NBI射頻離子源探針信號(hào)采集系統(tǒng)①

高洋洋,胡純棟,盛鵬,趙遠(yuǎn)哲,崔慶龍,謝亞紅,虞珊,陳俞錢,張睿,(中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 等離子體物理研究所,合肥 00)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 00049)(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 006)

?

NBI射頻離子源探針信號(hào)采集系統(tǒng)①

高洋洋1,2,胡純棟1,盛鵬1,趙遠(yuǎn)哲1,崔慶龍1,謝亞紅1,虞珊1,2,陳俞錢1,2,張睿1,3
1(中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 等離子體物理研究所,合肥 230031)
2(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
3(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 230026)

摘 要:中性束注入加熱(NBI)是托卡馬克(EAST)實(shí)驗(yàn)裝置中最重要的輔助加熱手段之一,射頻離子源是等離子體物理研究所NBI系統(tǒng)在研究的關(guān)鍵部件.為準(zhǔn)確地診斷等離子體參數(shù),本文以PXI為平臺(tái),設(shè)計(jì)了一套射頻離子源探針信號(hào)采集系統(tǒng).硬件部分針對(duì)等離子體產(chǎn)生過(guò)程中1MHz射頻干擾問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一個(gè)4階巴特沃斯低通濾波器.軟件部分以LabVIEW作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),對(duì)探針信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理.處理后的數(shù)據(jù)在GUI界面上顯示,并存儲(chǔ)在本地硬盤(pán).該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以有效解決射頻離子源測(cè)試試驗(yàn)中的干擾問(wèn)題,提高獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度,為射頻等離子體放電調(diào)試提供更為可靠的依據(jù).

關(guān)鍵詞:中性束加熱; 朗繆爾探針; 1MHz射頻源; 巴特沃斯; LabVIEW

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.要完成其科學(xué)目標(biāo),必須要有高功率電流驅(qū)動(dòng)和輔助加熱系統(tǒng).由于中性束注入加熱[1,2](NBI)是加熱效率最高、物理機(jī)制最清楚的一種輔助加熱手段,因此在EAST上建立了4MW的中性束注入系統(tǒng).射頻離子源[4,5]是中性束注入器中最重要的關(guān)鍵部件,相對(duì)于熱陰極燈絲離子源,射頻離子源由于其壽命長(zhǎng)、可靠性強(qiáng)、易維護(hù)等特點(diǎn),因此被用于EAST-NBI測(cè)試實(shí)驗(yàn)中.等離子體由于射頻電源的影響處于一個(gè)劇烈變化的電磁環(huán)境中,使得采用探針進(jìn)行等離子體診斷變得非常困難.為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一套朗繆爾雙探針信號(hào)采集系統(tǒng)[3,6],用于探針信號(hào)的采集、處理、顯示和存儲(chǔ).

朗繆爾探針信號(hào)采集系統(tǒng)(Signal Acquisition System,SAS)具有探針信號(hào)實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)處理和探針信號(hào)模擬輸出功能.采集通道以差分模式實(shí)時(shí)采集加在朗繆爾雙探針間的掃描電壓信號(hào)和相應(yīng)掃描電壓下流過(guò)探針的電流信號(hào).預(yù)留通道可滿足將來(lái)擴(kuò)展需要.SAS系統(tǒng)先采用硬件和軟件2種方法對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波處理,然后對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示.整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)不僅可以有效解決采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題,而且提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和等離子體參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確度.

1　系統(tǒng)概述

圖1　SAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

SAS系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分: 朗繆爾雙探針、巴特沃斯濾波器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)接口、儀器驅(qū)動(dòng)程序、軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)以及用戶界面,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.SAS系統(tǒng)采用朗繆爾雙探針進(jìn)行測(cè)量,雙探針?lè)梢杂行П苊獾入x子體空間電位的變化對(duì)等離子體電子溫度測(cè)量的影響[8],提高等離子體電子溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度.在雙探針間加掃描電壓并采集相應(yīng)掃描電壓下流過(guò)探針的電流,采集的數(shù)據(jù)通過(guò)4階巴特沃斯濾波器進(jìn)行濾波處理; 凌華公司生產(chǎn)的PXI-2206采集卡的A/D模塊負(fù)責(zé)把濾波后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);采集卡通過(guò)PXI總線與控制器相連,把經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)傳遞給控制器; 儀器驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件模塊的控制,實(shí)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)硬件的調(diào)用,完成對(duì)硬件的管理,其中用到的驅(qū)動(dòng)主要有① DAQPilot:面向任務(wù)的軟件開(kāi)發(fā)工具; ②D2K-DASK: 支持DAQ-2000系列采集卡的驅(qū)動(dòng)程序; ③ WD-DASK:專為數(shù)據(jù)采集應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供的高端32/64位內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序和32位DLL庫(kù); ④ DAQ-LVIEWPnP: LabVIEW軟件驅(qū)動(dòng)程序.軟件編程采用NI公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),完成對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理.實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)GUI界面和系統(tǒng)進(jìn)行交互,通過(guò)它完成實(shí)驗(yàn)中的各項(xiàng)操作.

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

SAS系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括兩部分: 濾波器設(shè)計(jì)和硬件平臺(tái)設(shè)計(jì).

2.1濾波器設(shè)計(jì)

在采用朗繆爾雙探針進(jìn)行等離子體診斷時(shí),實(shí)際的測(cè)量環(huán)境中存在著大量干擾.其中最主要的是來(lái)自1MHz射頻電源干擾.為了有效解決干擾問(wèn)題,設(shè)計(jì)了4階巴特沃斯低通濾波器.設(shè)計(jì)的一些參數(shù),如表1所示.

表1　濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計(jì)原理,繪制出4階巴特沃斯低通濾波器原理圖,如圖2所示.根據(jù)巴特沃斯電路的傳遞函數(shù)和歸一化表中濾波器函數(shù)的分母多項(xiàng)式,建立超系數(shù)方程組.

通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù):

濾波器的截止角頻率:

品質(zhì)因數(shù)Q與電容關(guān)系:

由(1)(2)(3)式聯(lián)立,化解方程組,求得元器件的值,結(jié)果如表2所示.

圖2　巴特沃斯低通濾波器原理圖

表2　濾波器元件取值表

將設(shè)計(jì)的原理圖制成PCB板,為驗(yàn)證其濾波效果,用信號(hào)源和示波器對(duì)其進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖3所示.測(cè)試時(shí),采用1KHz源信號(hào)加上20KHz的干擾信號(hào)作為輸入信號(hào),如圖下方波形所示.上方是濾波后的波形.由圖可知,經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的濾波器濾波后,干擾信號(hào)得到有效衰減,達(dá)到了預(yù)期的濾波效果.

圖3　濾波前后波形圖

2.2硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

為了得到相對(duì)準(zhǔn)確的等離子密度,需要在真空室的不同位置安放6路探針進(jìn)行信號(hào)采集.這就要求系統(tǒng)具有多通道采集的能力,也要具備存儲(chǔ)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力.除此之外,系統(tǒng)其他的需求如下: 12通道差分、±5V輸入單通道10KS/s采樣率,(0-10)V單端輸出.為了滿足實(shí)驗(yàn)要求,SAS系統(tǒng)采用凌華公司生產(chǎn)的PXI-2200系列的產(chǎn)品.

1)采集卡

PXI-HL2206采集卡有64路單端或32路差分模擬輸入,16bit分辨率,最高250kS/s采樣率.2路12bit分辨率、1MS/s更新率的D/A輸出通道.輸入量程范圍±1.25V至±10V,滿足系統(tǒng)需求.

2)控制器、機(jī)箱

凌華公司生產(chǎn)的PXI-HL3950控制器,采用Inter(R)Core(TM)2 Duo T7500 2.2GHz處理器,最大支持4GB 667MHz DDR2內(nèi)存,集成160GB 7200RPM SATA硬盤(pán),滿足系統(tǒng)高速處理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的要求.PXI-HL2506機(jī)箱,3U、6插槽,其中的2個(gè)插槽供采集卡和控制器使用,其余的可供系統(tǒng)擴(kuò)展.

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

SAS系統(tǒng)利用NI公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW進(jìn)行編程.與傳統(tǒng)的編程方式相比,用它設(shè)計(jì)虛擬儀器,可以提高效率4～10倍.根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求,SAS系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能: 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析.系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)的思想,每個(gè)功能由一個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn).主要包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集處理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)回放5個(gè)模塊.

1)參數(shù)設(shè)置模塊

主要對(duì)采樣時(shí)間、采樣率、采樣電壓最大/最小值、觸發(fā)有效沿、每個(gè)通道采樣點(diǎn)等參數(shù)進(jìn)行配置.

2)數(shù)據(jù)處理模塊

采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤(pán)前,首先對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.具體的處理流程如圖4所示.經(jīng)過(guò)巴特沃斯濾波器濾波后的電壓、電流信號(hào)經(jīng)過(guò)PXI-2206采集卡的A/D轉(zhuǎn)換模塊后,變?yōu)閿?shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在電壓、電流數(shù)組中.數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,先采用SG濾波算法[7]對(duì)其進(jìn)行濾波處理.(SG算法優(yōu)點(diǎn): ①對(duì)原始信號(hào)特征改變較少,求出的電子能力概率函數(shù)準(zhǔn)確度較高.②雖然SG算法存在數(shù)組頭尾兩端丟棄部分?jǐn)?shù)據(jù)的弊端,但是理論上由郎繆爾雙探針測(cè)得的I-V曲線在左右兩端分別達(dá)到了離子電流飽和,數(shù)值不變,剛好避免了這個(gè)弊端)經(jīng)過(guò)濾波處理后的數(shù)據(jù)再根據(jù)朗繆爾雙探針I(yè)-V特性曲線求得等離子體參數(shù).

圖4　數(shù)據(jù)處理框圖

3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

采集過(guò)程中,由于采樣率較大,處理函數(shù)來(lái)不及處理,所以SAS系統(tǒng)先把采集到的數(shù)據(jù)讀入FIFO隊(duì)列,存儲(chǔ)在一個(gè)臨時(shí)TDMS文件中.待采集完成后,讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行SG濾波處理.之后,把處理過(guò)的數(shù)據(jù)以TDMS格式存儲(chǔ)在本地硬盤(pán)以便實(shí)驗(yàn)之后物理人員分析.SAS系統(tǒng)采用Excel報(bào)表的形式將實(shí)驗(yàn)結(jié)果保存在本地硬盤(pán),避免了物理人員實(shí)驗(yàn)后大量、繁瑣的計(jì)算和整理工作.

4)數(shù)據(jù)顯示

SAS系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)人員提供了良好的人機(jī)交互界面.界面上顯示的主要內(nèi)容有: 電子溫度、電子密度、飽和電流、零點(diǎn)導(dǎo)數(shù)值等物理參數(shù),濾波前后的伏安特性曲線、電流對(duì)電壓求導(dǎo)曲線以及數(shù)字處理后的D/A輸出(0～10V)波形圖.

5)數(shù)據(jù)回放

SAS系統(tǒng)提供歷史回放功能,實(shí)驗(yàn)人員可通過(guò)選擇文件路徑,打開(kāi)保存的文件,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、分析.

3.1系統(tǒng)流程

SAS系統(tǒng)主要完成朗繆爾探針信號(hào)的濾波處理、多通道數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示等功能.系統(tǒng)具體流程如圖5所示.軟件啟動(dòng)后,首先對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行配置,滿足觸發(fā)條件后進(jìn)入采集狀態(tài).由于采樣率較高,處理函數(shù)來(lái)不及處理采集的數(shù)據(jù),因此先把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)臨時(shí)TDMS文件中,等到采集時(shí)間結(jié)束、確認(rèn)采集數(shù)據(jù)無(wú)誤后,讀取臨時(shí)的TDMS文件,把數(shù)據(jù)分割到相應(yīng)的通道數(shù)組,然后對(duì)數(shù)組中的數(shù)據(jù)進(jìn)行SG濾波處理,處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地硬盤(pán).為驗(yàn)證SG濾波的效果分別把濾波前、后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到圖形顯示函數(shù)中以I-V曲線形式顯示在GUI界面上.然后根據(jù)I-V特性曲線求出等離子體物理參數(shù).最后把處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)采集卡的D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出.

圖5　SAS系統(tǒng)流程圖

圖6　程序核心框圖

3.2核心代碼實(shí)現(xiàn)

SAS系統(tǒng)采用LabVIEW作為程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言.其VI程序主要由三部分構(gòu)成: 前面板、程序框圖、VI圖標(biāo)/連線版.圖6是系統(tǒng)的核心程序框圖.其中重要的變量定義如下: 通道數(shù)(N)、每個(gè)通道采樣數(shù)(n)、采樣時(shí)間(t)、循環(huán)次數(shù)(Num)和采樣率fs.設(shè)定的采集時(shí)間結(jié)束后,系統(tǒng)需要根據(jù)這些變量來(lái)判斷采集數(shù)據(jù)的完整性.

實(shí)際采樣數(shù): n×N×Num

設(shè)置的采樣數(shù): N×t×fs(實(shí)際≥設(shè)置)

SAS采集系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成.參數(shù)設(shè)置部分,主要是設(shè)置接入采集設(shè)備的通道參數(shù)、信號(hào)的幅度范圍等來(lái)初始化系統(tǒng); 數(shù)據(jù)采集部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心,通過(guò)設(shè)置采樣率、觸發(fā)參數(shù)、單個(gè)通道采樣數(shù)、觸發(fā)沿來(lái)完成數(shù)據(jù)采集; 數(shù)據(jù)處理部分將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、數(shù)學(xué)計(jì)算得到等離子體物理參數(shù),并在GUI界面顯示相應(yīng)結(jié)果; 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果存儲(chǔ)在本地硬盤(pán),后續(xù)的數(shù)據(jù)查看、分析以及回顯等操作都是在此基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)的.

4　結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于NBI射頻離子源探針信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程.該系統(tǒng)主要有濾波、數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ)等功能,并且具有執(zhí)行效率高、交互性好、易于跨平臺(tái)移植和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn).SAS系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以有效解決NBI射頻源測(cè)試實(shí)驗(yàn)中的干擾問(wèn)題和探針測(cè)量周期長(zhǎng)帶來(lái)的測(cè)量誤差大的問(wèn)題,提高了獲取等離子體物理參數(shù)的準(zhǔn)確度,為NBI射頻源放電調(diào)試和衡量射頻源的性能提供了更為可靠的依據(jù).

參考文獻(xiàn)

1Hu CD,Xie YH.NBI team.The development of a megawatt-level high current ion source.Plasma Science and Technology,2012,14(1): 75–77.

2Hu CD,NBI team.Conceptual design of neutral beam injection system for EAST.Plasma Science and Technology,2012,14(6): 320–324.

3Xie YH,Hu CD,Liu S,Shong SH,Jiang CC,Liu ZM.Ion source plasma parameters measurement based on Langmuir probe with commercial frequency sweep.Fusion Engineering and Design,2010,85: 64–68.

4Sheng P,Hu CD,Song SH,Liu ZM,Zhao YZ,Zhang XD,Dou SB.Data processing middleware in a high-powered neutral beam injection control system.Plasma Science and Technology,2013,6(15).

5張賢明.10cm射頻離子源工程設(shè)計(jì)與初步試驗(yàn)[碩士學(xué)位論文].武漢:華中科技大學(xué),2008.

6龍華偉.LabVIEW 8.2.1與DAQ數(shù)據(jù)采集.北京:清華大學(xué)出版社,2008.

7桑慶雙,程健.S-G濾波在朗繆爾探針信號(hào)處理中的應(yīng)用.計(jì)算機(jī)工程,2011,37(17):220–222,226.

8吳金生.基于LabVIEW的郎繆兒探針等離子體診斷系統(tǒng)研究[碩士學(xué)位論文].上海:上海交通大學(xué),2012.

Signal Acquisition System for Neutral Beam Injector RF Ion Source

GAO Yang-Yang1,2,HU Chun-Dong1,SHENG Peng1,ZHAO Yuan-Zhe1,CUI Qing-Long1,XIE Ya-Hong1,YU Shan1,2,CHEN Yu-Qian1,2,ZHANG Rui1,3
1(Institute of Plasma Physics,Chinese Academy of Sciences (ASIPP),Hefei 230031,China)
2(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
3(University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China)

Abstract:Neutral beam injection (NBI)heating is one of the most important auxiliary heating means of Tokamak(EAST)experiment device,and the RF ion source is the crucial part of the research of NBI system in institute of plasma physics.In order to diagnose the plasma parameters accurately,a Langmuir probe signal acquisition system is designed by using PXI as the platform in this paper.In the hardware part,it is mainly aimed at the problem of the interference of the 1MHz RF source in the process of producing plasma,so a 4th-order Butterworth low-pass filter is designed.The software part,which is based on LabVIEW,is designed to acquire and process the probe signal real-timely.The processed data is displayed on the GUI interface and stored on the local hard disk.The implementation of the system can effectively solve the problem of interference in the RF ion source test,improve the accuracy of the data acquisition,and provide a more reliable basis for the RF plasma discharge debugging.

Key words:neutral beam heating; Langmuir probe; 1MHz RF source; butterworth; LabVIEW

基金項(xiàng)目:①國(guó)家磁約束核聚變能源研究專項(xiàng)(2013GB101001)

收稿時(shí)間:2015-08-10;收到修改稿時(shí)間:2015-09-28