摘 要：本文主要介紹HT-7離子回旋共振加熱系統(tǒng)，基于可視化開發(fā)軟件Labview設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的電子管電參數(shù)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。此系統(tǒng)在檢測的過程中，連續(xù)采集四極管相應(yīng)的電參數(shù)，如果相應(yīng)管件不在額定的條件下工作時(shí)，則發(fā)出聲音及視覺警報(bào)，向現(xiàn)場工作人員提出警示，并加以保存。整個(gè)系統(tǒng)功能較為完善，尤其在長時(shí)間使用發(fā)射機(jī)時(shí)，對有效監(jiān)控系統(tǒng)及現(xiàn)場維護(hù)提供了完善的監(jiān)測手段;同時(shí)，通過采用事件驅(qū)動、通道選擇算法、頻譜分析的計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)分析技術(shù)，完整記錄了發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的真實(shí)工作狀況。特別是通道選擇算法，則解決了在采集過程中，無法隨時(shí)更改在線的通道數(shù)的問題，在實(shí)驗(yàn)階段取得了良好的效果。 關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集、發(fā)射機(jī)、監(jiān)控、報(bào)警、離子回旋共振加熱系統(tǒng) Abstract: In this paper, the monitor and control unit of Ion Cyclotron Range of Frequency heating （ICRH） system on HT-7 is mainly presented. The whole system is based on Labview system. Because of the tetrode working in severe condition, such as high voltage over to 13.5kV, the whole system must be under control. This system acquires the corresponding electric parameter of the tetrode constantly during the process of measuring. If the corresponding component while out of the specified range, the system will give sound and vision alarm. By using event-driven, channel-selected algorithm and FFT, we could record and show the true working state of the transmitter system and corresponding analysis exactly. Moreover, the algorithm of the channel selection solves the problem which was unable to switch the channels online while data acquiring at any time. Key words: Data acquisitions, ICR heating system, monitor and control unit, alarm 1. 引言 　　我國第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克HT-7裝置，是一個(gè)龐大的核聚變環(huán)形真空磁籠實(shí)驗(yàn)裝置，它主要包括HT-7超導(dǎo)托卡馬克裝置本體，大型超高真空系統(tǒng)，大型計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，大型高功率脈沖電源及其回路系統(tǒng)，有全國規(guī)模最大的低溫液氦系統(tǒng)，兆瓦級低雜波電流驅(qū)動和射頻波加熱系統(tǒng)，以及數(shù)十種復(fù)雜的診斷測量系統(tǒng)等。核聚變研究的重要目的之一就是設(shè)法把等離子體加熱到10keV以上。離子回旋波加熱主要是通過天線將波的能量饋入到等離子體中。本文主要介紹了基于Labview的離子回旋共振加熱發(fā)射機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),對設(shè)備的電參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并按要求對射頻波形進(jìn)行反饋控制;要檢測的信號包括模擬電壓、開關(guān)信號、脈沖信號，同時(shí)對信號進(jìn)行快慢采集，并保存在硬盤。 2. HT-7離子回旋共振加熱發(fā)射機(jī)系統(tǒng)原理及主要監(jiān)控對象 　　本系統(tǒng)主要是對等離子體進(jìn)行加熱，故此輸出功率較大，通過信號源首先輸出30～150MHz，10mW的振蕩信號，射頻調(diào)制和寬帶放大器及前級放大器、驅(qū)動級放大器、末級放大器三級放大，最后輸出最大功率300kw，對真空室中的等離子體加熱，本文主要對下圖1所示部分的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行分析。本監(jiān)控系統(tǒng)主要是對發(fā)射機(jī)的四極管各個(gè)管腳的電壓、電流及功率的監(jiān)控。由于采用的設(shè)備較為昂貴，四極管的各級電壓達(dá)到幾千伏，甚至幾十千伏，電流達(dá)到幾百安，同時(shí)四極管的各級參數(shù)的變化對發(fā)射機(jī)發(fā)射輸出影響較大，同時(shí)也影響電子管的使用壽命，其中陽極的最高電壓末級可以達(dá)到13.5KV，而末級的燈絲電流達(dá)到最高400A，在高的電壓，大電流的情況下，在未全面了解系統(tǒng)情況下，對各電子管的各級的操作會有著意想不到的意外發(fā)生，輕則造成停機(jī)檢修，影響試驗(yàn)進(jìn)度，重則造成有關(guān)器件的損壞，造成無法修復(fù)的問題。故對放大器的檢測無疑就成了重中之重。現(xiàn)階段主要是通過一些模擬設(shè)備及現(xiàn)場觀察來進(jìn)行檢測，本采集方案以期解決造成安全性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性得不到滿足的問題。 [align=center] 圖1 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)原理圖[/align] 3. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 　　3.1 硬件部分 [align=center] 圖2 監(jiān)控系統(tǒng)流程圖[/align] 　　本采集系統(tǒng)由于測量的電流電壓都較高，故此需要進(jìn)行一些轉(zhuǎn)換和隔離來獲得輸入計(jì)算機(jī)的信號，有關(guān)轉(zhuǎn)換和隔離部分的硬件設(shè)計(jì)將不在此篇中介紹，主要對已經(jīng)通過轉(zhuǎn)換和光電隔離的信號后續(xù)處理過程進(jìn)行探討，采集卡采用National Instruments公司的PCI-6014多功能卡，具有16個(gè)單端輸入或8個(gè)雙端輸入，精度為16位，采樣率200kS/s，配置內(nèi)存大小512個(gè)字，兩個(gè)模擬輸出通道，數(shù)據(jù)傳送以DMA或中斷方式進(jìn)行，工控機(jī)一臺，奔騰III主頻為1GHz的處理器，512M內(nèi)存，使用Win2000操作系統(tǒng)。 　　3.2 軟件設(shè)計(jì) 　　從需求分析著手，按數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)攘谐鱿嚓P(guān)要求，通過對要求的分析及成本、精度的綜合考慮，對軟件和硬件部分提出相應(yīng)的解決方案，軟件系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。由于采用多個(gè)采集設(shè)備，考慮對采集設(shè)備的選擇，其次需要設(shè)置報(bào)警上下限，然后巡檢輸入通道，只要有一個(gè)通道被選，就可以進(jìn)行采集，否則等待通道選擇;加熱系統(tǒng)與總控協(xié)調(diào)，波形數(shù)據(jù)采集等待觸發(fā)，當(dāng)外部觸發(fā)發(fā)出后，觸發(fā)本系統(tǒng)的卡D/A輸出程序，輸出需要的模擬信號，同時(shí)觸發(fā)對反射入射波采集程序，并接受服務(wù)器發(fā)送炮號，作為采集數(shù)據(jù)的保存標(biāo)志，便于后繼分析。然后對每個(gè)通道的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果在設(shè)定范圍內(nèi)，則不發(fā)出報(bào)警信號，否則，發(fā)出報(bào)警信號，顯示報(bào)警部位，便于現(xiàn)場處理。針對以上要求，設(shè)計(jì)以下幾個(gè)模塊：設(shè)置模塊、顯示模塊、保存模塊、分析模塊、反饋控制模塊、通訊模塊。設(shè)置模塊其功能主要分為兩大塊，其一，對采樣參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，即采樣頻率、采樣數(shù)或采樣時(shí)間、采樣模式、采樣通道的設(shè)置;其二，對放大器的柵極、偏壓、陽極電壓，燈絲電流的三級設(shè)置限制，預(yù)設(shè)形式保存在文件中;顯示模塊顯示各通道采集的數(shù)據(jù)，以波形掃描方式進(jìn)行顯示，同時(shí)可以對圖形進(jìn)行放大、縮小、且有游標(biāo)顯示，便于比較信號和測量幅值，同時(shí)將測量的值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，發(fā)出報(bào)警信號、報(bào)警燈或聲音，同時(shí)顯示報(bào)警部位和數(shù)值;保存模塊功能在運(yùn)行過程中，在外部觸發(fā)后自動將運(yùn)行期間有關(guān)參數(shù)保存為電子數(shù)據(jù)，并加入文件頭及時(shí)間信息，便于以后分析，以炮號取名保存;分析模塊提供簡單的頻譜分析和其他功能;反饋控制模塊主要功能是在接受總控的觸發(fā)后對波形設(shè)定值進(jìn)行反饋控制。通訊模塊從網(wǎng)上獲得炮號數(shù)據(jù)，作為保存數(shù)據(jù)的識別標(biāo)志，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布。 　　3.3 模塊及部分算法 　　為了對整個(gè)發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)達(dá)到較為完善的監(jiān)控，整個(gè)系統(tǒng)中需要采用一定的算法來滿足需求，其中包括通道選擇算法，PID控制算法、多通道數(shù)據(jù)圖像多道顯示和多通道數(shù)據(jù)單道顯示、消息機(jī)制，以下簡單介紹通道選擇算法和PID控制算法。該系統(tǒng)在Labview中實(shí)現(xiàn)，由于采用的是NI采集卡，可以在Measurement & Automation環(huán)境中可以按照要求任意設(shè)置虛擬通道，便于通道選擇算法的實(shí)現(xiàn)，在Labview編程中，采用NI的可視化控件，同時(shí)采用其Ni-Daq控件，使數(shù)據(jù)的采集也變得尤為方便，并可同時(shí)進(jìn)行一定的分析和顯示。采用Labview軟件對發(fā)揮原廠采集卡起到較大作用。 [align=center] 圖3 通道選擇算法流程圖[/align] 　　3.3.1通道選擇算法。 　　采集前，需要對采集卡16個(gè)通道進(jìn)行設(shè)置，在采集過程中，要求可以任意更改通道，即隨意切換通道數(shù)，并顯示其通道采集值，同時(shí)不影響其他進(jìn)程，并將各個(gè)通道是否被選以指示燈方式顯示。基本流程如圖3所示,通道的選取以數(shù)組方式傳遞給采集函數(shù)，首先設(shè)定輸入通道，通道選擇采用布爾類控件，通道控制采用Labview高級編程中的局部變量方式，映射通道選擇布爾類控件狀態(tài)，將所設(shè)置布爾值順序輸入一個(gè)布爾數(shù)組，然后對數(shù)組進(jìn)行“或”操作，如果為真則繼續(xù)，否則繼續(xù)等待輸入通道，這個(gè)目的是為了確保至少有一個(gè)通道打開時(shí)才可以進(jìn)行采集。然后對此數(shù)組進(jìn)行檢索和追加字符串操作，形成以下字符串?dāng)?shù)組，即如果選擇了第一和第二通道，則通道數(shù)組為[通道0，通道1]等等。這個(gè)數(shù)組可以事先在 　　Measurement & Automation Explore中進(jìn)行設(shè)定，Labview采集過程中就可以識別這個(gè)數(shù)組;此外還考慮到采集前可能需要將所有通道一次全部打開，單個(gè)輸入較為繁瑣，這種情況下， [align=center] 圖4 通道選擇算法在Labview中的實(shí)現(xiàn)[/align] 　　只要采用一個(gè)布爾控件，判斷為真后形成一個(gè)全通道的字符串?dāng)?shù)組，即[通道0，通道1，通道2……通道15]，這個(gè)數(shù)組可以直接給采集函數(shù)調(diào)用。通過以上的過程，在采集過程中可 　　以靈活的設(shè)置通道號，并獨(dú)立于其他進(jìn)程。圖4為Labview中實(shí)現(xiàn)的程序，I0、I1……I15為通道布爾控件的局部變量，通過for和case結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了輸出采集通道數(shù)組，隨時(shí)在線更改通道的功能。 　　3.3.2 PID控制算法 　　為了對輸出波形進(jìn)行設(shè)定控制，采用了PID控制算法，PID控制器運(yùn)動方程為： [align=center] 圖5 PID輸出在Labview中的實(shí)現(xiàn)方式[/align] 　　Y（t）= 　　其中Y（t）是輸出信號，e（t）為輸入偏差，Kp為放大倍數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。PID控制器在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，采用增量算法，如下 　　增量算法在計(jì)算中不需要累加，增量輸出只與前幾次的采樣輸入有關(guān)，此算法是一個(gè)遞歸過程，實(shí)現(xiàn)過程較簡單。在此應(yīng)用中采用了Labview的PID控件實(shí)現(xiàn)了以上算法，同時(shí)可以對PID控制器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)方式如圖5所示。 4. 實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論 　　本監(jiān)控系統(tǒng)在最近一次實(shí)驗(yàn)中，由于設(shè)置參數(shù)較合理、功能較為齊全，對發(fā)射機(jī)電參數(shù)的監(jiān)控起到了重要的作用，圖6為測試過程中截取的界面。在實(shí)驗(yàn)過程中，對異?，F(xiàn)象的報(bào)警，為現(xiàn)場工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題提供了第一手資料，而且保存的數(shù)據(jù)為今后詳細(xì)分析和仿真發(fā)射機(jī)的工作原理提供了極其重要的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)的依據(jù)。同時(shí)本文對在Labview下進(jìn)行測試及自動化化應(yīng)用方面有著很好的參考價(jià)值。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于，首先使用了高級編程方式中的局部變量，解決了以往在采集過程 [align=center] 圖6 HT-7發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面截圖[/align] 　　中無法動態(tài)更改通道的問題，對系統(tǒng)監(jiān)控功能起到非常重要的作用;同時(shí)采用了PID控制算法，使反饋輸出的準(zhǔn)確性明顯得到了改善，此外把聲音及視覺報(bào)警功能、故障及運(yùn)行數(shù)據(jù)保存、通訊功能加以整合，為現(xiàn)場處理及使用提供了方便、快捷的手段;此外此方法為計(jì)算機(jī)進(jìn)行反饋及定時(shí)控制多支路系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn)： 　　1. 張玉興等編著，《射頻模擬電路》，電子工業(yè)出版社，2002年9月 　　2. 仲元昌編著，《電子管放大電路實(shí)踐》，福建科學(xué)技術(shù)出版社，2001。5 　　3. 電于管手冊/鄭國川，李洪英編著.福建科學(xué)技術(shù)出版社，2002.10 　　4. 朱士堯編著 ，《核聚變原理》，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1992年6月 　　5. 雷振山編著，《Labview 7 Express實(shí)用技術(shù)教程》中國鐵道出版社，2004，3 　　6. 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