另一方面,，在輝光放電平臺中,，等離子體瞬態(tài)現(xiàn)象（如粒子逃逸、磁場畸變,、光譜輻射脈沖等）對多通道采集同步性也提出了嚴苛要求,。特別是聚變裝置運行時產(chǎn)生高頻電磁脈沖（HPM）和瞬態(tài)磁場,，可能導致傳統(tǒng)電纜傳輸?shù)挠|發(fā)信號失真，因此需采用光纖傳輸（如中光交換機方案）或差分信號隔離技術,，確保同步信號的完整性,。根據(jù)項目的實際需求，該系統(tǒng)需要同步采集電磁場（μs級動態(tài)范圍）,、光譜輻射（ns級脈沖）,、粒子通量（kHz~MHz頻段）等多維數(shù)據(jù)，同時具備跨頻段,、跨量綱的同步觸發(fā)與時間戳對齊能力,。上述的多通道同步性、跨量綱同步觸發(fā)等高要求對普通場景下更為實用的數(shù)字示波器而言,，確實太過困難,，因此該平臺也不適合采用數(shù)字示波器方案。

結(jié)合以上兩個實驗平臺的要求,，可以判斷需采用多臺數(shù)字化儀構(gòu)建分布式采集陣列,，并最終形成一套復雜而龐大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具體理由參見表1,。數(shù)字化儀采集陣列,，顧名思義由多臺數(shù)字化儀構(gòu)成，適用于需要多通道高精度同步采集的環(huán)境,，特別適用于核聚變,、大型物理實驗、陣列雷達,、MIMO等需要多通道采集的應用場合,。

表1 數(shù)字化儀采集陣列的優(yōu)勢可同時滿足上述需求

最后還有一點，即普通臺式儀器通常需額外配置GPS或IEEE1588同步模塊才能達到μs級同步,，普通PCIe等模塊化儀器在配備性能良好的時鐘同步板后才能達到ns級同步,，而VPX架構(gòu)采用背板級參考時鐘分發(fā)系統(tǒng)則可實現(xiàn)ps級同步。由于該實驗所需的采集通道數(shù)以萬計,，通道之間的同步問題非常嚴峻，因此必須選擇基于VPX架構(gòu)的方案,。事實上,，VPX架構(gòu)本身就具備高性能、高可靠性和模塊化的特點,，所以在航空航天,、國防等領域得以廣泛應用。

由此可見,，采用基于VPX架構(gòu)的數(shù)字化儀采集陣列應該可以滿足本項目嚴苛的技術指標要求,，是應對該項目技術挑戰(zhàn)的最優(yōu)解決方案。

整個系統(tǒng)采用上架式機柜設計（參見圖1），主要包含2臺采集機箱（參見圖2）,、一臺同步機箱（參見圖3）,、三臺光纖交換機箱。光譜平臺將光信號通過光電調(diào)制器轉(zhuǎn)換為電信號接入采集機箱,?？紤]到等離子實驗中常涉及動態(tài)、瞬態(tài)過程的觀測,，對信號采集觀測同步性極高,，同步機箱中的時鐘板與觸發(fā)板需設計后為整個系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時鐘源。后端采用光纖交換機將采集信號傳遞至后端主機設備,，通過Web版上位機界面對多臺設備進行統(tǒng)一觀測部署,。

圖1. 上架式機柜實物圖

圖2. 基于VPX架構(gòu)的采集機箱

圖3. 同步機箱

系統(tǒng)中最核心的是采集部分，其中采集機箱按前文介紹需采用VPX架構(gòu),，每個槽位均支持獨立數(shù)字化儀,，通過背板PCIe高速總線完成數(shù)據(jù)交互。本項目采用的每塊數(shù)字化儀支持2通道1 GS/s,、14ibt的同步采集,，單個機箱最多可支持28通道的同步采集陣列。最后的系統(tǒng)連接效果可參考圖4示意圖,，該圖作為示范只給出了2個采集機箱共56通道,。這里提到的數(shù)字化儀采用坤馳科技自主研發(fā)的國產(chǎn)產(chǎn)品，基于高性能FPGA芯片架構(gòu),，最多具備8通道高速數(shù)據(jù)采集功能,，而且支持獨立配置使用，支持定制化算法開發(fā),。

圖4. 系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意圖（僅示范56通道）

高精度同步采集：為保證多通道高精度同步采集,，如前文所述，需在硬件層面采用外部時鐘板為整套系統(tǒng)提供統(tǒng)一時鐘源,，并采用外部觸發(fā)板為整個系統(tǒng)采集提供統(tǒng)一觸發(fā)源,，最終保證采集的同步精度。再通過軟件層面對數(shù)字域信號進行相位對齊校準,，完善硬件層由芯片自身特性帶來的確定性延遲,，最終實現(xiàn)該多通道高精度采集陣列的時間同步<200ps。

創(chuàng)新技術架構(gòu)：坤馳科技提供完整的軟硬件協(xié)同解決方案（如圖5所示）,，不僅能夠顯著降低客戶的二次開發(fā)成本,，而且具有以下創(chuàng)新優(yōu)勢：

①軟件采用Web界面設計（如圖6所示），可用性,、安全性及可擴展性更高,；

②大數(shù)據(jù)存儲處理技術可輕松應對高速采集的海量數(shù)據(jù),；

③大量采用開源技術和代碼，不會受制于外部制裁和干擾,；

④云原生架構(gòu)的容器化部署,、微服務化設計和自動化運維等技術可做到更快交付；

⑤用戶終端免部署,，采用瀏覽器即可對系統(tǒng)狀態(tài),、采集任務、采集數(shù)據(jù)等信息進行管理查看,，方便易用,。

圖5. 解決方案的系統(tǒng)示意圖

圖6. Web應用開發(fā)的軟件界面

應用展示：圖7、圖8分別為大型磁化靶平臺實際應用場景分析與輝光放電平臺實際應用場景分析,，數(shù)據(jù)采集控制端對全程關鍵節(jié)點進行測量觀測,，通過診斷探測系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)字化儀采集陣列。

圖7. 大型磁化靶平臺實際應用場景框圖

圖8.輝光放電平臺實際應用場景框圖

結(jié)論

綜上所述,，坤馳科技提供的數(shù)字化儀采集陣列系統(tǒng),，憑借其高采樣率、精密時間同步,、可擴展的架構(gòu)設計,，成功解決了大型物理實驗中普遍存在的高頻瞬態(tài)信號采集遺漏、多維度數(shù)據(jù)關聯(lián)不足,、實時處理存在瓶頸等核心痛點問題,。

相較于電子信息制造業(yè)中傳統(tǒng)的臺式儀器，坤馳科技的數(shù)字化儀采集陣列在以下方面展現(xiàn)出顯著的技術優(yōu)勢：

? 高采樣率：系統(tǒng)具備高采樣率,，能夠精確捕捉ns級的高速瞬態(tài)信號,，有效避免信號遺漏。

? 精密時間同步：采用先進的同步技術,，實現(xiàn)多通道間ps級的時間同步,，確保多維度數(shù)據(jù)的時間一致性。

? 可擴展性：模塊化儀器先天優(yōu)勢就能確保系統(tǒng)可根據(jù)實驗需求靈活擴展通道數(shù)量和功能,，為未來實驗的升級和擴展提供了便利,。

? 實時處理能力：強大的實時數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)Σ杉降暮Ａ繑?shù)據(jù)進行實時分析和處理,，有效解決傳統(tǒng)儀器在實時處理方面的瓶頸問題,。

? 成本優(yōu)勢：充分發(fā)揮數(shù)字化儀專業(yè)用于多通道同步采集的優(yōu)勢，無需采購多臺數(shù)字示波器,，從而顯著降低設備的采購成本和維護成本。