[发明专利]一种用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法

权利要求书

1.一种用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法，其特征在于：包括AD模块、FPGA模块，所述AD模块包括信号调理电路和采样电路，所述FPGA模块包括数据复用单元、ap-FFT单元、相位差计算单元和相位叠加单元。

2.权利要求1所述的用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1对整个系统模块进行初始化：配置AD模块、FPGA模块的相关参数和清空FPGA模块内部RAM的数据缓存；

S2数据的采集和转化：HCN发出的两路相同的载波信号分别通过等离子体和真空，经过等离子体的载波信号为探针光路信号，经过真空的载波信号为参考信号；探针光路信号经TGS转化为电信号D2，参考信号经TGS转化为电信号D1；信号调理电路将D1和D2转化为差分信号后送入AD模块，而AD模块由FPGA模块来控制采集和关闭；

S3等待采集信号的触发：当FPGA模块接收到开始触发信号1后，系统控制AD模块开始对D1和D2数据的采集；

S4数据的采集：FPGA模块读取AD模块转化D1和D2后输出的数字信号数据，FPGA模块以AD模块传来的n个数据为一个节点，输出对这个节点中的数据取平均后的数值；

S5数据的传送和复用：CNT为数据传送和数据复用的计数值，初始化为0；在FPGA采集工作中，S4步骤中每输出一个平均数值，则计数器CNT加1，CNT最大值为999，达到1000时，复位为0；CNT初始化为0，作为第一周期；CNT复位为0后，为下个周期；CNT达到一定值，操作不同的RAM进行开关和读取操作，CNT为250的倍数依次打开不同的RAM的缓存开关；

当CNT＝0时，双口RAM1打开缓存开关，进行数据存储；

当CNT＝250时，双口RAM2打开缓存开关，进行数据存储；

当CNT＝500时，双口RAM3打开缓存开关，进行数据存储；

当CNT＝750时，双口RAM4打开缓存开关，进行数据存储；

S6数据的取用和补充：在S5步骤中，当FPGA模块检测RAM存满1000个数据时，则取用RAM中的数据用ap-FFT单元进行相位计算；当数据取用结束后对RAM进行清空，即地址重新为0；在第一次周期中RAM1的数据地址为999，表明RAM1已经存满1000个数据，取用地址为0-999的数据；

S7数据结果中D1和D2的相位计算：D1和D2的相位运算过程分为四步进行：

1)等待RAM传送需要FFT计算的相位序列；

2)等待完成对序列补零至1024个数据；

3)序列的预处理；

4)序列经ap-FFT单元计算得相位；

ap-FFT中列出包含x(0)，且长度为N的序列如式1：

全相位预处理的结果X_ap为式2：

ap-FFT的预处理通过式(3)完成，输入数据为矩阵为A{1，1024}，转化操作为序数矩阵B{1024，512}；

即得式(4)：

全相位预处理结果序列X_ap经过FPGA模块的FFT的IP核计算出频谱图中各频率成分对应的实部和虚部数据，根据实部和虚部数据求其对应频率的幅值，遍历幅值，当幅值由升到将降，则说明此处有峰值频率，幅值为A，输出有效使能信号FEN，提示下个单元此处相位信号有效；幅值A如果大于设立的阈值，说明此处为有效频率，反之则说明此次转化数据中未存在有效的频率成份；针对存在有效频率的情况，通过反正切函数算得有效频率的相位；

S8相位差的计算：由S3-S7分别得到参考信号D1和探针信号D2的相位P1和P2，如果两者的有效使能信号FEN在同一时刻，则说明两者的有效频率相同，DP为相位差，通过DP＝P1-P2得出相位差数据；

S9数据结果中的相位差叠加：根据信号变化率τ和保持时间来判断信号发生正翻转、负翻转或者干扰，输出正确的相位差结果；采样的变化率τ如式5计算，DF为转化的相位差，DF_n-1为上次转化的相位差，t为采集的时长；

由于信号是离散的数字信号，取前四次连续的转化相位差结果进行判断，如式6：

S10检测是否接收到终止信号命令：当系统未检测到结束信号，表明未结束采集，系统循环S4-S10步骤，重新获取TGS传送的信号，当存储在各RAM中的数据再次满足取用条件后，取出序列送入ap-FFT单元进行相位计算，得到D1和D2的相位差结果；当FPGA接有总控的外部结束触发信号2，数据的采集测量结束，系统停止，关闭输入通道。