分布式粒子探測器集群高壓電源系統(tǒng)設(shè)計

雷瑞庭, 胡 勝, 李 君, 余熾業(yè)

(東莞理工學(xué)院 a. 電子工程學(xué)院； b. 計算機學(xué)院, 廣東, 東莞 523808)

分布式粒子探測器集群高壓電源系統(tǒng)設(shè)計

雷瑞庭a, 胡 勝a, 李 君b, 余熾業(yè)a

(東莞理工學(xué)院 a. 電子工程學(xué)院； b. 計算機學(xué)院, 廣東, 東莞 523808)

設(shè)計了一種分布式粒子探測器集群高壓電源系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)總體構(gòu)架，重點介紹高壓電源控制柜的設(shè)計方案。分析了多個模塊設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)基于Nios II和ARM雙核控制，設(shè)計了AC/DC 變換器、高壓電源陣列、CAN 路由器、觸摸屏及集群電源主控制器等模塊，實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有功率因數(shù)高、精度高、紋波小、實時性好、設(shè)備的兼容性和抗干擾能力強等優(yōu)點。

集群電源主控制器; 分布式； 粒子探測器； 控制器局域網(wǎng)絡(luò); 調(diào)理電路

0 引 言

在粒子物理和核物理科學(xué)領(lǐng)域中，粒子探測器是關(guān)鍵的部件，是探測信息的源頭[1]。粒子探測器要求電源具有高電壓、低電流、穩(wěn)定、故障率低的特點。粒子探測器工作時一般都需要高壓電源，而電源的性能監(jiān)測至關(guān)重要。為保證數(shù)據(jù)探測的準(zhǔn)確性，每個點對電源不但有監(jiān)控功能，而且各個探測點電源工作狀況以及與時間的對應(yīng)都要準(zhǔn)確[2-3]。研究分布式、網(wǎng)絡(luò)化的集群電源及監(jiān)控系統(tǒng)至關(guān)重要，也勢在必行。因此本文設(shè)計了一種分布式粒子探測器集群高壓電源系統(tǒng)，它集電力電子技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、計算機通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式參數(shù)測量與控制等技術(shù)于一體，將提高區(qū)域和國家科技創(chuàng)新能力。

1 分布式離子探測器集群高壓電源系統(tǒng)分布式總體架構(gòu)

分布式離子探測器集群高壓電源系統(tǒng)總體架構(gòu)，由數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、高壓電源控制柜經(jīng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)構(gòu)成，如圖1所示，高壓電源控制柜接收GPS時間源，供數(shù)據(jù)采集時間同步。每個高壓電源控制柜可以提供768路高壓輸出，供PMT陣列工作。高壓電源控制柜通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接收來自數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的指令，實時傳送每路高壓輸出監(jiān)控信息。

2 高壓電源控制柜

高壓電源控制柜由AC/DC變換器、集群電源主控制器、CAN路由器和16個高壓電源陣列組成，如圖2所示。AC/DC變換器將AC380V三相電源變換為48V直流電源，構(gòu)成系統(tǒng)供電的母線電壓，系統(tǒng)內(nèi)所有電源均由母線提供或經(jīng)母線電壓變換后提供。每個高壓電源陣列輸出48路高壓，供PMT工作，實時采集每個高壓單元工作狀態(tài)，具有CAN通信接口，能夠與集群電源主控制器通信，接收集群電源主控器的指令，實時傳送高壓輸出監(jiān)控信息。CAN路由器將16個高壓電源陣列的CAN通信串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)與集群電源主控器通信，有效提高CAN通信速率和通信節(jié)點數(shù)。集群電源主控器是高壓電源控制柜的控制核心，接收GPS時間源，供數(shù)據(jù)采集時間同步；具有TCP/IP接口，通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接收來自數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的指令，實時向數(shù)據(jù)中心服務(wù)器傳送每路高壓輸出監(jiān)控信息；通過CAN路由器控制每路高壓單元輸出、采集每路高壓單元狀態(tài)；通過CAN總線采集AC/DC變換器狀態(tài)；實時存儲采集數(shù)據(jù)。

2.1 AC/DC 變換器

AC/DC變換器為整個設(shè)備的電子系統(tǒng)供電，同時也作為高壓源驅(qū)動電源和散熱風(fēng)扇的動力電源[4-5]。整個系統(tǒng)提供768路高壓源，每路高壓輸出3 kV/1 mA功率，高壓部分功率需求將達到2 304 W；由于高壓部分由兩級DC/DC變換構(gòu)成，假設(shè)兩級的變換效率為90%，其總體效率約為81%，因此，AC/DC變換器的輸出功率應(yīng)在2 844 W以上；同時考慮其他電子系統(tǒng)消耗、散熱風(fēng)扇消耗，以及系統(tǒng)可靠性的冗余，AC/DC 變換器按6 kW設(shè)計。AC/DC變換器，采用N+1模塊冗余并聯(lián)組合方式供電，即如果N個模塊的輸出電流能滿足供電需要，則采用N+1模塊平均分配，因此，可提高系統(tǒng)運行可靠性。每個整流器單元具有CAN總線通信功能，用于實現(xiàn)整流模塊之間的均流和上位機之間的通信[6-8]。48V AC/DC 變換器框圖如圖3所示。

整流模塊分為兩個部分。前級由三相三線交流輸入，輸入經(jīng)過輸入保護、經(jīng)過三相IGBT高頻整流進行有源功率因數(shù)校正(PFC)，轉(zhuǎn)換成直流電。后級將直流電再經(jīng)過LLC諧振變換器把整流好的直流電轉(zhuǎn)換成高頻脈沖，然后高頻脈沖再通過高頻橋式整流平滑濾波后通過輸出保護得到所需的48V直流電源。AC/DC與DC/DC兩部分內(nèi)部用RS-485實時通信，模塊輸出端用CAN總線實現(xiàn)整流模塊之間的均流和上位機之間的通信。

2.2 高壓電源陣列

高壓電源陣列由管理單元、48路+2路高壓單元、開關(guān)矩陣單元三部分組成,如圖4所示。

(1) 管理單元完成以下功能：采集高壓電源陣列溫度；存儲每一路高壓單元ID信息；高壓電源陣列接入檢測和開關(guān)矩陣協(xié)同完成高壓輸出自動投切功能；具有CAN總線接口，接收來自集群電源主控器指令,上傳采集及控制數(shù)據(jù)。溫度傳感器采用MAXIM公司DS18B20數(shù)字溫度傳感器，僅需一條接口線就可實現(xiàn)多點溫度測量；在使用中不需要任何外圍元件。

(2) 管理單元控制48路高壓單元的投切，其指令來源于集群電源主控器；當(dāng)48路高壓單元任一路有故障時，備用的高壓單元投入工作，提高電源系統(tǒng)的可靠性。

(3) 高壓單元由DC/DC變換器、微控制器、ADC、DAC、高壓模塊等部分組成(見圖5)，具有CAN總線接口，接收來自集群電源主控器指令，上傳采集數(shù)據(jù)。DC/DC 變換器將48V母線電壓變換為高壓模塊適合的輸入電壓，同時具有隔離作用，任何一路高壓單元從電氣上互相隔離。高壓模塊輸出電壓、電流經(jīng)調(diào)理電路放大后，傳送給ADC，微控制器從ADC上采集高壓模塊輸出電壓、電流數(shù)字化后的信息。高壓模塊的輸出電壓高低由DAC控制。

在輸出電壓的控制上，本系統(tǒng)充分利用了輸出參數(shù)數(shù)字化功能，對輸出電壓進行雙閉環(huán)數(shù)字化輸出控制。其內(nèi)環(huán)控制由高壓模塊內(nèi)硬件完成，基準(zhǔn)由DAC產(chǎn)生。外環(huán)控制如圖6所示，由高壓單元的MCU完成，控制算法采用經(jīng)典數(shù)字PID算法，根據(jù)輸出電壓與設(shè)定間的差異，改變DAC輸出，從而進一步控制高壓模塊。外環(huán)數(shù)字化控制可進一步降低參數(shù)離散、溫度漂移、負載波動等對輸出電壓的影響。

電壓、電流采樣的調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，增益調(diào)節(jié)由增益芯片AD624和DAC7512組成。DAC轉(zhuǎn)換器選用DAC7512，它是TI公司生產(chǎn)的具有內(nèi)置緩沖放大器的12 bit D/A轉(zhuǎn)換器。通過FPGA實現(xiàn)ADC控制模塊。

FPGA控制模塊控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的啟動與轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA的特點適合處理多路并行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)利用狀態(tài)機設(shè)計了A/D采樣控制模塊。它根據(jù)AD的轉(zhuǎn)換時序圖，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的時序控制信號，使AD完成各種操作。

A/D轉(zhuǎn)換初始化端口函數(shù)initpio( )。

Void initpio( )

{IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(ADC_PIO_BASE,ADC_CON&(～DATA));

}

unsigned char ADC(void)

{unsigned char i;

unsigned char adcdata=0;

PIOCLR(CLK); //初始化CLK =0

PIOCLR(nCS); //初始化nCS=0

for(i=0;i<8;i++)

{ PIOSET(CLK);

……

PIOCLR(CLK);

}

2.3 CAN 路由器

高壓電源控制柜中AC/DC變換器、16個高壓電源陣列通過CAN總線與集群電源主控器通信，系統(tǒng)中CAN設(shè)備節(jié)點包括768路高壓單元、32路備份高壓單元、AC/DC交換器，共801個CAN設(shè)備節(jié)點。系統(tǒng)中需要17路CAN控制器。為了避免各路CAN總線通信干擾，需要對CAN通信接口進行隔離，隔離方案用ADI公司的CAN隔離專用器件ADM3053BRWZ，內(nèi)部集成了隔離式控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)物理層收發(fā)器、隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器和雙通道隔離器，最高1 Mb/s的數(shù)據(jù)速率，并具有限流和熱關(guān)斷特性，可防止輸出短路[9-12]。

MCP2510是Microchip公司生產(chǎn)的CAN協(xié)議控制器，它通過SPI接口與微控制器相連，CAN SPI接口函數(shù)：CAN_SPI_CMD()；

CAN報文發(fā)送函數(shù)：

MCP2510_TX(intTxbuf,int Idtype,unsigned int*id,int datalen,char*data)；

CAN報文接收函數(shù)：

MCP2510_RX(intRxbuf,int *Idtype,unsigned int *id,int *datalen,char *data)。

通過觸摸操作,可以實現(xiàn)系統(tǒng)人機交互[13-14]。系統(tǒng)采用ADS7483控制觸摸屏。

函數(shù)ADS7843_ Read()實現(xiàn)ADS7843的讀函數(shù),完成讀觸摸點值并返回num位測量結(jié)果。

Void ADS7843_Read(uint8 num)

{uint32go,I,j;

go=0; //go保存讀取數(shù)據(jù)

CS_Low();

DIN_Low(); // DIN輸出低電平

不過即使到現(xiàn)在，我們?nèi)匀粫l(fā)現(xiàn)許多款勞力士機心都是采用KIF防震器。我們在其子品牌帝舵表的機心中也會發(fā)現(xiàn)大量采用KIF防震器的機心。

DCLK_Low();

For(i=0;i

{ go<<=1; //左移一位

DCLK_High(); //從DOUT引腳讀出數(shù)據(jù)

For(j=0;j<2;j++)

If(DOUT&IO0PIN)

go++;

DCLK_Low()

}

……

2.5 集群電源主控制器

集群電源主控制器是高壓電源控制柜的控制核心，接收GPS時間源，供數(shù)據(jù)采集時間同步；具有TCP/IP接口，通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接收來自數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的指令，實時向數(shù)據(jù)中心服務(wù)器傳送每路高壓輸出監(jiān)控信息；通過CAN路由器控制每路高壓單元輸出、采集每路高壓單元狀態(tài)；通過CAN總線采集AC/DC變換器狀態(tài)；實時存儲采集數(shù)據(jù)；提供用于人機交互的顯示液晶屏控制和用戶信息輸入接口。

高壓電源終端程序設(shè)計主要包括控制模塊Linux操作系統(tǒng)移植、Linux系統(tǒng)驅(qū)動程序編寫、DIM函數(shù)庫移植、Web應(yīng)用程序開發(fā)、主控程序開發(fā)、FPGA程序設(shè)計；高壓控制模塊管理單元單片機程序設(shè)計、高壓控制模塊高壓單元單片機程序設(shè)計[15]。

Linux系統(tǒng)通過使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct file_operations為所有的設(shè)備文件都提供統(tǒng)一的操作函數(shù)接口，包含了open()、close()、release()、read()、write()、ioctl()等函數(shù)。Linux系統(tǒng)通過使用register_chrdev向系統(tǒng)注冊設(shè)備驅(qū)動程序，通過調(diào)用kmalloc()和kfree()函數(shù)實現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動程序的申請和釋放。

Int register_chrdev(unsigned int major,const char *name,structfile_operations fops)

3 結(jié) 語

系統(tǒng)實現(xiàn)了對768路高壓電源實時監(jiān)控、故障記錄、備份高壓電源自動投切等功能；具有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能，服務(wù)器系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)能控制上萬路的高壓電源。實現(xiàn)了系統(tǒng)的微型化、網(wǎng)絡(luò)化。系統(tǒng)采用了EMC措施，高壓電源陣列中各路電源完全隔離，具有陣列電路板接觸狀態(tài)檢測和溫度檢測功能，具有備份高壓源自動投切功能，提高了系統(tǒng)可靠性和可維護性。

集群高壓電源主控器17路CAN總線接口。AC/DC變換器功率因數(shù)：>0.99，諧波電流：<5%，穩(wěn)壓精度：≤0.5%，負載電壓紋波系數(shù)：≤0.1%，并機均流度：≤±5%；高壓電源陣列電壓精度≤0.1%；紋波≤30 mV。

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Design of High Voltage Power Supply System for Distributed Particle Detector Cluster

LEIRuitinga,HUShenga，LIJunb，YUChiyea

(a. College of Electronics Engineering; b. College of Computer，Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, Guangdong, China)

A sort of design technique of high voltage power supply system for distributed particle detector cluster was presented. The overall framework of system was expounded. Design scheme of high voltage power supply control cabinet was introduced. Key techniques for many modules design were analyzed. This system was based on Nios II and ARM control, AC/DC converter, high voltage power array, CAN router, touch screen and cluster power supply controller module. Experiments showed that this system had advantages of high power factor, high precision, small ripple, good real-time, strong compatibility of the equipment and anti-interference capability.

cluster power controller; distributed; particle detector; controller area network (CAN); regulate circuit

2016-06-23

廣東省科技計劃項目)(2015A020214024)；廣東省科技計劃項目(2013B091500010)

雷瑞庭(1980-)，男，湖南郴州人，學(xué)士，實驗師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)、計算機軟件。

Tel.： 15920616880； E-mail：750928993@qq.com

TM 83; TP 274

A

1006-7167(2017)04-0069-04