摘 要：本文主要介紹HT-7離子回旋共振加熱系統，基于可視化開發軟件Labview設計的發射機系統的電子管電參數計算機監控系統的開發。此系統在檢測的過程中，連續采集四極管相應的電參數，如果相應管件不在額定的條件下工作時，則發出聲音及視覺警報，向現場工作人員提出警示，并加以保存。整個系統功能較為完善，尤其在長時間使用發射機時，對有效監控系統及現場維護提供了完善的監測手段;同時，通過采用事件驅動、通道選擇算法、頻譜分析的計算機技術和數學分析技術，完整記錄了發射機系統的真實工作狀況。特別是通道選擇算法，則解決了在采集過程中，無法隨時更改在線的通道數的問題，在實驗階段取得了良好的效果。 關鍵詞：數據采集、發射機、監控、報警、離子回旋共振加熱系統 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 　　我國第一個超導托卡馬克HT-7裝置，是一個龐大的核聚變環形真空磁籠實驗裝置，它主要包括HT-7超導托卡馬克裝置本體，大型超高真空系統，大型計算機控制和數據采集處理系統，大型高功率脈沖電源及其回路系統，有全國規模最大的低溫液氦系統，兆瓦級低雜波電流驅動和射頻波加熱系統，以及數十種復雜的診斷測量系統等。核聚變研究的重要目的之一就是設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射機實時監控系統,對設備的電參數進行監測，并按要求對射頻波形進行反饋控制;要檢測的信號包括模擬電壓、開關信號、脈沖信號，同時對信號進行快慢采集，并保存在硬盤。 2. HT-7離子回旋共振加熱發射機系統原理及主要監控對象 　　本系統主要是對等離子體進行加熱，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，射頻調制和寬帶放大器及前級放大器、驅動級放大器、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所示部分的數據采集系統進行分析。本監控系統主要是對發射機的四極管各個管腳的電壓、電流及功率的監控。由于采用的設備較為昂貴，四極管的各級電壓達到幾千伏，甚至幾十千伏，電流達到幾百安，同時四極管的各級參數的變化對發射機發射輸出影響較大，同時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到13.5KV，而末級的燈絲電流達到最高400A，在高的電壓，大電流的情況下，在未全面了解系統情況下，對各電子管的各級的操作會有著意想不到的意外發生，輕則造成停機檢修，影響試驗進度，重則造成有關器件的損壞，造成無法修復的問題。故對放大器的檢測無疑就成了重中之重。現階段主要是通過一些模擬設備及現場觀察來進行檢測，本采集方案以期解決造成安全性、準確性、實時性得不到滿足的問題。 [align=center] 圖1 發射機系統原理圖[/align] 3. 系統實現 　　3.1 硬件部分 [align=center] 圖2 監控系統流程圖[/align] 　　本采集系統由于測量的電流電壓都較高，故此需要進行一些轉換和隔離來獲得輸入計算機的信號，有關轉換和隔離部分的硬件設計將不在此篇中介紹，主要對已經通過轉換和光電隔離的信號后續處理過程進行探討，采集卡采用National Instruments公司的PCI-6014多功能卡，具有16個單端輸入或8個雙端輸入，精度為16位，采樣率200kS/s，配置內存大小512個字，兩個模擬輸出通道，數據傳送以DMA或中斷方式進行，工控機一臺，奔騰III主頻為1GHz的處理器，512M內存，使用Win2000操作系統。 　　3.2 軟件設計 　　從需求分析著手，按數據采集、數據分析、數據顯示、數據傳輸等列出相關要求，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的解決方案，軟件系統的流程圖如圖2所示。由于采用多個采集設備，考慮對采集設備的選擇，其次需要設置報警上下限，然后巡檢輸入通道，只要有一個通道被選，就可以進行采集，否則等待通道選擇;加熱系統與總控協調，波形數據采集等待觸發，當外部觸發發出后，觸發本系統的卡D/A輸出程序，輸出需要的模擬信號，同時觸發對反射入射波采集程序，并接受服務器發送炮號，作為采集數據的保存標志，便于后繼分析。然后對每個通道的數據與設定值進行比較，如果在設定范圍內，則不發出報警信號，否則，發出報警信號，顯示報警部位，便于現場處理。針對以上要求，設計以下幾個模塊：設置模塊、顯示模塊、保存模塊、分析模塊、反饋控制模塊、通訊模塊。設置模塊其功能主要分為兩大塊，其一，對采樣參數進行設置，即采樣頻率、采樣數或采樣時間、采樣模式、采樣通道的設置;其二，對放大器的柵極、偏壓、陽極電壓，燈絲電流的三級設置限制，預設形式保存在文件中;顯示模塊顯示各通道采集的數據，以波形掃描方式進行顯示，同時可以對圖形進行放大、縮小、且有游標顯示，便于比較信號和測量幅值，同時將測量的值與預設值進行比較，發出報警信號、報警燈或聲音，同時顯示報警部位和數值;保存模塊功能在運行過程中，在外部觸發后自動將運行期間有關參數保存為電子數據，并加入文件頭及時間信息，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后對波形設定值進行反饋控制。通訊模塊從網上獲得炮號數據，作為保存數據的識別標志，同時將實驗時的相關數據進行發布。 　　3.3 模塊及部分算法 　　為了對整個發射機工作狀態達到較為完善的監控，整個系統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、多通道數據圖像多道顯示和多通道數據單道顯示、消息機制，以下簡單介紹通道選擇算法和PID控制算法。該系統在Labview中實現，由于采用的是NI采集卡，可以在Measurement & Automation環境中可以按照要求任意設置虛擬通道，便于通道選擇算法的實現，在Labview編程中，采用NI的可視化控件，同時采用其Ni-Daq控件，使數據的采集也變得尤為方便，并可同時進行一定的分析和顯示。采用Labview軟件對發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個通道進行設置，在采集過程中，要求可以任意更改通道，即隨意切換通道數，并顯示其通道采集值，同時不影響其他進程，并將各個通道是否被選以指示燈方式顯示。基本流程如圖3所示,通道的選取以數組方式傳遞給采集函數，首先設定輸入通道，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，將所設置布爾值順序輸入一個布爾數組，然后對數組進行“或”操作，如果為真則繼續，否則繼續等待輸入通道，這個目的是為了確保至少有一個通道打開時才可以進行采集。然后對此數組進行檢索和追加字符串操作，形成以下字符串數組，即如果選擇了第一和第二通道，則通道數組為[通道0，通道1]等等。這個數組可以事先在 　　Measurement & Automation Explore中進行設定，Labview采集過程中就可以識別這個數組;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中的實現[/align] 　　只要采用一個布爾控件，判斷為真后形成一個全通道的字符串數組，即[通道0，通道1，通道2……通道15]，這個數組可以直接給采集函數調用。通過以上的過程，在采集過程中可 　　以靈活的設置通道號，并獨立于其他進程。圖4為Labview中實現的程序，I0、I1……I15為通道布爾控件的局部變量，通過for和case結構，實現了輸出采集通道數組，隨時在線更改通道的功能。 　　3.3.2 PID控制算法 　　為了對輸出波形進行設定控制，采用了PID控制算法，PID控制器運動方程為： [align=center] 圖5 PID輸出在Labview中的實現方式[/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，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。PID控制器在計算機上實現，采用增量算法，如下 　　增量算法在計算中不需要累加，增量輸出只與前幾次的采樣輸入有關，此算法是一個遞歸過程，實現過程較簡單。在此應用中采用了Labview的PID控件實現了以上算法，同時可以對PID控制器參數進行設置，實現方式如圖5所示。 4. 實際試驗結果及結論 　　本監控系統在最近一次實驗中，由于設置參數較合理、功能較為齊全，對發射機電參數的監控起到了重要的作用，圖6為測試過程中截取的界面。在實驗過程中，對異常現象的報警，為現場工作人員及時發現問題、解決問題提供了第一手資料，而且保存的數據為今后詳細分析和仿真發射機的工作原理提供了極其重要的優化實驗參數的依據。同時本文對在Labview下進行測試及自動化化應用方面有著很好的參考價值。 　　本文作者創新點在于，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發射機監控系統界面截圖[/align] 　　中無法動態更改通道的問題，對系統監控功能起到非常重要的作用;同時采用了PID控制算法，使反饋輸出的準確性明顯得到了改善，此外把聲音及視覺報警功能、故障及運行數據保存、通訊功能加以整合，為現場處理及使用提供了方便、快捷的手段;此外此方法為計算機進行反饋及定時控制多支路系統的應用奠定了良好基礎。 參考文獻： 　　1. 張玉興等編著，《射頻模擬電路》，電子工業出版社，2002年9月 　　2. 仲元昌編著，《電子管放大電路實踐》，福建科學技術出版社，2001。5 　　3. 電于管手冊/鄭國川，李洪英編著.福建科學技術出版社，2002.10 　　4. 朱士堯編著 ，《核聚變原理》，中國科學技術大學出版社，1992年6月 　　5. 雷振山編著，《Labview 7 Express實用技術教程》中國鐵道出版社，2004，3 　　6. 艾延廷，黃福幸,李杰..基于LabVIEW的虛擬信號分析儀軟件設計，微計算機信息，2005，5：175-176。