另一方面，在辉光放电平台中，等离子体瞬态现象（如粒子逃逸、磁场畸变、光谱辐射脉冲等）对多通道采集同步性也提出了严苛要求。特别是聚变装置运行时产生高频电磁脉冲（HPM）和瞬态磁场，可能导致传统电缆传输的触发信号失真，因此需采用光纤传输（如中光交换机方案）或差分信号隔离技术，确保同步信号的完整性。根据项目的实际需求，该系统需要同步采集电磁场（μs级动态范围）、光谱辐射（ns级脉冲）、粒子通量（kHz~MHz频段）等多维数据，同时具备跨频段、跨量纲的同步触发与时间戳对齐能力。上述的多通道同步性、跨量纲同步触发等高要求对普通场景下更为实用的数字示波器而言，确实太过困难，因此该平台也不适合采用数字示波器方案。

结合以上两个实验平台的要求，可以判断需采用多台数字化仪构建分布式采集阵列，并最终形成一套复杂而庞大的数据采集系统，具体理由参见表1。数字化仪采集阵列，顾名思义由多台数字化仪构成，适用于需要多通道高精度同步采集的环境，特别适用于核聚变、大型物理实验、阵列雷达、MIMO等需要多通道采集的应用场合。

表1 数字化仪采集阵列的优势可同时满足上述需求

最后还有一点，即普通台式仪器通常需额外配置GPS或IEEE1588同步模块才能达到μs级同步，普通PCIe等模块化仪器在配备性能良好的时钟同步板后才能达到ns级同步，而VPX架构采用背板级参考时钟分发系统则可实现ps级同步。由于该实验所需的采集通道数以万计，通道之间的同步问题非常严峻，因此必须选择基于VPX架构的方案。事实上，VPX架构本身就具备高性能、高可靠性和模块化的特点，所以在航空航天、国防等领域得以广泛应用。

由此可见，采用基于VPX架构的数字化仪采集阵列应该可以满足本项目严苛的技术指标要求，是应对该项目技术挑战的最优解决方案。

整个系统采用上架式机柜设计（参见图1），主要包含2台采集机箱（参见图2）、一台同步机箱（参见图3）、三台光纤交换机箱。光谱平台将光信号通过光电调制器转换为电信号接入采集机箱。考虑到等离子实验中常涉及动态、瞬态过程的观测，对信号采集观测同步性极高，同步机箱中的时钟板与触发板需设计后为整个系统提供统一的时钟源。后端采用光纤交换机将采集信号传递至后端主机设备，通过Web版上位机界面对多台设备进行统一观测部署。

图1. 上架式机柜实物图

图2. 基于VPX架构的采集机箱

图3. 同步机箱

系统中最核心的是采集部分，其中采集机箱按前文介绍需采用VPX架构，每个槽位均支持独立数字化仪，通过背板PCIe高速总线完成数据交互。本项目采用的每块数字化仪支持2通道1 GS/s、14ibt的同步采集，单个机箱最多可支持28通道的同步采集阵列。最后的系统连接效果可参考图4示意图，该图作为示范只给出了2个采集机箱共56通道。这里提到的数字化仪采用坤驰科技自主研发的国产产品，基于高性能FPGA芯片架构，最多具备8通道高速数据采集功能，而且支持独立配置使用，支持定制化算法开发。

图4. 系统硬件架构示意图（仅示范56通道）

高精度同步采集：为保证多通道高精度同步采集，如前文所述，需在硬件层面采用外部时钟板为整套系统提供统一时钟源，并采用外部触发板为整个系统采集提供统一触发源，最终保证采集的同步精度。再通过软件层面对数字域信号进行相位对齐校准，完善硬件层由芯片自身特性带来的确定性延迟，最终实现该多通道高精度采集阵列的时间同步<200ps。

创新技术架构：坤驰科技提供完整的软硬件协同解决方案（如图5所示），不仅能够显著降低客户的二次开发成本，而且具有以下创新优势：

①软件采用Web界面设计（如图6所示），可用性、安全性及可扩展性更高；

②大数据存储处理技术可轻松应对高速采集的海量数据；

③大量采用开源技术和代码，不会受制于外部制裁和干扰；

④云原生架构的容器化部署、微服务化设计和自动化运维等技术可做到更快交付；

⑤用户终端免部署，采用浏览器即可对系统状态、采集任务、采集数据等信息进行管理查看，方便易用。

图5. 解决方案的系统示意图

图6. Web应用开发的软件界面

应用展示：图7、图8分别为大型磁化靶平台实际应用场景分析与辉光放电平台实际应用场景分析，数据采集控制端对全程关键节点进行测量观测，通过诊断探测系统将数据传输至数字化仪采集阵列。

图7. 大型磁化靶平台实际应用场景框图

图8.辉光放电平台实际应用场景框图

结论

综上所述，坤驰科技提供的数字化仪采集阵列系统，凭借其高采样率、精密时间同步、可扩展的架构设计，成功解决了大型物理实验中普遍存在的高频瞬态信号采集遗漏、多维度数据关联不足、实时处理存在瓶颈等核心痛点问题。

相较于电子信息制造业中传统的台式仪器，坤驰科技的数字化仪采集阵列在以下方面展现出显著的技术优势：

? 高采样率：系统具备高采样率，能够精确捕捉ns级的高速瞬态信号，有效避免信号遗漏。

? 精密时间同步：采用先进的同步技术，实现多通道间ps级的时间同步，确保多维度数据的时间一致性。

? 可扩展性：模块化仪器先天优势就能确保系统可根据实验需求灵活扩展通道数量和功能，为未来实验的升级和扩展提供了便利。

? 实时处理能力：强大的实时数据处理能力，能够对采集到的海量数据进行实时分析和处理，有效解决传统仪器在实时处理方面的瓶颈问题。

? 成本优势：充分发挥数字化仪专业用于多通道同步采集的优势，无需采购多台数字示波器，从而显著降低设备的采购成本和维护成本。