畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯--用于噴氣機的大小型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1、<p>　　南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯</p><p>　　系： 電子工程與光電技術(shù) </p><p>　　專 業(yè)： 電子信息工程 </p><p>　　姓 名：

2、 </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　外文出處：Large and small data acquisition systems. Fusion Engineering and Design, 1999(43): 363-369 . </p><p>　　附 件： 1

3、.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 </p><p>　　注：請將該封面與附件裝訂成冊。</p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　用于噴氣機的大小型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　大型和小型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在大部分物理實驗中得到

4、應(yīng)用，比如噴氣機。這篇論文描述了集中采集和觸發(fā)系統(tǒng)（CATS），它在診斷學(xué)方面提供了同步的高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)，同時也介紹了基于商業(yè)電腦采集技術(shù)軟件和硬件的許多更小型的噴氣機基礎(chǔ)設(shè)施的集成。相對于嵌入式總線系統(tǒng)來說，這種計算機系統(tǒng)成本更低，程序調(diào)試時間更短。1999噴氣機聯(lián)合企業(yè)。由Elsevier Science出版，版權(quán)所有。</p><p>　　關(guān)鍵字：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；集中采集和觸發(fā)系統(tǒng)；嵌入式總線系統(tǒng)</

5、p><p><b>　　引言</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常由總線技術(shù)建立而來，比如計算機輔助測量與控制或VME，這基本上通過嵌入式處理器和工業(yè)模塊實現(xiàn)。這些東西通過總線接口或網(wǎng)絡(luò)集成到中央計算機系統(tǒng)中。這篇論文描述了應(yīng)用在噴氣機上的兩種不同的創(chuàng)新的數(shù)據(jù)采集方法。</p><p>　　第一種方法是集中采集和觸發(fā)系統(tǒng)（CATS）。這種系

6、統(tǒng)在近三年內(nèi)得以發(fā)展，如今能夠為大量的先進的采集數(shù)據(jù)提供實時的數(shù)據(jù)選擇和分析。并行處理技術(shù)的應(yīng)用使得寬脈沖的智能觸發(fā)采集系統(tǒng)得以發(fā)展，比如ITER,它有很多的數(shù)據(jù)發(fā)生通道，使得連續(xù)或者在預(yù)定時間窗口內(nèi)記錄數(shù)據(jù)是不可能的。</p><p>　　第二種方法是基于DOS 或Windows操作系統(tǒng)的標準計算機硬件，它越來越廣泛的應(yīng)用在噴氣機中，且成本比較低，通過使用商業(yè)硬件或軟件，這種方法程序調(diào)試時間短，也更容易維護。一

7、個簡單的、標準的基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)可以被應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集中，它允許數(shù)據(jù)從這些系統(tǒng)到中央數(shù)據(jù)倉庫中。</p><p>　　2. 中央采集和觸發(fā)系統(tǒng)</p><p>　　在磁流體動力學(xué)和其他等離子體現(xiàn)象的研究中，經(jīng)驗表明：為數(shù)據(jù)采集設(shè)置固定的時間窗口是不可能的。在單脈沖期間隨機發(fā)生的快速事件以及記錄這個事件需要實時的觸發(fā)技術(shù)。</p><p>　　所有快速診斷學(xué)的數(shù)據(jù)采集還必須

8、緊緊地耦合在一起，因為僅僅分配觸發(fā)器是不能保證數(shù)據(jù)的同步取樣和采集。這種不同步將導(dǎo)致任一事件診斷學(xué)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)缺失，這在數(shù)據(jù)分析中已經(jīng)成為一個嚴重的障礙。</p><p>　　作為一個回應(yīng)，一個適用于所有快速診斷學(xué)的簡單的、大型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計好了，并已經(jīng)運行在噴氣機上。中央采集和觸發(fā)系統(tǒng)可以分成四部分，如圖一所示。第一步是信號處理電子學(xué)，負責采集模擬信號，產(chǎn)生數(shù)字信號。接下來數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收、保持和保存數(shù)

9、據(jù)，這是為了響應(yīng)第三部分觸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的事件。最后數(shù)據(jù)被存儲在高容量磁盤上，這由控制器在中央存檔。這個數(shù)據(jù)或者在中央檔案或者在這些光盤上，可以由Windows NT工作站檢查到。</p><p>　　中央采集和觸發(fā)系統(tǒng)伺服的診斷學(xué)的數(shù)量隨著時間增加，因此這個系統(tǒng)要被設(shè)計成模塊化并且易擴展。同時，因為很多診斷學(xué)的數(shù)據(jù)采集依賴于這個單一系統(tǒng)，所以必須保證其可靠性。這個系統(tǒng)必須在不影響其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的情況下處理硬件錯誤

10、。</p><p>　　圖1 中央采集和觸發(fā)系統(tǒng)總圖</p><p><b>　　2.1 信號處理</b></p><p>　　中央采集和觸發(fā)系統(tǒng)為多路通道提供一個標準的數(shù)據(jù)采集方法，多路通道來自不同的診斷學(xué)系統(tǒng)，有著不同的信號特點。因此信號處理電子學(xué)必須具有很大的靈活性。中央采集和觸發(fā)系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換器的卡的參數(shù)說明如下：</p>

11、<p><b>　　完全反混疊</b></p><p><b>　　16位分辨率</b></p><p><b>　　內(nèi)在噪聲<1比特</b></p><p>　　在單一和雙極性電流或電壓之間可配置</p><p>　　增益可通過軟件從1變化到10000<

12、;/p><p><b>　　可通過軟件控制失調(diào)</b></p><p>　　取樣頻率在250KHz到1MHz之間</p><p>　　在廣泛分布的系統(tǒng)中有高的時鐘一致性</p><p><b>　　通道間完全的光隔離</b></p><p><b>　　屏蔽電磁干涉&l

13、t;/b></p><p>　　相對于商業(yè)AD轉(zhuǎn)換器的卡成本高</p><p>　　來自一組AD轉(zhuǎn)換器的卡的數(shù)據(jù)打包通過一個光學(xué)TAXI鏈路被傳輸?shù)揭粋€遠程的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。</p><p><b>　　2.2 數(shù)據(jù)采集</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接受來自許多TAXI連續(xù)鏈路的數(shù)據(jù)，每路數(shù)據(jù)由單獨的數(shù)

14、據(jù)采集模塊并行處理。當預(yù)選的摘錄被傳送到觸發(fā)系統(tǒng)分析時，每個模塊將數(shù)據(jù)保存在一個200mS的靜態(tài)存儲器的環(huán)形緩沖器中（如圖2）。當觸發(fā)系統(tǒng)檢測事件時（見后面），所有的數(shù)據(jù)采集模塊將相關(guān)的數(shù)據(jù)記錄保存在長期的動態(tài)存儲器中。在脈沖終點上，數(shù)據(jù)被寫到磁盤上然后存檔到中央計算機系統(tǒng)中。</p><p>　　每個數(shù)據(jù)采集模塊由以下部分組成：帶有一個TAXI接收器的雙高度的歐羅卡，一個TMS320C40處理器和存儲器【3-5

15、】。這些處理器有六個并行鏈路，用以組成一個網(wǎng)絡(luò)。為了使得更多的信號被采集到，另一個模塊加到這個網(wǎng)絡(luò)中。當今已有大約35個數(shù)據(jù)采集模塊，接收超過500個通路的數(shù)據(jù)。所有的數(shù)據(jù)以超過250Mb/s的速度流進系統(tǒng)。</p><p>　　圖2 數(shù)據(jù)采集和觸發(fā)</p><p><b>　　2.3 觸發(fā)</b></p><p>　　有好幾種觸發(fā)模塊，每一個

16、模塊接收來自數(shù)據(jù)采集模塊的實時數(shù)據(jù)流的摘錄。在使用一些算法后，它們可以用來檢測一個播放到所有數(shù)據(jù)采集器上的事件。受到存儲器容量的限制存儲器可以存儲100ms的事件前數(shù)據(jù)，以及任意容量的事件后數(shù)據(jù)。</p><p>　　事實上，在一個脈沖期間，任何多個觸發(fā)事件都可以被檢測到。觸發(fā)算法用以檢測：</p><p>　　種子速率的極限水平(RDD and RDT)</p><p

17、>　　X-射線發(fā)射率的邊緣發(fā)射高峰</p><p>　　延伸登月艙（使用Ha）</p><p><b>　　鋸齒</b></p><p>　　至今為止，有12個觸發(fā)模塊可以使用，如果需要任何多的模塊都可以加入到處理網(wǎng)絡(luò)中。</p><p><b>　　2.4 系統(tǒng)控制</b></p>

18、;<p>　　C40并行處理器網(wǎng)絡(luò)運行HELIOS操作系統(tǒng)【6】，這個操作系統(tǒng)提供了導(dǎo)入大型處理器網(wǎng)絡(luò)的能力，這個網(wǎng)絡(luò)中單個模塊是不可利用的?，F(xiàn)在已經(jīng)有超過40個的處理器，因此單個處理器的錯誤頻率非常高，以便于處理出錯的或者附加的模塊。</p><p>　　中央采集和觸發(fā)系統(tǒng)由一個雙處理器的運行在windows NT服務(wù)器操作系統(tǒng)上的計算機控制。這為HELIOS提供了文件系統(tǒng)的通路，以及與中央計算機

19、的聯(lián)系，在脈沖序列期間接收脈沖的起點通知和系統(tǒng)進度任務(wù)。</p><p>　　數(shù)據(jù)被記錄在很多磁盤上，以便于在很多脈沖期間保存數(shù)據(jù)。當選定的射擊被寫到一個本地的Windows NT服務(wù)器上以便于為分析提供更快的通道時，這些數(shù)據(jù)在前夜被存檔到噴氣機 IBM主機電腦上。</p><p>　　總的來說，數(shù)據(jù)顯示和交互式的分析由使用計算機上的IDL【2】產(chǎn)品完成，這個計算機運行在Windows N

20、T工作站。</p><p>　　在每個脈沖期間這個系統(tǒng)自動地運行。然而，這個運行器可以（且最終必須）改變觸發(fā)器的參數(shù)以便于在不同試驗程序下的等離子體條件。</p><p><b>　　2.5 監(jiān)控</b></p><p>　　所有的中央采集和觸發(fā)系統(tǒng)都由Windows NT 工作站在噴氣機控制間內(nèi)監(jiān)控，包括采集軟件的輸出，已獲得的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，存檔

21、到IBM主機上的數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　2.6 結(jié)果</b></p><p>　　中央采集和觸發(fā)系統(tǒng)通常在每個脈沖期間從以下診斷學(xué)中記錄5到200Mb的相關(guān)數(shù)據(jù)：</p><p>　　柔和的X-射線（圖3）</p><p><b>　　磁</b></p><p>

22、　　電子回旋發(fā)射（ECE）</p><p>　　中子 (RDD, RDT).</p><p><b>　　反射器</b></p><p><b>　　Ha</b></p><p><b>　　拉繆爾探針</b></p><p>　　垂直穩(wěn)定性（柔和的X-

23、射線）</p><p>　　圖3 采樣柔和X-射線數(shù)據(jù)來顯示全球的MHD模式</p><p>　　通常這個數(shù)據(jù)在脈沖終點10分鐘內(nèi)是可以利用的，它前一夜就被存檔到中央IBM主機上。</p><p>　　中央采集和觸發(fā)系統(tǒng)已經(jīng)可以用來產(chǎn)生所有診斷學(xué)的一致的、同步的數(shù)據(jù)，這已經(jīng)廣泛使用在噴氣機上。觸發(fā)事件被記錄，在很大程度上增加了MHD和其他快速等離子體現(xiàn)象研究的可利用

24、數(shù)據(jù)。</p><p>　　在出現(xiàn)由處理器和存儲器產(chǎn)生的大量熱量的問題后，現(xiàn)在系統(tǒng)能可靠地運行。然而，一些通道的電子學(xué)位于圓環(huán)面并且受限于中子通量。這有時會導(dǎo)致這些通道的數(shù)據(jù)丟失，這可能是由所使用的高密度的FPGA的電荷堆積引起的【7】。</p><p>　　最近這個系統(tǒng)已經(jīng)允許小數(shù)量的通路在脈沖期間記錄數(shù)據(jù)。通過使用中央采集和觸發(fā)系統(tǒng)的一個信號，我們已經(jīng)能夠成功的保證等離子體的垂直穩(wěn)定性

25、【7】。</p><p><b>　　2.7 展望未來</b></p><p>　　從當今的操作經(jīng)驗來看，更先進的觸發(fā)器算法將被引進，它將會減少處理器手動調(diào)節(jié)參數(shù)的需要。比如說，等離子體參數(shù)和計時將自動地從中央控制系統(tǒng)中下載下來。</p><p>　　一個附加的二級觸發(fā)系統(tǒng)將用來對事件進行分類和排序，在不需要記錄所有相關(guān)的診斷學(xué)數(shù)據(jù)的情況下生成

26、等離子統(tǒng)計數(shù)據(jù)。</p><p>　　這個事件自動分類的功能使得用戶可以搜索事件，且不需要人工地查詢每個脈沖下的情況。</p><p>　　3. 小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)</p><p>　　很多商業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以利用，基于它們使用后機和嵌入式處理器類型的結(jié)構(gòu)，它們比傳統(tǒng)的設(shè)計更具優(yōu)勢。通常它們成本更低，更易使用，尤其是對軟件的依賴性更低。在噴氣機中應(yīng)用的這種系統(tǒng)使用多種

27、多樣的操作平臺：</p><p><b>　　MS-DOS</b></p><p>　　Windows 3.11</p><p>　　Windows 95</p><p>　　Windows NT 3.51 (Intel and Alpha)</p><p><b>　　OS/2<

28、/b></p><p>　　Acorn 計算機精簡指令</p><p>　　這些系統(tǒng)運行多種的軟件，主要有：</p><p>　　Jonathan Wright- MS-DOS,CCD光譜診斷</p><p>　　Princeton Instruments- Windows 3.1,CCD光譜診斷</p><p>

29、;　　National Instruments, Labview- Windows 95/ NT, 測輻射熱儀,集氣器</p><p>　　系統(tǒng)射頻擴展登月艙探測器視覺設(shè)備-CCD攝像機</p><p>　　計算機間的MS-DOS,多通道的瞬時錄制器，磁學(xué)（TAE）</p><p>　　DEC Alpha- Windows NT,實時分析(b and LI)<

30、/p><p><b>　　3.1 數(shù)據(jù)采集</b></p><p>　　噴氣機 中的所有數(shù)據(jù)通過中央UNIX系統(tǒng)采集，然后形成一個數(shù)據(jù)庫（噴氣機脈沖文件）被傳送到一個IBM主機上。</p><p>　　所以有必要將所有的小型系統(tǒng)綜合到這個配置中。然而要保持這些系統(tǒng)的低成本優(yōu)勢，任何一個綜合都必須簡單地被執(zhí)行。</p><p>

31、;　　通過基于VME的運行VXWorks的嵌入式處理器的以太網(wǎng)，我們可以通過TCP/IP信息庫采集數(shù)據(jù)。要在所有的平臺上保持這個信息庫是不切實際的，所以要選擇一個中間設(shè)備來解決這個問題（如圖4），這樣代理服務(wù)器可以處理這個TCP/IP信息,并且為客戶系統(tǒng)提供一個更簡單的接口。</p><p>　　圖4 PC數(shù)據(jù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　一個非常簡單的基于網(wǎng)絡(luò)文件共享的接口來為客戶服務(wù)。在

32、NetBEUI協(xié)議下，通過微軟網(wǎng)絡(luò)軟件（服務(wù)器信息塊或者SMB）來實現(xiàn)。在所有的平臺上運用這個接口都很簡單。選擇微軟網(wǎng)絡(luò)的原因是廣泛的客戶堆棧，小容量存儲器的要求和好的性能。</p><p>　　另外，選擇Windows NT作為中間層是因為，它有良好的網(wǎng)絡(luò)支持，硬件軟件成本低及其開發(fā)工具的可靠性。</p><p>　　客戶計算機通過一個開關(guān)式以太網(wǎng)與Windows NT 服務(wù)器交換信息。

33、每個個人計算機連接到一個單獨的服務(wù)器上（如圖5），提供一個私有的網(wǎng)絡(luò)文件區(qū)域。在這些區(qū)域內(nèi)，服務(wù)器通過創(chuàng)建標志文件與客戶機通訊（如圖6）。客戶定期地查找這些文件，當文件出現(xiàn)的時候客戶就開始采集數(shù)據(jù)。在脈沖終點處，客戶將數(shù)據(jù)寫到這個區(qū)域的子目錄中，然后創(chuàng)建一個標志文件以表明結(jié)束。其他的文件用來指出錯誤或者表示脈沖終點。</p><p>　　每個服務(wù)器使用的空間時限定的，用以防止診斷間的干涉。</p>

34、<p>　　圖5 客戶系統(tǒng)將一個私有的虛擬驅(qū)動連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上</p><p>　　圖6 協(xié)議下的簡單文件</p><p><b>　　3.2 數(shù)據(jù)存檔</b></p><p>　　在數(shù)據(jù)被寫到磁盤上后，服務(wù)器按照請求將它發(fā)送到中央UNIX控制計算機上，然后存檔到IBM主機上。在這里，數(shù)據(jù)被儲存在一個標準的數(shù)據(jù)庫里（噴氣機脈沖文件）

35、。</p><p>　　所有的噴氣機試驗數(shù)據(jù)都可在線獲得，通過使用層次存儲管理器（HSM）不頻繁地將使用過的文件傳輸?shù)酱艓稀?lt;/p><p><b>　　3.3系統(tǒng)監(jiān)控</b></p><p>　　客戶和服務(wù)器系統(tǒng)的狀況由一個中央計算機監(jiān)控，這個計算機使用簡單的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控協(xié)議（SNMP）.每個Windows NT服務(wù)器維持一個鏈接客戶的表格，這

36、個表格通常由網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器選中，入口用來更新仿制品，當機器不可利用的時候，它發(fā)出警報。另外，診斷學(xué)家能夠監(jiān)控服務(wù)器的動態(tài)狀態(tài)，這由一個運行在Windows NT工作站的顯示程序來實現(xiàn)。</p><p><b>　　3.4 結(jié)果</b></p><p>　　當前有45個活動的客戶計算機在數(shù)據(jù)網(wǎng)上，它主要來自四個主要的Windows NT 服務(wù)器。除此之外，大型的單個診斷系統(tǒng)

37、如中央采集和觸發(fā)系統(tǒng)，運行它們自己的服務(wù)器。這種數(shù)據(jù)采集的方法主要負責所有的前夜脈沖文件（LPF）和一半的主要噴氣機脈沖文件（JPF）。</p><p>　　在最近的運行期間，主服務(wù)器在運行時沒有停工期，以此說明了Windows NT的高可靠性。通?？蛻粲嬎銠C可以不出故障地運行好幾個星期。</p><p>　　遇到的最普遍的問題是由網(wǎng)絡(luò)造成的，或者是因為電纜損壞或者是因為硬件錯誤。因此，良

38、好的網(wǎng)絡(luò)診斷工具和警報一樣，對早期發(fā)現(xiàn)操作器的問題七至關(guān)重要的作用。一旦發(fā)現(xiàn)任何一個網(wǎng)絡(luò)問題被修正，客戶機器就被設(shè)置成自動地重新連接。</p><p>　　一旦有一個服務(wù)器出現(xiàn)錯誤，我們就有一個簡單的修正錯誤的程序，也就是說，其他任何一個服務(wù)器大約在5分鐘內(nèi)可以代替這個出錯的機器（同時還在執(zhí)行它本身的服務(wù)）。為了保證更高的可靠性，所有的服務(wù)器磁盤都被映出。事實上，當任一磁盤出錯的時候，這個服務(wù)器還是繼續(xù)在無損失地

39、運行直到被替換下去。</p><p><b>　　4. 討論</b></p><p>　　論文中討論的兩種系統(tǒng)都負責處理大量的試驗數(shù)據(jù)。過去在脈沖結(jié)束時，所有的診斷數(shù)據(jù)立即被采集，然而一些診斷系統(tǒng)（特別是中央采集和觸發(fā)系統(tǒng)）產(chǎn)生如此大量的數(shù)據(jù)以至于這不能行通，因為脈沖間的時間是有限的。同時這個數(shù)據(jù)以壓縮的形式存儲，這個壓縮需要主機CPU的時間用以噴氣機脈沖間的分析。因

40、此數(shù)據(jù)網(wǎng)服務(wù)器能夠存儲數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)被采集，這通常在晚上發(fā)生。</p><p>　　然而，用工作站的計算機直接讀取這個數(shù)據(jù)是可行的，這樣的話現(xiàn)場分析是行的通的。特別是，不是所有的脈沖都可以保存在中央采集和觸發(fā)系統(tǒng)中的——需要存儲所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，錯誤的脈沖在本地檢查后就會被刪除掉。</p><p>　　這兩個系統(tǒng)都證明了Windows NT系統(tǒng)是一個可靠地操作系統(tǒng)，適合于系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集