CPLD在高頻發(fā)射機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

文良華，張桐，王賢武

(1.宜賓學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，四川宜賓644007；2.中國科學(xué)院近代物理研究所，甘肅蘭州730000)

CPLD在高頻發(fā)射機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

文良華1,2，張桐1，王賢武2

(1.宜賓學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，四川宜賓644007；2.中國科學(xué)院近代物理研究所，甘肅蘭州730000)

介紹一種基于CPLD的同步加速器高頻發(fā)射機本地控制系統(tǒng).高頻發(fā)射機工作頻率為0.5MHz至4.2MHz，工作模式為變諧波同步觸發(fā)；本地控制系統(tǒng)采用了ALTERA公司的新一代內(nèi)嵌FLASH存儲器的MAXII系列CPLD芯片，結(jié)合抗干擾硬件設(shè)計，實現(xiàn)了發(fā)射機的自動開關(guān)機流程和連鎖保護(hù).該系統(tǒng)可靠地保護(hù)了發(fā)射機TH571B大功率電子管的正常工作，具有功耗低、穩(wěn)定可靠的特點，并在加速器高頻系統(tǒng)運行中取得了良好的效果.

高頻系統(tǒng)；發(fā)射機；本地控制；連鎖保護(hù)；CPLD

在同步環(huán)型加速器中，高頻系統(tǒng)的運行嚴(yán)格按照加速器觸發(fā)模式工作.高頻發(fā)射機的工作頻率、電壓幅值和相位都需按照加速文件提供的波形進(jìn)行加載和運行.當(dāng)加速變諧波調(diào)諧文件中的頻率變化較大時，由于發(fā)射機頻率調(diào)諧機構(gòu)的滯后性，大功率電子管TH571B會出現(xiàn)較大的陽極電流[1].因此穩(wěn)定可靠的發(fā)射機控制系統(tǒng)，對保護(hù)大功率電子管安全穩(wěn)定工作至關(guān)重要.本文介紹一種基于復(fù)雜可編程器件(CPLD)的發(fā)射機控制系統(tǒng).

1 發(fā)射機結(jié)構(gòu)

發(fā)射機主要由大功率電子管TH571B構(gòu)成，包括電源、高頻功放、控制、冷卻和頻率調(diào)諧系統(tǒng)，如圖1所示.高頻功放采用高頻1 000W前級寬頻帶放大器、級聯(lián)大功率電子管TH571B構(gòu)成的共柵極推挽放大結(jié)構(gòu)[2-3].發(fā)射機的輸出負(fù)載為加速器高頻腔體，其高頻功放主鏈路如圖2所示.

圖1 高頻發(fā)射機主要結(jié)構(gòu)Fig.1 The schematic diagram ofRF transmitter

TH571B是四電極真空陶瓷大功率電子管，其工作時，磁懸浮各電極電壓電流參數(shù)、靜態(tài)工作點、高頻放大形式都有嚴(yán)格的工程要求.該發(fā)射機的峰值功率達(dá)70 kW，高頻放大鏈路中有大量的熱產(chǎn)生，所以系統(tǒng)采取了水冷和風(fēng)冷相結(jié)合的冷卻系統(tǒng).為完成該發(fā)射機的多個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，保證TH571B安全與穩(wěn)定，設(shè)計了一種基于CPLD的高頻發(fā)射機本地控制系統(tǒng).系統(tǒng)的功能主要分為連鎖保護(hù)和工作流程控制兩部分：連鎖保護(hù)主要實現(xiàn)發(fā)射機某些參數(shù)溢出時，關(guān)斷高頻放大鏈路和TH571B的相應(yīng)電源；流程控制主要實現(xiàn)發(fā)射機自動開關(guān)機的順序控制.

圖2 高頻功放結(jié)構(gòu)Fig.2 The power link ofRF transmitter

2 硬件設(shè)計

由于加速器高頻發(fā)射機工作在強磁場、高壓交直流的復(fù)雜電磁環(huán)境中[4-5].長期穩(wěn)定可靠工作是控制系統(tǒng)設(shè)計的首要問題.除采取常規(guī)電磁屏蔽，I/O接口的光電隔離技術(shù)外；系統(tǒng)還采用了ALTERA公司內(nèi)嵌FLASH存儲器MAXII新型EPM570CPLD為控制器，減少了一般可編程器件上電時需從外部存儲器加載程序，增加不穩(wěn)定的風(fēng)險.此外結(jié)合帶有施密特觸發(fā)器的邏輯器件實現(xiàn)邏輯信號的整形，最大限度提高系統(tǒng)抗干擾能力.

EPM570是基于0.18μm的6層金屬工藝內(nèi)嵌非易失性存儲器的新一代CPLD.片內(nèi)具有570個可編程邏輯單元(LEs)，8 KB用戶存儲器(UFM)，160個用戶I/O.支持3.3 V、1.8 V、1.5 V多電壓工作系統(tǒng)，并且I/O內(nèi)嵌可編程施密特觸發(fā)器；具有增強型在線可編程能力(ISP)[6-7].結(jié)合現(xiàn)場控制特性和EPM570的特點，設(shè)計了結(jié)構(gòu)如圖3所示的控制核心板.

為提高系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計，核心板采用了雙層施密特觸發(fā)器冗余結(jié)構(gòu)，即EPM570CPLD可編程施密特器和接口電路芯片附帶的施密特觸發(fā)器.并在元件布局和走線上充分考慮EMC問題，其元件布局如圖4所示.

控制系統(tǒng)核心板主要分為系統(tǒng)電源、輸入接口(包括本地輸入、計算機輸出的遙控輸入、本地連鎖)，輸出接口(本地LED輸出、計算機遠(yuǎn)程監(jiān)控輸出、動作繼電器輸出)，接口緩沖和冗余電路，JTAG單元和定時延時單元幾部分.

圖3 控制系統(tǒng)核心板結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The schematic ofkey board

圖4 控制系統(tǒng)核心板器件布局圖Fig.4 The layoutofkey board

3 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要遵循發(fā)射機的開關(guān)機流程和工作模式，分為連鎖保護(hù)模塊、自動開關(guān)機模塊，兩大流程(工作模式、測試準(zhǔn)備).發(fā)射機的開機流程主要分為工作和測試準(zhǔn)備，同時又具有手動和計算機遠(yuǎn)程自動模式.測試準(zhǔn)備模式為：發(fā)射機準(zhǔn)備模式啟動→門連鎖→合風(fēng)冷繼電器→風(fēng)冷正常檢測→合燈絲電源一檔→延時→合燈絲電源二檔→燈絲全壓檢測→合偏壓電源→延時→偏壓全壓檢測→發(fā)射準(zhǔn)備模式完成.在測試準(zhǔn)備模式下，電子管TH571B的高壓電源和簾柵極電源未加到電子管上，已備發(fā)射機測試和檢修電子管的狀態(tài)，高頻封閉未解除，放大鏈路上沒有高頻信號.

當(dāng)發(fā)射機工作模式時，其開機流程為：發(fā)射機工作模式啟動→門連鎖→合風(fēng)冷繼電器→風(fēng)冷正常檢測→合燈絲電源一檔→延時→合燈絲電源二檔→燈絲全壓檢測→合偏壓電源→延時→偏壓全壓檢測→合高壓一檔電源→延時→合高壓二檔電源→高壓全壓檢測→合簾柵電源→延時→簾柵全壓檢測→解除高頻封閉.發(fā)射機等待外部觸發(fā)信號、計算機加速電壓幅值、頻率、調(diào)諧信號，一旦外部信號到來，發(fā)射機按照加速文件提供的電壓、頻率、調(diào)諧信號完成一次高頻功率放大和加速.

圖5 發(fā)射機測試模式開機流程圖Fig.5 The flowcharts of testmode

圖6 發(fā)射機工作模式開機流程圖Fig.6 The flowchartsof workmode

不管哪種工作模式，流程中的每一步都需在其前面的步驟和條件滿足時，才能完成相應(yīng)的動作.如果工作過程中出現(xiàn)了過流、欠壓、過壓或故障，需要切斷相應(yīng)的電源和高頻封閉，以確保發(fā)射機的連鎖保護(hù).當(dāng)關(guān)機執(zhí)行時，按照流程逆序和延時執(zhí)行相應(yīng)的動作.當(dāng)然亦可以在連鎖保護(hù)前提條件滿足時，手動完成相應(yīng)的開關(guān)機動作.相應(yīng)流程如圖5、6所示.

4 功能仿真與測試

在實驗室環(huán)境下，對系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了仿真和測試.在Qartus II軟件中利用信號的強制賦值，模擬工作流程中的開關(guān)量、狀態(tài)量和故障信號；系統(tǒng)軟件設(shè)計能正常完成流程的動作和連鎖保護(hù)，其仿真結(jié)果如圖7所示.仿真完成后，下載程序到核心控制板中，并對其進(jìn)行了離線硬件測試，經(jīng)現(xiàn)場測試，本地發(fā)射機控制系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠的工作.

圖7 系統(tǒng)軟件仿真結(jié)果Fig.7 The resultofsimulation in Quartus II

5 結(jié)語

本文介紹的加速器高頻發(fā)射機本地控制系統(tǒng)已投入現(xiàn)場使用，在硬件設(shè)計上充分考慮了其工作環(huán)境的EMC問題，除采用常規(guī)的光電隔離和電磁屏蔽外，還利用雙冗余的施密特觸發(fā)器設(shè)計來提高系統(tǒng)的抗干擾能力.在軟件設(shè)計上，也采用了連鎖自保冗余設(shè)計，用以消除系統(tǒng)的誤動作.該高頻發(fā)射機本地控制系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計了自動開關(guān)機、連鎖保護(hù)、兩種工作流程等功能，具有工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強等特點，得到了較為廣泛的應(yīng)用.

[1]許哲,王春曉,段亞娟,等.冷卻存儲實驗環(huán)功率源的設(shè)計與計算[J].強激光與粒子束,2009(3):444-446.

[2]王賢武.基于PLC的加速器高頻D電路頻率自動調(diào)諧系統(tǒng)[J].微計算機信息,2003(12):102-104.

[3]叢巖,魏寶文,許哲,等.蘭州冷卻儲存實驗環(huán)高可靠性低電平控制系統(tǒng)[J].強激光與粒子束,2010(11):2699-2702.

[4]汪麗群,周翟和,沈超,等.磁致伸縮位移傳感器中CPLD與單片機通信設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2013(11):71-75.

[5]王穎,姚躍飛.基于CPLD擴展的嵌入式織機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報,2007(2):139-142.

[6]文良華,肖尚輝,王賢武,等.數(shù)字低電平系統(tǒng)時鐘抖動分析與測試[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2013(12)：1456-1459.

[7]林海川,趙京周,郭芳,等.基于CPCI的LLRF控制板的設(shè)計研究[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2013(2):141-144.

【編校：王露】

App lication of CPLD in LocalControl System Design of HFTransm itter

WEN Lianghua1,2,ZHANGTong1,WANGXianwu2
(1.School ofPhysics and Electronic Engineering,Yibin University,Yibin,Sichuan 644007,China;2.Institute ofModern Physics,Chinese Academy ofSciences,Lanzhou,Gansu 730000,China)

A local control system ofhigh frequency transmitter of synchronous acceleratorwhose transmitter operating frequency ranged from 0.5 MHz to 4.2 MHz was designed.The new low power cost Complex Programmable Logic Device (CPLD)embedded with flashmemorywas adopted in this local control system.This control system is successfully implemented in thework flow and interlock ofhigh frequency transmitter,which guarantees high power vacuum tube TH 571B towork reliably and stably.The local controlsystem iseffectively applied in acceleratorhigh frequency system.

high frequency;transmitter;local control;interlock;CPLD

TN838

A

1671-5365(2014)12-0050-03

2014-05-23修回：2014-06-24

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項資助(XDA01020304)

文良華（1980-），男，工程師，工學(xué)碩士，研究方向為加速器高頻低電平相關(guān)技術(shù)

時間：2014-06-27 15:55

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20140627.1555.004.htm l