重離子加速器磁鐵電源控制系統(tǒng)研制

劉伍豐，喬衛(wèi)民，敬 嵐，郭玉輝，張世杰，陳天飛，劉楠嶓

（1.河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2.中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所，甘肅蘭州 730000）

重離子加速器磁鐵電源控制系統(tǒng)研制

劉伍豐1，喬衛(wèi)民2，敬 嵐2，郭玉輝2，張世杰1，陳天飛1，劉楠嶓1

（1.河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2.中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所，甘肅蘭州 730000）

重離子加速器通過(guò)一定周期的磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子進(jìn)行約束，磁鐵電源是產(chǎn)生所需磁場(chǎng)的關(guān)鍵部件，因此，要求磁鐵電源控制系統(tǒng)具備高效性、穩(wěn)定性、精確性。磁鐵電源需按加速器運(yùn)行周期進(jìn)行響應(yīng)運(yùn)行。重離子加速器磁鐵電源的時(shí)序必須嚴(yán)格按重離子加速器控制系統(tǒng)的控制時(shí)序進(jìn)行控制。本工作研制了重離子加速器磁鐵電源控制系統(tǒng)，通過(guò)磁鐵電源控制器與同步時(shí)鐘系統(tǒng)的通信進(jìn)行控制時(shí)序的運(yùn)行；通過(guò)與中央數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)通信獲取磁鐵電源控制器所需的全部數(shù)據(jù)（如同步事例數(shù)據(jù)、波形數(shù)據(jù)等）。同步時(shí)鐘信號(hào)一旦觸發(fā)，磁鐵電源控制器進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取并進(jìn)行插值運(yùn)算輸出至磁鐵電源進(jìn)行控制。重離子加速器磁鐵電源控制系統(tǒng)同步精度為1μs，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試控制器平臺(tái)紋波精度為100ppm，能滿足重離子加速器實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的要求。

重離子加速器；磁鐵電源；控制系統(tǒng)

磁鐵電源控制系統(tǒng)是重離子加速器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)。磁鐵電源控制系統(tǒng)通過(guò)控制磁鐵電流來(lái)控制磁場(chǎng)從而對(duì)粒子進(jìn)行約束，以達(dá)到加速器設(shè)計(jì)目標(biāo)。重離子加速器控制系統(tǒng)［1－9］有控制運(yùn)行周期，每個(gè)控制子系統(tǒng)均需嚴(yán)格按照控制周期進(jìn)行響應(yīng)運(yùn)行。磁鐵電源控制系統(tǒng)需符合重離子加速器控制系統(tǒng)的控制要求并滿足其控制時(shí)序。因此，重離子加速器磁鐵電源控制系統(tǒng)的研究工作在于磁鐵電源控制器的設(shè)計(jì)。磁鐵電源控制系統(tǒng)需預(yù)先進(jìn)行波形數(shù)據(jù)與同步事例數(shù)據(jù)的分發(fā)與存儲(chǔ)。同步事例數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于中央數(shù)據(jù)庫(kù)中，并直接存儲(chǔ)至磁鐵電源控制器的寄存器中；波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于中央數(shù)據(jù)庫(kù)與ARM控制器SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中，等待同步時(shí)鐘系統(tǒng)的同步觸發(fā)。當(dāng)同步事例觸發(fā)時(shí)磁鐵電源控制系統(tǒng)的DSP波形發(fā)生器產(chǎn)生所需的控制波形輸出，以完成這個(gè)控制周期的整個(gè)控制過(guò)程。本文將介紹重離子加速器磁鐵電源控制系統(tǒng)的研制工作。

1 總體設(shè)計(jì)

磁鐵電源控制系統(tǒng)作為重離子加速器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，其中的ARM控制器需與加速器總體控制系統(tǒng)的中央Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)以及前端服務(wù)器的前端Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。ARM控制器運(yùn)行嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite，通過(guò)中央數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle、前端數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite 3層數(shù)據(jù)庫(kù)同步更新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速更新。DSP波形發(fā)生器根據(jù)控制數(shù)據(jù)經(jīng)插值算法產(chǎn)生相應(yīng)的控制波形。ARM控制器通過(guò)HPI接口實(shí)現(xiàn)與DSP波形發(fā)生器的快速數(shù)據(jù)交互。磁鐵電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 前端ARM控制器

前端ARM控制器的主要功能是傳輸控制數(shù)據(jù)和負(fù)責(zé)磁鐵電源所需的控制波形等數(shù)據(jù)的傳輸以及電源狀態(tài)的采集存儲(chǔ)，并利用ARM控制器上的DataFlash空間，存儲(chǔ)需永久保存或反復(fù)使用的波形等數(shù)據(jù)，盡量減少與上層數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)交換，它還驅(qū)動(dòng)VME總線控制器，通過(guò)DSP提供的HPI接口管理訪問(wèn)和分配DSP的存儲(chǔ)空間，因此，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址對(duì)DSP是透明的。

圖1 磁鐵電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of magnet power supply control system

前端ARM控制器連接至重離子加速器控制系統(tǒng)的控制局域網(wǎng)，實(shí)際即連接至前端服務(wù)器與集群服務(wù)器，并通過(guò)VME背板與DSP波形發(fā)生器相連接，實(shí)現(xiàn)前端ARM控制器與DSP波形發(fā)生器的數(shù)據(jù)交互。

1.2 DSP波形發(fā)生器

DSP波形發(fā)生器根據(jù)從存儲(chǔ)空間中得到的當(dāng)前控制周期所需的波形數(shù)據(jù)，通過(guò)二次插值算法向FPGA輸出控制電源的波形數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換，間接控制磁鐵電源的輸出，從而產(chǎn)生約束束流所需的磁場(chǎng)，滿足加速器運(yùn)行的需要。同時(shí)通過(guò)波形發(fā)生器的AD模塊轉(zhuǎn)換，采集并返回磁鐵電源各時(shí)刻的狀態(tài)值，供調(diào)試人員查詢和檢測(cè)。

DSP波形發(fā)生器與前端ARM控制器通過(guò)VME背板總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，且DSP波形發(fā)生器與FPGA同步事例發(fā)生器以及FPGA計(jì)數(shù)板（深層重離子治癌主動(dòng)掃描中的掃描磁鐵）通過(guò)光纖連接，從而實(shí)現(xiàn)同步實(shí)時(shí)。DSP波形發(fā)生器接收FPGA同步事例發(fā)生器或FPGA計(jì)數(shù)板發(fā)出的事例信號(hào)或脈沖，從而進(jìn)行相應(yīng)工作。

2 數(shù)據(jù)交互

重離子加速器總體控制系統(tǒng)預(yù)先對(duì)磁鐵電源控制子系統(tǒng)進(jìn)行波形數(shù)據(jù)與同步事例數(shù)據(jù)的分發(fā)與存儲(chǔ)?？傮w控制系統(tǒng)將同步事例數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于中央數(shù)據(jù)庫(kù)中，并存儲(chǔ)于磁鐵電源控制器的寄存器中。波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于中央數(shù)據(jù)庫(kù)與ARM控制器中，DSP波形發(fā)生器等待同步時(shí)鐘系統(tǒng)的同步事例觸發(fā)。當(dāng)同步事例觸發(fā)時(shí)，磁鐵電源控制系統(tǒng)的DSP波形發(fā)生器產(chǎn)生所需的控制波形輸出，以完成控制周期的整個(gè)控制過(guò)程。

在蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)控制系統(tǒng)中，提出虛擬加速器的控制機(jī)制。從重離子加速器同步磁鐵電源控制系統(tǒng)中的波形數(shù)據(jù)切換機(jī)制來(lái)進(jìn)行闡述：當(dāng)控制系統(tǒng)事例控制界面將同步事例發(fā)生器事例數(shù)據(jù)存入其RAM空間并使其發(fā)出切換數(shù)據(jù)的同步事例（如C05A2001）時(shí)，DSP波形發(fā)生器對(duì)接收到的同步事例信息進(jìn)行接收與分析對(duì)比。FPGA判斷同步事例的功能碼位是否為切換波形數(shù)據(jù)。若是切換波形的同步事例，則DSP波形發(fā)生器中斷前端ARM控制器，前端ARM控制器隨后立即讀出要切換的數(shù)據(jù)波形號(hào)（前端ARM控制器保存了各波形數(shù)據(jù)在DSP內(nèi)存空間中的存儲(chǔ)地址和長(zhǎng)度），這時(shí)前端ARM控制器觸發(fā)DSP波形發(fā)生器并傳輸該波形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)首地址及長(zhǎng)度使DSP讀取波形數(shù)據(jù)，并通過(guò)插值算法進(jìn)行插值。當(dāng)?shù)?6～23位數(shù)據(jù)（功能碼位）不是從同步時(shí)鐘系統(tǒng)中的同步事例發(fā)生器上發(fā)出的同步事例信號(hào)（如C05A2001）時(shí)，DSP波形發(fā)生器收到該同步事例信號(hào)，打開DAC，并輸出上次已切換好的波形數(shù)據(jù)。磁鐵電源控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸如圖2所示。

圖2 磁鐵電源控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸Fig.2 Data transmission of magnet power supply control system

3 運(yùn)行測(cè)試

運(yùn)行測(cè)試磁鐵電源控制系統(tǒng)時(shí)需先錄入1個(gè)二進(jìn)制的波形文件數(shù)據(jù)。波形文件數(shù)據(jù)是在0～＋10V區(qū)間內(nèi)對(duì)電壓進(jìn)行16位轉(zhuǎn)換后的0～65 536的數(shù)據(jù)，每間隔64ms錄入1個(gè)數(shù)據(jù)（重離子加速器磁鐵電源控制系統(tǒng)波形數(shù)據(jù)格式）。該波形文件數(shù)據(jù)為1個(gè)梯形波形數(shù)據(jù)，平頂電壓為1V。測(cè)試的波形數(shù)據(jù)如圖3a所示，實(shí)際測(cè)得的控制電源波形如圖3b所示。

圖3 磁鐵電源控制系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test result of magnet power supply control system

4 小結(jié)

重離子加速器磁鐵電源控制系統(tǒng)同步精度為1μs，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試控制器平臺(tái)紋波的精度為100ppm，能滿足當(dāng)前重離子加速器核物理實(shí)驗(yàn)的要求。但隨著重離子加速器一些研究的產(chǎn)業(yè)化（如重離子治癌），需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，優(yōu)化工作已開展。重離子加速器磁鐵電源控制系統(tǒng)缺乏快速連鎖系統(tǒng)的接口并需提高控制的同步精度至ns量級(jí)；減少控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)以及提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾手痢?Gb／s；優(yōu)化完善快速數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)高速的磁鐵電源控制閉環(huán)?？傊?，重離子加速器已通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，證明磁鐵電源控制系統(tǒng)能滿足當(dāng)前實(shí)驗(yàn)及運(yùn)行需求。

［1］ 劉伍豐，喬衛(wèi)民，敬嵐，等.冷卻存儲(chǔ)環(huán)虛擬加速器的數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2009，21（12）：1 889－1 892.

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［2］ 劉伍豐，喬衛(wèi)民，原有進(jìn)，等.RIBLLⅡ與CSRe中束流控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2008，20（3）：525－528.

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Development of Magnet Power Supply Control System for Heavy Ion Accelerator

LIU Wu－feng1，QIAO Wei－min2，JING Lan2，GUO Yu－h(huán)ui2，ZHANG Shi－jie1，CHEN Tian－fei1，LIU Nan－bo1
（1.College of Electrical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou450001，China；2.Institute of Modern Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou730000，China）

The heavy ion accelerator constrains particles by magnetic field，and the magnet power supply is the important part for making magnetic field.Therefore，the magnet power supply control system needs high efficiency，high stability and high accuracy.The magnet power supply response operated according to accelerator’s cycle.The magnet power supply control system for heavy ion accelerator was developed.The magnet power supply control timing of heavy ion accelerator is consistent with the control cycle of heavy ion accelerator control system.And the synchronous timing system triggers magnet power supply.All control data of magnet power supply（such as synchronous event data and waveform data）are obtained from center oracle database of heavy ionaccelerator.Once the synchronous timing system triggers magnet power supply，the magnet power supply controller will read control data from RAM of ARM controller and process it by interpolation to control power supply.The precision of control system synchronization is 1μs，and ripple is 100ppm.It can meet requirement of heavy ion accelerator experiments.

heavy ion accelerator；magnet power supply；control system

TL503.6；TL56；TP23

A

1000－6931（2015）02－0362－04

10.7538／yzk.2015.49.02.0362

2013－11－19；

2014－02－06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11005136）；國(guó)家星火計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013GA750006）；中國(guó)科學(xué)院西部之光人才培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（Y107130XBB）；河南工業(yè)大學(xué)高層次人才基金資助項(xiàng)目（2012BS036）

劉伍豐（1983—），男，湖南邵陽(yáng)人，高級(jí)工程師，博士，從事加速器控制、控制工程、數(shù)據(jù)獲取等研究