設(shè)置采樣率為50 MHz，觸發(fā)方式為軟件觸發(fā)。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅值為±0.5 V，頻率為5 MHz的正弦信號(hào)給到采集卡，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)應(yīng)的AF系數(shù)為46.39 dB/m，相應(yīng)的數(shù)值大約為200 1/m，采集和處理的結(jié)果如圖6所示，單周期電場(chǎng)信號(hào)為10個(gè)采樣點(diǎn)，幅值大約為±100 V/m，測(cè)試結(jié)果基本滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖6　單通道測(cè)試結(jié)果

3.2多通道測(cè)試結(jié)果分析

系統(tǒng)采樣率設(shè)置為12.5 MHz進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集，觸發(fā)設(shè)置為軟件觸發(fā)方式。由信號(hào)發(fā)生器給出4路正弦信號(hào)，幅值都是±0.5 V，頻率分別為1 MHz、700 kHz、500 kHz、100 kHz作為信號(hào)源進(jìn)行采集。查找表1可知相應(yīng)頻率對(duì)應(yīng)的AF系數(shù)分別為45.88 dB/m、45.77 dB/m、45.55 dB/m、44.77 dB/m，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)值分別是200 1/m、194 1/m、188 1/m、174 1/m。再乘以信號(hào)的幅值，轉(zhuǎn)換的電場(chǎng)信號(hào)大小分別為±100 V/m、±97 V/m、±94 V/m、±87 V/m左右。從圖7可以看出對(duì)于不同頻率信號(hào)，在一個(gè)周期內(nèi)采集到的點(diǎn)數(shù)是不同的，信號(hào)沒(méi)有出現(xiàn)丟點(diǎn)失真，驗(yàn)證了Ping-Pong設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)流控制的正確性。不同頻率信號(hào)乘以對(duì)應(yīng)的AF系數(shù)所得到的信號(hào)幅值也是不同的。

圖7　四通道測(cè)試結(jié)果

圖8　四通道測(cè)試頻譜圖

如圖8所示，四通道測(cè)試頻譜圖是將采集得到的數(shù)據(jù)做FFT之后得到的頻譜結(jié)果，可以看到四路不同頻率的正弦信號(hào)對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度值，誤差在允許范圍內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了對(duì)于復(fù)雜的電場(chǎng)信號(hào)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理算法的可行性。測(cè)試結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)求。

4結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)EAST電場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)是用于電場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量的系統(tǒng)，是一個(gè)高速數(shù)據(jù)采集和處理的系統(tǒng)，目的在于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高采樣率、高吞吐量的要求，進(jìn)而完成對(duì)電場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，做好電磁兼容(EMC)的設(shè)計(jì)工作。本系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試，驗(yàn)證了程序的可行性，設(shè)計(jì)基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

下一步工作，在不超過(guò)FPGA資源的前提下進(jìn)一步增加通道數(shù)，在EAST設(shè)備周圍放置更多的電場(chǎng)探頭，從而做到盡可能準(zhǔn)確地還原EAST周圍電場(chǎng)情況。

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Electric Field Real-time Acquisition and Processing System for EAST

Ma Tengfei, Ji Zhenshan, Wang Yong, Zhang Zuchao, Zhu Chongming

(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei230031, China)

Abstract:The experimental advanced superconducting Tokamak(EAST) is the national large scientific experiment device. The electromagnetic environment around the EAST is very complex during plasma discharge experiment. In order to fully monitor the changes of electric field around the EAST device during plasma discharge, a real-time electric field measurement system has been designed. During plasma discharge, this system measures the transient electric field distribution and strength to provide real-time data analysis for the electromagnetic compatibility (EMC) design. The hardware architecture consists mainly of a monopole electric field probe, photoelectric isolation device, RAID disk array and PXI platform. The system uses the LabVIEW to program on the FPGA for the real-time data acquisition and processing. By testing, it can realize one analog channel, 50 MHz/s sampling rate and make synchronous data acquisition with four analog channels, up to 12.5 MHz/s sampling rate, which is able to meet the demand of acquiring, processing and storing the real-time data in the high-frequency analog signals multi-channel mode.

Keywords:EAST; EMC; data acquisition; FPGA; real-time measurement

文章編號(hào)：1671-4598(2016)02-0255-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.070

中圖分類號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：馬騰飛(1990-)，男，安徽合肥人，碩士研究生，主要從事計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集方向的研究。

基金項(xiàng)目:國(guó)家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)(2014GB103000)；中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所科學(xué)基金(Y35ETY130B)。

收稿日期：2015-08-27；修回日期：2015-09-25。