托卡馬克程控積分器系統(tǒng)的研制

吳一純，王靈芝，舒雙寶

(1.廈門大學(xué) 能源學(xué)院，福建 廈門 361102；2.閩南師范大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 漳州 363000；3.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

積分器是托卡馬克裝置放電實驗中的一種重要的信號調(diào)理儀器，主要用于電磁測量診斷，如等離子體電流和位移的測量等[1]。由于實際集成運算放大器并非理想器件，積分電容存在泄漏電阻，使得實際積分電路與理想狀況存在誤差[2]。積分漂移和積分輸出飽和是制約積分電路長時間工作的兩個重要因素[3]。積分漂移作為誤差信號會降低信號的測量精度，作為等離子體控制信號會給等離子體控制帶來誤差。積分漂移主要是由運算放大器的失調(diào)電壓和失調(diào)電流產(chǎn)生，而非線性誤差和泄漏的根源在于積分電容存在泄漏電阻。目前，模擬積分器仍是電磁診斷中實現(xiàn)積分功能的最佳方式，但由于單一運算放大器和積分電容組成的模擬積分器的誤差不能滿足長時間等離子體放電的測量要求，因此，積分器設(shè)計必須對積分誤差進(jìn)行補(bǔ)償[4-6]。

J-TEXT是一部中型的、具有鐵芯變壓器的托卡馬克裝置。為滿足其電磁診斷的需求，本文為其研制積分器系統(tǒng)。為提高積分器輸出信號的動態(tài)范圍，該積分器系統(tǒng)所有積分器通道均具有4種可選的積分時間常數(shù)。每種積分時間常數(shù)電路均具有獨立的調(diào)零電路，以保證在切換積分時間常數(shù)的情況下，積分器仍能獲得最佳的積分漂移特性。

1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

該積分器系統(tǒng)采用5U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱設(shè)計，由32路積分器通道組成。每路積分器通道具有4種積分時間常數(shù)：1、5、10和50 ms；積分器通道的輸出電壓范圍為-10～10 V；輸出噪聲≤5 mV；在4種積分時間常數(shù)條件下，100 s內(nèi)的積分輸出漂移均小于5 mV。由LED就地指示各通道的當(dāng)前積分時間常數(shù)以及積分器工作狀態(tài)；同時，基于TCP/IP的Socket網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)了系統(tǒng)控制、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)信息獲取以及控制器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

積分器系統(tǒng)的硬件組成包括8塊積分器板卡(每塊積分器板卡由4路積分器通道組成)、1塊控制器板卡、1塊線性電源板卡、8塊BNC接口板卡(每塊接口板卡有4路通道)及1塊機(jī)箱背板。

2.1 積分器板卡電路

如圖1所示，積分器板卡由±12 V低噪聲穩(wěn)壓電源單元、4路積分器通道單元(圖1中僅示出其中1路積分器通道，其余3路積分器通道結(jié)構(gòu)均相同)、CPLD指令解析單元、±2.5 V參考電源單元、繼電器驅(qū)動單元和LED指示單元等組成。

圖1 積分器板卡原理圖

每路積分器通道又由4個子單元電路構(gòu)成，包括可變積分時間常數(shù)積分器電路1、漂移調(diào)節(jié)電路2、有源濾波電路3和相位變換電路4。

可變積分時間常數(shù)積分器電路中，電磁診斷信號從VI端輸入，電容C1為積分電容，電阻R1～R4為積分電阻，繼電器觸點S1_1～S4_1用于選擇控制積分電阻R1～R4的導(dǎo)通狀態(tài)。R6為C1的泄放電阻，繼電器觸點S5用于控制積分器的充放電狀態(tài)。運算放大器A1與C1、R1/R2/R3/R4、平衡電阻R7及調(diào)零電路組成有源積分電路。在積分器調(diào)零電路中，繼電器觸點S1_2～S4_2用于程控選擇積分調(diào)零支路。4路積分調(diào)零支路分別通過繼電器觸點S1_2、S2_2、S3_2或S4_2，經(jīng)由限流電阻R5與運算放大器A1的反相輸入端相連，為積分器輸入端提供補(bǔ)償信號，抑制積分器的漂移。濾波電容C6可降低調(diào)零電路電位器可調(diào)端信號的噪聲。

在任意時刻，繼電器觸點S1_1～S4_1中僅有1個觸點是閉合的，S1_2～S4_2中也僅有1個觸點是閉合的，其余均斷開。S1_1和S1_2是雙刀雙擲繼電器S1的兩個常開觸點，S2、S3、S4及S6與此相同。如在任意時刻，S1_1和S1_2閉合，則其余觸點均斷開，即每種積分時間常數(shù)均對應(yīng)一路獨立的積分調(diào)零支路，確保各積分時間常數(shù)電路均有獨立的補(bǔ)償信號，從而保證積分時間常數(shù)切換后積分器仍可獲得穩(wěn)定的積分漂移特性。

±2.5 V參考電源單元為積分器調(diào)零電路提供參考電壓，退耦電容C4和C5為參考電壓提供濾波。由RC網(wǎng)絡(luò)和運算放大器A2構(gòu)建的有源濾波器對積分器輸出信號濾波，從而抑制高頻噪聲。此外，為便于輸出信號的相位選擇，在有源濾波器電路輸出端設(shè)置了相位變換電路，該電路由繼電器S6及反相放大器電路A3組成。VO為積分器單元電路的信號輸出端。

電源噪聲，運算放大器A1的輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流等，積分電容的泄漏電阻及積分電阻的精度均與積分器的性能有關(guān)。低噪聲線性穩(wěn)壓器TPS7A3001(-12 V，-200 mA)和TPS7A4901(+12 V，+150 mA)具有良好的噪聲特性和電源紋波抑制能力。運算放大器A1的性能是確保積分器品質(zhì)的關(guān)鍵，系統(tǒng)選用雙±15 V零漂移運算放大器LTC1151，其動態(tài)范圍可滿足積分器輸出電壓±10 V的要求，且在25 ℃條件下，其輸入失調(diào)電壓典型值為± 0.5 μV、輸入失調(diào)電流典型值為±20 pA、輸入偏置電流典型值為±15 pA、輸入失調(diào)電壓漂移典型值為±0.01 μV/℃。LTC1151的參數(shù)指標(biāo)高出OP07 1～2個數(shù)量級，適于作為低漂移積分器使用。此外，LTC1151積分電容選用苯乙烯(即CBB)電容，其絕緣電阻高、介質(zhì)損耗小且泄漏電流低；積分電阻選用精度0.1%的金屬膜電阻。

由于積分器板卡上使用了較多的繼電器，為了節(jié)約布板面積，電路中選用了小尺寸、雙刀雙擲、表面安裝型繼電器G6K-2F-Y。濾波器電路和相位變換電路中的運算放大器A2和A3則采用OP07精密運算放大器。

CPLD指令解析單元負(fù)責(zé)積分器板卡及積分器通道地址譯碼、指令解析、指令鎖存和積分器運行控制等。由EPM240T100型CPLD實現(xiàn)該單元功能，從而減少了布板面積和走線數(shù)量，并簡化了電路設(shè)計。CPLD的I/O端口通過ULN2003驅(qū)動單元對繼電器進(jìn)行驅(qū)動控制。此外，在積分器板卡上布置了LED指示單元，以便就地指示各積分器通道當(dāng)前的積分時間常數(shù)和運行狀態(tài)。

2.2 控制器板卡電路

控制器板卡以ARM Cortex-M3微控制器LM3S8962為核心，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信控制電路，通過以太網(wǎng)接收上位機(jī)控制程序的指令，實現(xiàn)積分器系統(tǒng)工作狀態(tài)控制、積分時間常數(shù)參數(shù)設(shè)置、積分器系統(tǒng)狀態(tài)信息獲取及控制器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置等功能。

LM3S8962是集成媒體訪問控制器(MAC)和網(wǎng)絡(luò)物理(PHY)接口的32位微控制器，遵循IEEE 802.3規(guī)范。與網(wǎng)絡(luò)變壓器(如HR601680)及RJ45接口連接后，即可實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，大幅簡化了以太網(wǎng)通信的硬件設(shè)計。

為簡化機(jī)箱背板設(shè)計，減少電路板走線的數(shù)量，將LM3S8962的輸出端口設(shè)置為4 mA驅(qū)動能力，并以SPI串行方式向8塊積分器板卡上的CPLD指令解析單元發(fā)送控制指令和參數(shù)。為了在系統(tǒng)關(guān)機(jī)斷電期間保存積分器的網(wǎng)絡(luò)和積分時間常數(shù)等參數(shù)，由EEPROM存儲器AT24C08作為非易失性存儲器保存上述參數(shù)。

系統(tǒng)提供了3種積分器控制方式：就地手動控制、遠(yuǎn)程觸發(fā)控制和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制。就地手動控制方式在積分器的現(xiàn)場調(diào)試階段使用，利用手動開關(guān)的閉合/斷開控制積分器的充電/放電。遠(yuǎn)程觸發(fā)控制方式在積分器的現(xiàn)場應(yīng)用階段使用，由托卡馬克的中央控制系統(tǒng)提供觸發(fā)/電平信號控制積分器的充電/放電。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制方式在積分器遠(yuǎn)程調(diào)試階段使用，由上位機(jī)控制程序向積分器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)指令，從而控制積分器的充電/放電?？刂破靼蹇ㄉ嫌?個就地積分器控制開關(guān)和1個BNC積分器遠(yuǎn)程控制端口。

2.3 其他板卡電路

1) 線性電源板卡

線性電源雖效率較低、較笨重，但穩(wěn)定度較高、輸出紋波電壓小、無高頻開關(guān)噪聲，適合積分器系統(tǒng)使用。系統(tǒng)采用三端穩(wěn)壓器LM7815、LM7915和LM1084-5.0V分別提供+15 V/0.3 A、-15 V/0.3 A和+5 V/3 A電源?！?5 V電源為積分器提供模擬電源，+5 V電源為繼電器驅(qū)動、控制器板卡及LED指示燈供電。

2) BNC接口板卡

積分器輸入和輸出通道經(jīng)由BNC接口板卡和機(jī)箱背板與積分器板卡連接，BNC接口板卡位于機(jī)箱背面以便信號線的統(tǒng)一布置。

3) 機(jī)箱背板

機(jī)箱背板為各積分器板卡、BNC接口板卡、控制器板卡和電源板卡提供物理接口，并布置各種電源、控制信號等PCB走線。機(jī)箱背板設(shè)計充分考慮了電磁兼容、散熱及機(jī)械強(qiáng)度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制器嵌入式軟件設(shè)計

基于LwIP(輕量級IP)協(xié)議棧，在LM3S8962控制器的嵌入式應(yīng)用程序中構(gòu)建了TCP/IP服務(wù)器端。應(yīng)用程序任務(wù)功能為：調(diào)用LwIP協(xié)議棧實現(xiàn)TCP/IP Socket通信；由TCP/IP Socket通信傳輸指令和參數(shù)；解析TCP/IP Socket通信指令并控制積分器；積分器參數(shù)設(shè)置；積分器運行狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)控制；3種積分器運行方式控制；控制各積分器通道的當(dāng)前積分時間常數(shù)和積分器工作狀態(tài)的LED就地指示。

嵌入式軟件在系統(tǒng)開機(jī)或重啟后，首先初始化系統(tǒng)并配置端口，從AT24C08存儲器中獲取各積分器通道的參數(shù)及TCP/IP服務(wù)器端的物理地址、IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)等參數(shù)。此后，由LwIP協(xié)議棧構(gòu)建TCP/IP服務(wù)器端，并啟動網(wǎng)絡(luò)偵聽，一旦接收到客戶端程序(即上位機(jī)控制程序)發(fā)送的指令，如網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置、積分時間常數(shù)設(shè)置和積分器控制等，則執(zhí)行相應(yīng)的指令動作。

3.2 上位機(jī)控制程序設(shè)計

在J-TEXT的現(xiàn)場使用中，僅由1臺安裝有上位機(jī)控制程序的計算機(jī)對積分器系統(tǒng)進(jìn)行控制管理。上位機(jī)控制程序的功能主要分為4部分：網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置、參數(shù)校驗與更新、積分器參數(shù)設(shè)置、積分器遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制?？刂瞥绦蚪缑嫒鐖D2所示。

圖2 控制程序界面

網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置功能可修改設(shè)置積分器系統(tǒng)控制器板卡的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(包括IP地址、子網(wǎng)掩碼地址、網(wǎng)關(guān)地址)等信息。參數(shù)校驗與更新功能有3個子功能：校驗上位機(jī)控制軟件數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)與控制器板卡非易失性存儲器中的參數(shù)是否一致；從上位機(jī)控制軟件數(shù)據(jù)庫向積分器系統(tǒng)批量更新設(shè)置參數(shù)；從當(dāng)前積分器系統(tǒng)向上位機(jī)控制軟件數(shù)據(jù)庫批量更新設(shè)置參數(shù)。積分器參數(shù)設(shè)置功能可設(shè)置積分器通道的積分時間常數(shù)(1、5、10或50 ms)和輸出信號的相位(正相或反相)。積分器遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制功能可控制指定積分器系統(tǒng)所有積分器通道的運行狀態(tài)(充電/放電)。

4 系統(tǒng)測試及J-TEXT現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)測試

各通道積分電容均選取1 μF，對應(yīng)4種積分時間常數(shù)(1、5、10和50 ms)的積分電阻分別為1、5、10和50 kΩ。由于積分漂移與積分電阻呈反比，對于一路積分時間常數(shù)確定的積分器通道，其積分漂移的量級也隨之確定，積分電阻的大小不會對積分漂移引起的誤差比例造成影響[5]。積分時間常數(shù)為1 ms的積分器，具有較其他3種積分時間常數(shù)小的積分電阻。所以，在其他條件不變的情況下，1 ms積分時間常數(shù)的積分器較其他3種積分時間常數(shù)的積分器具有更大的積分漂移。

在前端電磁探針無信號的情況下，兩路積分器通道(取1 ms的積分時間常數(shù))輸入端短路并積分100 s，力科混合信號示波器(LeCroy WaveSurfer 42MXs-B)測量獲得的積分漂移和噪聲特性如圖3所示。由圖3可看出，在10 ms的積分時間常數(shù)下，兩路積分器累計積分100 s的漂移小于5 mV，輸出噪聲≤5 mV。

圖3 10 ms 積分時間常數(shù)下的積分漂移和噪聲特性

4.2 J-TEXT現(xiàn)場應(yīng)用

J-TEXT托卡馬克矩形磁探針陣列共有26個探針，每個探針骨架上有測量切向和法向的線圈，共52路信號。正常放電情況下，選用1 ms積分時間常數(shù)的積分器還原得到的極向矩形磁探針陣列06號法向探針信號(圖4)。該積分器的積分時間常數(shù)RC=1 ms，積分器輸出Vout為：

現(xiàn)場信號質(zhì)量滿足J-TEXT的實驗要求。

5 結(jié)論

本文研制的積分器系統(tǒng)所有積分器通道均具有4種積分時間常數(shù)，網(wǎng)絡(luò)化和模塊化設(shè)計提高了系統(tǒng)的易用性和使用效率。經(jīng)實驗室和J-TEXT現(xiàn)場的充分測試表明：各積分器通道的輸出電壓范圍為-10～10 V；輸出噪聲≤5 mV；在4種積分時間常數(shù)下，積分器累計積分100 s的輸出漂移均小于5 mV。該積分器系統(tǒng)已投入J-TEXT托卡馬克實驗中，具有良好的穩(wěn)定性和運行效果。

圖4 J-TEXT探針信號

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