CN108802650B - 一种等离子体内撕裂模磁岛位置的实时探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子体内撕裂模磁岛位置的实时探测系统及方法，硬件上接收总控系统、中央定时系统发送的炮号、触发等信息，并实现无串扰转接磁探针诊断信号、电子回旋辐射诊断信号；软件上通过采用PXIe的控制器搭建的Real‑Time系统作为下位机，采用生产者‑消费者架构编程实现数据实时采集、处理功能；上下位机之间通过消息队列的架构编程实现数据通信。该发明实现了对撕裂模磁岛位置的实时探测，能为ECRH系统实时的提供等离子体内磁岛径向位置，对避免撕裂模磁岛引发大破裂具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及托卡马克装置技术领域，尤其涉及一种等离子体内撕裂模磁岛位置的实时探测系统及方法。
背景技术
在受控核聚变实验研究中，托卡马克是典型的采用磁约束等离子体的磁约束装置之一。在托卡马克装置正常的放电过程中，能够造成等离子体破裂的原因有很多，其中撕裂模磁岛(以下也称“磁岛”)的出现和增长而引起的破裂就是其中之一。电子回旋共振加热(Electron Cyclotron Resonant Heating, ECRH)系统在获取撕裂模磁岛的位置的情况下，可以对已知位置的撕裂模磁岛进行一定的抑制。因此，研究实时探测撕裂模磁岛位置，为ECRH系统提供撕裂模磁岛实时位置，对避免撕裂模磁岛引发的大破裂具有重要意义。
要想实现等离子体中撕裂模磁岛的位置的实时探测，就需要搭建一个实时的等离子体撕裂模磁岛位置的探测系统，该系统包括实时的操作系统、实时的诊断信号采集、实时的数据传输和实时处理，在整个等离子体放电实验过程中连续稳定地计算，并且每次计算的耗时限制在一定的范围内。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种等离子体内撕裂模磁岛位置的实时探测系统及方法，能够在实时的状态下，利用对磁探针诊断信号和电子回旋辐射诊断信号进行实时处理，根据截取时间片的不同，可以时间片结束时刻1个毫秒左右得到等离子内撕裂模磁岛的位置，该系统可以进行连续的计算并记录采集数据和处理结果，直到放电实验的结束。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种等离子体内撕裂模磁岛位置的实时探测系统，包括有总控系统、中央定时系统、磁探针诊断系统、电子回旋辐射诊断系统、lemo三通连接器、光隔、SMA三通连接器、实时采集工控机和上位机，所述的总控系统通过网线将等离子体放电信息发送给实时采集工控机，中央定时系统通过触发线将采集的触发信号发送给实时采集工控机，磁探针诊断系统诊断等离子体内磁场扰动信息并通过lemo三通连接器对诊断信息进线转接并发送给光隔，光隔隔离与磁探针诊断系统共地影响，并将诊断信息发送给实时采集工控机，所述的电子回旋辐射诊断系统提供等离子体内电子温度分布信息并将信息通过SMA三通连接器实现无串扰的转接，再将信息发送给实时采集工控机，实时采集工控机对采集的信息进行处理并计算结果，上位机通过网线与实时采集工控机进行通讯连接，上位机对整个实时采集工控机中实时采集、处理程序的初始化配置，并将计算结果进行显示、存储。
所述的实时采集工控机包括有采集卡一、采集卡二和实时采集控制器，所述的采集卡一、采集卡二和实时采集控制器分别嵌入在支持PXIe总线等协议的工控机箱中构建了实时采集工控机；所述的总控系统与实时采集控制器连接，所述的中央定时系统与采集卡一连接，所述的光隔与采集卡一连接，所述的SMA三通连接器与采集卡二连接，采集卡一和采集卡二均与实时采集控制器连接。
通过上位机NI-MAX软件工具完成对下位机系统的配置，将其设置安装成Labview的Real-Time系统，然后通过在上位机建立项目工程使用Labview语言编写上下位机程序实现具体的功能，程序功能执行包括以下步骤：
1）进行系统初始化；
2）开始采用网络对总控系统发出的信息进行侦听和解析；
3）直到侦听到信息，实时的读取纵场数据,否则返回步骤1）；
4）对采集任务通道的自动筛选；
5）开启采集任务通道并等待统一的硬件触发；
6）直到接收到硬件触发，开始采集磁探针诊断信号和电子回旋辐射诊断信号，否则返回步骤5）；
7)根据触发时间情况选择将提前几秒开始的数据进行写入队列；
8）实时采集工控机通过对磁探针诊断信号和电子回旋辐射诊断信号的处理计算出磁岛的位置；
9）在完成信号处理后将采集数据和数据处理结果的数据分别以网络流的方式上传并存储到上位机中。
所述的步骤1)中，系统初始化包括系统参数初始化及配置参数的输入、开启系统的侦听模式。
所述的步骤2)中，总控系统是指托卡马克放电前对整个放电参数进行控制的一个系统，并且在每次放电前都会向托卡马克装置各分系统发送接下来放电的炮号及放电时长信息。
所述的步骤3)中，纵场数据可以手动输入配置参数也可以通过获取炮号后通过上位机在Mdsplus软件中读取。
所述的步骤4)中，当开启通道自动筛选功能时，系统会根据读取的纵场数据对电子回旋辐射诊断信号的通道变化进行自动筛选及重新排序。
所述的步骤8)中，通过对磁探针诊断信号和电子回旋辐射信号采用锁相放大处理计算出磁岛在托卡马克中的径向位置。
总控系统信号提供等离子体放电的基本信息如炮号、放电时间等；中央定时系统是指在托卡马克放电过程中，为各个分系统提供统一的定时硬件触发信号，该信号的幅度是5.5v，脉宽10ms，该系统放电前-7s收的中央定时系统发送的硬件触发信号；磁探针诊断信号和电子回旋辐射诊断信号作为数据采集处理的信号源；lemo三通连接器实现对磁探针诊断信号的转接；光隔隔离与磁探针诊断系统共地影响；SMA三通连接器实现对电子回旋辐射诊断信号的无串扰转接；实时控制器与采集卡和采集工控机箱进行无缝衔接组成实时采集工控机。
实时采集控制器的型号为PXIe8135。
本发明的优点是：本发明系统下位机采用NI的PXIe的实时采集控制器构建的Labview的Real-Time系统为程序的稳定运行，提供了较高的可靠性；数据实时采集与处理功能一方面采用了生产者-消费者架构，确保了功能实现的实时性，另一方面，上下位机的程序主体架构采用消息队列的方式，提高了程序功能的可移植性；系统数据处理功能模块对每一炮数据都做了实时采集数据的去零漂的处理，减小了系统波动带来的测量误差干扰。
附图说明
图1为本发明的工作原理框图。
图2为本发明软件功能流程示意图。
实施方式
如图1所示，一种等离子体内撕裂模磁岛位置的实时探测系统，包括有总控系统1、中央定时系统2、磁探针诊断系统3、电子回旋辐射诊断系统4、lemo三通连接器5、光隔6、SMA三通连接器7、实时采集工控机8和上位机9，所述的总控系统1通过网线将等离子体放电信息发送给实时采集工控机8，中央定时系统2通过触发线将采集的触发信号发送给实时采集工控机8，磁探针诊断系统3诊断等离子体内磁场扰动信息并通过lemo三通连接器5对诊断信息进线转接并发送给光隔6，光隔6隔离与磁探针诊断系统3共地影响，并将诊断信息发送给实时采集工控机8，所述的电子回旋辐射诊断系统4提供等离子体内电子温度分布信息并将信息通过SMA三通连接器7实现无串扰的转接，再将信息发送给实时采集工控机8，实时采集工控机8对采集的信息进行处理并计算结果，上位机9通过网线与实时采集工控机8进行通讯连接，上位机9对整个实时采集工控机中实时采集、处理程序的初始化配置，并将计算结果进行显示、存储。
所述的实时采集工控机包括有采集卡一10、采集卡二11和实时采集控制器12，所述的采集卡一10、采集卡二11和实时采集控制器12分别嵌入在支持PXIe总线协议的工控机箱13中构建了实时采集工控机8；所述的总控系统1与实时采集控制器12连接，所述的中央定时系统2与采集卡一10连接，所述的光隔6与采集卡一10连接，所述的SMA三通连接器7与采集卡二11连接，采集卡一10和采集卡二11均与实时采集控制器12连接。
通过上位机NI-MAX软件工具完成对下位机系统的配置，将其设置安装成Labview的Real-Time系统，然后通过在上位机建立项目工程使用Labview语言编写上下位机程序实现具体的功能，程序功能执行包括以下步骤：
1）进行系统初始化；
2）开始采用网络对总控系统发出的信息进行侦听和解析；
3）直到侦听到信息，实时的读取纵场数据, 否则返回步骤1）；
4）对采集任务通道的自动筛选；
5）开启采集任务通道并等待统一的硬件触发；
6）直到接收到硬件触发，开始采集磁探针诊断信号和电子回旋辐射诊断信号，否则返回步骤5）；
7)根据触发时间情况选择将提前几秒开始的数据进行写入队列；
8）实时采集工控机通过对磁探针诊断信号和电子回旋辐射诊断信号的处理计算出磁岛的位置；
9）在完成信号处理后将采集数据和数据处理结果的数据分别以网络流的方式上传并存储到上位机中。
所述的步骤1)中，系统初始化包括系统参数初始化及配置参数的输入、开启系统的侦听模式。
所述的步骤2)中，总控系统是指托卡马克放电前对整个放电参数进行控制的一个系统，并且在每次放电前都会向托卡马克装置各分系统发送接下来放电的炮号及放电时长信息。
所述的步骤3)中，纵场数据可以手动输入配置参数也可以通过获取炮号后通过上位机在Mdsplus软件中读取。
所述的步骤4)中，当开启通道自动筛选功能时，系统会根据读取的纵场数据对电子回旋辐射诊断信号的通道变化进行自动筛选及重新排序。
所述的步骤8)中，通过对磁探针诊断信号和电子回旋辐射信号采用锁相放大处理计算出磁岛在托卡马克中的径向位置。
分别通过lemo的三通连接器5和SMA的三通连接器7对等离子体内磁探针诊断信号和电子回旋辐射诊断信号进行无串扰的分接，其中，考虑到阻抗匹配及串地干扰问题，根据诊断系统信号不同特点，在对磁探针诊断信号转接后通过光隔实现隔断系统间的串地干扰；电子回旋辐射诊断信号转接后，采用相同的伪差分接入方法接入到采集工控机中的采集卡模拟通道采集输入端，系统各通道采集触发采用的板卡上的硬件触发，这样可以保证各通道采集时序是相同的；采集工控机的控制器通过网线与诊断网相连，实现每炮放电前能够接收总控系统发送炮号等信息；采集工控机内部组成是由支持Real-Time系统的控制器、支持实时采集的多通道采集卡和支持PXIe、PCI等多种通信协议的采集工控机箱共同搭建，并作为本发明系统的下位机部分；系统的上位机采用的工控机通过网线接入到诊断网与下位机进行通信
如图2所示：本发明的软件功能实现主要分为四个阶段，以下就是四个阶段的具体功能：
第一阶段，对系统状态参数的初始化，接着建立上下位机之间的通信，在通信建立的情况下，通过上位机交互界面实现整个系统相关参数的配置；
第二阶段， 参数配置完成后，通过打开侦听按钮，程序开启通过UDP协议侦听炮号功能，并对炮号进行比对，确认是新炮号时，对信息进行解析处理，通过网络流的方式将炮号发送至上位机，否则继续侦听炮号；
第三阶段，根据纵场模式是手动或自动来确定纵场的值采用的是手动输入还是实时读取，当启动采集功能，在根据采集任务通道选择模式是手动或自动，可以改变采集任务通道，并在获得中央定时系统提供的硬件触发信号后，该系统开始实时采集、处理数据，根据第二阶段解析的放电时长来确定采集的时间，并且在这过程中，数据可以通过网流量分段的传输到上位机进行显示，达到采集时长后会自动结束采集任务；
第四阶段，采集、处理完成后，采集数据及处理结果会通过网络流的方式分片传输到上位机，并对其进行存储，存储完成后关闭文件，再次进入侦听炮号功能，系统进入新一轮的循环。
Claims (7)
1. 一种等离子体内撕裂模磁岛位置的实时探测方法，其特征在于：通过上位机NI-MAX软件工具完成对下位机系统的配置，将其设置安装成Labview的Real-Time系统，然后通过在上位机建立项目工程使用Labview语言编写上下位机程序实现具体的功能，程序功能执行包括以下步骤：1）进行系统初始化；2）开始采用网络对总控系统发出的信息进行侦听和解析；3）直到侦听到信息，实时的读取纵场数据,否则返回步骤1）；4）对采集任务通道的自动筛选；5）开启采集任务通道并等待统一的硬件触发；6）直到接收到硬件触发，开始采集磁探针诊断信号和电子回旋辐射诊断信号，否则返 回步骤5）；7)根据触发时间情况选择将提前几秒开始的数据进行写入队列；8）实时采集工控机通过对磁探针诊断信号和电子回旋辐射诊断信号的处理计算出磁 岛的位置；9）在完成信号处理后将采集数据和数据处理结果的数据分别以网络流的方式上传并 存储到上位机中；
所述的等离子体内撕裂模磁岛位置的实时探测方法所采用的实时探测系统，包括有总控系统、中央定时系统、磁探针诊断系统、电子回旋辐射诊断系统、lemo三通连接器、光隔、SMA三通连 接器、实时采集工控机和上位机，所述的总控系统通过网线将等离子体放电信息发送给实 时采集工控机，中央定时系统通过触发线将采集的触发信号发送给实时采集工控机，磁探 针诊断系统诊断等离子体内磁场扰动信息并通过lemo三通连接器对诊断信息进行转接并发送给光隔，光隔隔离与磁探针诊断系统共地影响，并将诊断信息发送给实时采集工控机， 所述的电子回旋辐射诊断系统提供等离子体内电子温度分布信息并将信息通过SMA三通连 接器实现无串扰的转接，再将信息发送给实时采集工控机，实时采集工控机对采集的信息 进行处理并计算结果，上位机通过网线与实时采集工控机进行通讯连接，上位机对整个实时采集工控机中实时采集、处理程序的初始化配置，并将计算结果进行显示、存储。
2. 根据权利要求1所述的一种等离子体内撕裂模磁岛位置的实时探测方法，其特征在于：所述的实时采集工控机包括有采集卡一、采集卡二和实时采集控制器，所述的采集卡一、采集卡二和实时采集控制器分别嵌入在支持PXIe总线协议的工控机箱中构建了实时采集工控机；所述的总控系统与实时采集控制器连接，所述的中央定时系统与采集卡一连接，所述的光隔与采集卡一连接，所述的SMA三通连接器与采集卡二连接，采集卡一和采集卡二均与实时采集控制器连接。
3. 根据权利要求1所述的一种等离子体内撕裂模磁岛位置的实时探测方法，其特征在于：所述的步骤1)中，系统初始化包括系统参数初始化及配置参数的输入、开启系统的侦听模式。
4. 根据权利要求1所述的一种等离子体内撕裂模磁岛位置的实时探测方法，其特征在于：所述的步骤2)中，总控系统是指托卡马克放电前对整个放电参数进行控制的一个系统，并且在每次放电前都会向托卡马克装置各分系统发送接下来放电的炮号及放电时长信息。
5.根据权利要求1所述的一种等离子体内撕裂模磁岛位置的实时探测方法，其特征在于：所述的步骤3)中，纵场数据可以手动输入配置参数也可以通过获取炮号后通过上位机在Mdsplus软件中读取。
6. 根据权利要求1所述的一种等离子体内撕裂模磁岛位置的实时探测方法，其特征在于：所述的步骤4)中，当开启通道自动筛选功能时，系统会根据读取的纵场数据对电子回旋辐射诊断信号的通道变化进行自动筛选及重新排序。
7.根据权利要求1所述的一种等离子体内撕裂模磁岛位置的实时探测方法，其特征在于：通过对磁探针诊断信号和电子回旋辐射信号采用锁相放大处理计算出磁岛在托卡马克中的径向位置。
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