CN116184000A - 一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统，包括：系统硬件和系统软件。其中系统硬件包括高速数据采集板卡、多通道计数器板卡、采集控制器、采集机箱；系统软件包括数据采集模块、数据回放模块、数据存储模块。本发明采用模块化设计，实现对负离子源中性束实验中打火事件的高速数据采集，以精确表征打火瞬间各电信号变化。

Description

一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统
技术领域
本发明涉及大型电物理设备信号数据采集领域，具体为一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统。
背景技术
全超导托卡马克是国家发展计划委员会正式批准建设的国家重大科学工程。它的科学目标是建造一个具有非圆截面的大型超导托卡马克装置及其实验系统，发展并建立在超导托卡马克装置上进行稳态运行所需要的多种技术，开展稳态、安全和高效运行的先进托卡马克聚变反应堆基础物理问题的实验研究，为我国下一代聚变工程试验堆的概念设计奠定坚实基础。托卡马克的三大目标为：产生≥1兆安培的等离子体电流；持续时间将达到1千秒；在高功率加热下温度将超过1亿度。托卡马克装置于2006年完成总装调试，并进行了首次等离子体放电调试， 2014年实现了28秒H模（H98因子从2012年的0.9提高到1.2），2021年实现1亿度1千秒的运行参数；这些性能提升是建立在2020年开始的一系列托卡马克工程部件升级基础之上的。
全超导托卡马克装置设置有中性束注入系统，中性束注入系统的主要功能是通过将高能中性束注入到托卡马克装置中，与其本底等离子体发生碰撞进行能量交换，进而达到加热托卡马克装置本底等离子体的目的，中性束注入加热是托卡马克加热手段中物理机制最清晰，加热效果最明显的辅助加热手段。
但是，现有的中性束注入数据采集系统设计落后，响应速度慢，采样率低。伴随着中性束注入实验的运行参数不断提高，打火事件发生的概率逐渐增加，威胁系统的正常稳定运行，为了分析打火原因，其对于打火瞬间电信号数据采集提出了要求。因此对于负离子源中性束注入打火瞬间电信号高速数据采集系统的设计与实施迫在眉睫。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统，采用模块化设计，实现对负离子源中性束装置实验时在打火瞬间加速电源电流、加速电源电压、引出电源电流、引出电源电压等电信号的高速数据采集、显示与存储，满足了负离子源中性束注入装置对高速数据采集系统快速响应和高采样精度的需求。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统，包括系统硬件和系统软件；其中，所述系统硬件包括高速数据采集板卡、计数器板卡、采集控制器，所述高速数据采集板卡用于采集现场电信号，计数器板卡用于测量打火事件发生时刻，采集控制器用于提供程序开发平台；
所述系统软件包括数据采集模块、数据回放模块、数据存储模块，所述数据采集模块用于配置采集参数并启动采集进程，所述数据回放模块用于回放历史数据，所述数据存储模块用于数据的远程存储与访问；
所述数据采集模块包括采集通道选择功能、采集参数配置功能、波形实时显示功能、炮号实时更新功能和数据本地缓存功能；所述采集通道选择功能用于根据负离子源中性束注入装置实验需求有选择地开通通道进行采集，所述采集参数配置功能用于负离子源中性束注入装置实验前配置高速数据采集板卡，所述波形实时显示功能用于负离子源中性束注入装置实验中实时显示波形，所述炮号实时更新功能用于更新显示实验最新炮号，所述数据本地缓存功能用于将负离子源中性束注入装置实验数据保存于本地硬盘；
所述数据回放模块包括读取缓存功能、回放参数配置功能、回放历史参数功能、回放历史波形功能；所述读取缓存功能用于读取本地缓存文件，所述回放参数配置功能用于回放时控制波形显示，所述回放历史参数功能用于还原显示历史实验中采集参数配置，所述回放历史波形功能用于显示本地缓存文件中的数据波形；
所述数据存储模块包括系统时间轴同步功能、MDSplus数据存储功能、jScope远程访问功能；所述系统时间轴同步功能用于高速数据采集系统、低速数据采集系统的数据时间轴的对齐同步，所述MDSplus数据存储功能用于打火数据的组织管理与存储，所述jScope远程访问功能用于数据库数据的内外网请求与访问。
进一步地，所述高速数据采集系统针对负离子源中性束注入装置发生的打火事件进行高速数据采集。
进一步地，所述高速数据采集系统采用模块化设计，实现对负离子源中性束注入装置打火事件的数据采集、存储、远程访问。
进一步地，所述高速数据采集系统的系统硬件与系统软件的实现相匹配。
进一步地，所述数据采集模块接收来自所述负离子源中性束注入装置的控制系统信号及现场模拟信号从而控制数据采集时序并采集模拟输入信号，实现信号波形的实时显示与数据临时缓存。
进一步地，所述数据回放模块读取所述数据采集模块存储的本地缓存文件，进行波形回放及实时显示，方便实验人员查看波形并分析打火原因。
进一步地，所述数据存储模块接收来自所述负离子源中性束注入装置的控制系统信号，计算采集开始时间及打火发生时刻，用于与低速数据采集系统的时间轴对齐，采用MDSplus数据库对存储格式进行统一，并提供jScope数据访问软件实现对数据的远程访问。
有益效果：
本发明采用模块化设计，实现对负离子源中性束装置实验时在打火瞬间加速电源电流、加速电源电压、引出电源电流、引出电源电压等电信号的高速数据采集、显示与存储，满足了负离子源中性束注入装置对高速数据采集系统快速响应和高采样精度的需求。本发明采用模块化设计、软硬件结合的方式；本发明采用高速V/F、F/V转换实现电信号的低损转换及现场隔离传输，采用高速数据采集板卡采集并精确表征各通道电信号，采用微秒级计数器板卡测量打火发生时刻。数据采集模块基于C#多线程编程方式实现多通道采集，提高了采集线程的并行能力，并通过随机触发采集方式，针对性采集打火瞬间电信号，通过预触发采集方式，完整采集打火发生前后几十ms的电信号，大大减少了长脉冲实验下数据存储成本。数据回放模块定义了本地数据缓存文件的文件头格式，方便数据读取和回放历史配置信息。数据存储模块基于MDSplus数据库实现，统一了高速数据采集系统与负离子源中性束注入装置目前低速数据采集系统的数据存储格式与时间轴，并提供了jScope终端便于实验人员远程访问及查看数据、分析打火原因。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统硬件结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统软件结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统数据采集模块示意图；
图4为本发明实施例提供的一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统数据回放模块示意图；
图5为本发明实施例提供的一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统数据存储模块远程访问示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-5及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的一种基于负离子源中性束注入装置的打火瞬间电信号高速数据采集系统，包括系统硬件和系统软件。所述系统硬件满足高采样率及针对打火事件的采集需求，包括高速数据采集板卡、计数器板卡、采集控制器。所述高速数据采集板卡用于接收来自主控系统的采集触发信号以及来自现场需要采集的电信号。所述计数器板卡用于接收来自主控系统的时序信号。所述采集控制器用于对采集进程进行控制、对采集到的数据进行时序处理。所述系统软件包括数据采集模块、数据回放模块、数据存储模块。所述数据采集模块用于进行采集前的采集通道选择、采集参数设置配置、炮号实时更新、波形实时显示、数据本地缓存。所述数据回放模块用于读取本地缓存文件、显示历史参数配置、显示历史波形。所述数据存储模块用于数据远程存储、数据远程访问、高低速数据采集系统间数据对比。
本发明一个实施例中，所述一种基于负离子源中性束注入装置的打火瞬间电信号高速数据采集系统硬件设计结构图如图1所示。其中现场设备包括加速电源装置、引出电源装置、传感器、高速V/F、F/V转换器；高速数据采集系统包括高速数据采集板卡、计数器板卡、采集控制器；主控制系统的信号包括时序信号和采集触发信号。所述高速数据采集板卡接收经过高速V/F、F/V转换器转换后的电信号作为采集通道的模拟输入、接收来自主控制系统的采集触发信号启动采集，所述计数器板卡接收来自主控制系统的时序信号并计算打火发生时刻、每次实验持续时长，所述采集控制器为系统软件提供运行平台、控制高速数据采集板卡和计数器板卡协同工作。
在本发明中，所述一种基于负离子源中性束注入装置的打火瞬间电信号高速数据采集系统软件设计结构图如图2所示，包括数据采集模块、数据回放模块、数据存储模块三个部分。
其中，所述数据采集模块设计如图3所示，数据采集模块提供了采集参数配置、采集通道选择、炮号实时更新、采集进程控制、采集状态显示、建立数据本地缓存、采集波形实时显示功能。其中采集参数配置功能包括采样率设置、预采样时间设置、总采样时间设置，采集通道选择功能提供多通道采集，炮号实时更新功能可显示当前实验炮号，采集进程控制功能可开始或停止采集，采集状态显示功能可提醒用户采集系统状态，建立数据本地缓存功能可存储每炮打火数据，采集波形实时显示功能可实时显示打火波形。
所述数据回放模块设计如图4所示，数据回放模块提供了读取本地缓存、回放参数设置配置、回放进程控制、回放历史参数、回放历史波形功能。读取本地缓存功能可加载本地二进制文件，回放参数设置配置功能可配置回放间隔、回放点数、数据增益、数据偏移，回放进程控制功能提供了开始回放、继续回放、暂停回放、停止回放操作，回放历史参数可显示历史炮参数配置，回放历史波形功能可显示本地缓存文件中的数据波形。
所述数据存储模块设计如图5所示，数据存储模块提供了MDSplus数据存储、jScope远程访问、时间轴同步功能。数据存储模块可通过jScope终端远程访问MDSplus数据库中的数据，通过输入实验炮号的方式获取当前实验炮号下的数据波形，数据下方的时间轴通过所述计数器板卡测量得到，实现了与低速数据采集系统的时间轴对齐，可通过jScope终端提供放大操作查看细致打火波形数据点及对应采样时间。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统，其特征在于：包括系统硬件和系统软件；其中，所述系统硬件包括高速数据采集板卡、计数器板卡、采集控制器，所述高速数据采集板卡用于采集现场电信号，计数器板卡用于测量打火事件发生时刻，采集控制器用于提供程序开发平台；
所述系统软件包括数据采集模块、数据回放模块、数据存储模块，所述数据采集模块用于配置采集参数并启动采集进程，所述数据回放模块用于回放历史数据，所述数据存储模块用于数据的远程存储与访问；
所述数据采集模块包括采集通道选择功能、采集参数配置功能、波形实时显示功能、炮号实时更新功能和数据本地缓存功能；所述采集通道选择功能用于根据负离子源中性束注入装置实验需求有选择地开通通道进行采集，所述采集参数配置功能用于负离子源中性束注入装置实验前配置高速数据采集板卡，所述波形实时显示功能用于负离子源中性束注入装置实验中实时显示波形，所述炮号实时更新功能用于更新显示实验最新炮号，所述数据本地缓存功能用于将负离子源中性束注入装置实验数据保存于本地硬盘；
所述数据回放模块包括读取缓存功能、回放参数配置功能、回放历史参数功能、回放历史波形功能；所述读取缓存功能用于读取本地缓存文件，所述回放参数配置功能用于回放时控制波形显示，所述回放历史参数功能用于还原显示历史实验中采集参数配置，所述回放历史波形功能用于显示本地缓存文件中的数据波形；
所述数据存储模块包括系统时间轴同步功能、MDSplus数据存储功能、jScope远程访问功能；所述系统时间轴同步功能用于高速数据采集系统、低速数据采集系统的数据时间轴的对齐同步，所述MDSplus数据存储功能用于打火数据的组织管理与存储，所述jScope远程访问功能用于数据库数据的内外网请求与访问。
2.如权利要求1所述的一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统，其特征在于：所述高速数据采集系统针对负离子源中性束注入装置发生的打火事件进行高速数据采集。
3.如权利要求1所述的一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统，其特征在于：所述高速数据采集系统采用模块化设计，实现对负离子源中性束注入装置打火事件的数据采集、存储、远程访问。
4.如权利要求1所述的一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统，其特征在于：所述高速数据采集系统的系统硬件与系统软件的实现相匹配。
5.如权利要求1所述的一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统，其特征在于：所述数据采集模块接收来自所述负离子源中性束注入装置的控制系统信号及现场模拟信号从而控制数据采集时序并采集模拟输入信号，实现信号波形的实时显示与数据临时缓存。
6.如权利要求1所述的一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统，其特征在于：所述数据回放模块读取所述数据采集模块存储的本地缓存文件，进行波形回放及实时显示，方便实验人员查看波形并分析打火原因。
7.如权利要求1所述的一种中性束注入装置打火瞬间电信号高速数据采集系统，其特征在于：所述数据存储模块接收来自所述负离子源中性束注入装置的控制系统信号，计算采集开始时间及打火发生时刻，用于与低速数据采集系统的时间轴对齐，采用MDSplus数据库对存储格式进行统一，并提供jScope数据访问软件实现对数据的远程访问。
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