電子回旋共振加熱系統(tǒng)中央控制器異常診斷設(shè)計(jì)與仿真

楊 永

(中國(guó)科學(xué)院 等離子體物理研究所，合肥 230031)

0 引言

電子回旋共振加熱(electron cyclotron resonance heating，ECRH)是可控核聚變反應(yīng)的重要的加熱方法之一，具有耦合效率高、功率沉積局域性好、微波發(fā)射天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、發(fā)射功率密度較高、易于控制回旋共振層等許多優(yōu)點(diǎn)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)加熱方式加熱溫度有限的缺點(diǎn)，如中國(guó)環(huán)流器新一號(hào)(HL-1M) 裝置上研制的500 kW/50 ms的電子回旋共振加熱系統(tǒng)[1]。中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A(HL-2A)裝置在一代的基礎(chǔ)上先后從2005年的2只500 kW回旋管共1 MW輸出功率逐步發(fā)展到2009年6只共3 MW輸出功率[2-3]。作為中國(guó)第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克HT-7[4]的升級(jí)版，EAST(experimental advanced superconducting tokamak)托卡馬克裝置上配備了4 MW長(zhǎng)脈沖電子回旋加熱系統(tǒng)[5-7]。

回旋管作為整個(gè)ECRH系統(tǒng)的核心器件，它的控制需要遵循嚴(yán)格的要求，其中一個(gè)重要的原則是：加電時(shí)，應(yīng)先加陰極高壓，再加陽(yáng)極高壓；關(guān)斷時(shí)，先關(guān)陽(yáng)極高壓，再關(guān)陰極高壓，即陽(yáng)極高壓要在陰極高壓已經(jīng)加載的情況下才能加載，不能單獨(dú)加載[8]。中央控制器作為直接控制回旋管的部件，為了保證回旋管可靠運(yùn)行，以及不被各種意外情況損壞，其控制邏輯復(fù)雜,輸入輸出信號(hào)繁多，如果安裝調(diào)試中遇到異常狀況，難以定位異常發(fā)生的位置。如果沒(méi)有異常診斷功能，遇到異常時(shí)，需要使用示波器去再次捕獲異常，由于信號(hào)繁多、連線困難，而且有些異常出現(xiàn)的頻率較低，使得調(diào)試工作非常繁瑣，效率低下，嚴(yán)重拖延工作進(jìn)展。因此設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)在線的異常診斷邏輯勢(shì)在必行。

另外，配合計(jì)算機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)期的異常數(shù)據(jù)記錄，通過(guò)分析異常的類型和出現(xiàn)頻率的變化，還可以評(píng)估ECRH系統(tǒng)中重要部件的運(yùn)行狀態(tài)。ECRH系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)一些異常，但是出現(xiàn)的頻率很低，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，各部件會(huì)逐漸老化，這些異常出現(xiàn)頻率可能會(huì)增加或者減少，通過(guò)分析這些異常發(fā)生的頻率，可以間接地監(jiān)控各部件運(yùn)行的狀態(tài)。

傳統(tǒng)的ECRH系統(tǒng)主要采用可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)來(lái)控制回旋管高壓電源的開(kāi)關(guān)。但是PLC的控制響應(yīng)速度不高，一般為毫秒量級(jí)，且無(wú)法編程實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的邏輯，大大限制了ECRH系統(tǒng)回旋管控制的性能提升。FPGA(field programmable gate array)作為PAL、GAL等可編程器件的進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，具有速度高、邏輯資源豐富，幾乎能夠編程實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜邏輯。為了提高控制響應(yīng)速度、控制時(shí)間精度、以及復(fù)雜度，EAST托卡馬克裝置的ECRH系統(tǒng)采用FPGA芯片作為回旋管的主控芯片。

本文主要介紹了ECRH系統(tǒng)中央控制器的控制原理以及異常診斷的邏輯設(shè)計(jì)，并且進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。第二小節(jié)介紹了中央控制器正常的回旋管控制流程。第三小節(jié)詳述了可能出現(xiàn)的異常種類及其原因，然后設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的診斷邏輯。第四小節(jié)對(duì)這些診斷邏輯進(jìn)行了時(shí)序仿真。第五小節(jié)對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。

1 中央控制器控制原理

中央控制器的主要作用是根據(jù)EAST裝置的總控發(fā)來(lái)的觸發(fā)信號(hào)和等離子體電流信號(hào)來(lái)控制回旋管陰極高壓電源和陽(yáng)極高壓電源的開(kāi)關(guān)。由于要嚴(yán)格保證陽(yáng)極高壓不被單獨(dú)加載在回旋管上，因此需要實(shí)時(shí)檢測(cè)陰極高壓源的輸出狀況，一旦檢測(cè)到異常就先迅速關(guān)閉陽(yáng)極電源。中央控制器的輸入輸出信號(hào)如圖1所示。圖中只畫(huà)出了中央控制器與其他部件或系統(tǒng)之間的信號(hào)連接關(guān)系，各部件或系統(tǒng)之間的信號(hào)連線沒(méi)有在該圖中表示，比如PLC也會(huì)監(jiān)視陰極高壓電源的輸出情況等。與中央控制器相連的有EAST總控、陰極高壓?jiǎn)卧?、?yáng)極高壓電源、PLC監(jiān)視器、ECRH總控見(jiàn)算計(jì)、自檢計(jì)算機(jī)以及各種保護(hù)單元。

圖1 中央控制器輸入輸出信號(hào)

信號(hào)TriggerIn_-60、TriggerIn_0以及Ip是EAST總控發(fā)來(lái)的信號(hào)，TriggerIn_-60為負(fù)60秒觸發(fā)脈沖信號(hào)，用于通知ECRH系統(tǒng)作好一次放電實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備，因?yàn)镋CRH系統(tǒng)中有些部件(比如陰極高壓電源)從啟動(dòng)到就緒需要比較長(zhǎng)的時(shí)間。TriggerIn_0為0秒觸發(fā)脈沖信號(hào)用于通知中央控制器可以立即打開(kāi)回旋管給EAST裝置輸送高功率微波。Ip為EAST總控發(fā)送來(lái)的等離子電流信號(hào)，當(dāng)回旋管輸出微波后就會(huì)接收到Ip信號(hào)有效，等Ip信號(hào)再次變?yōu)闊o(wú)效時(shí)，表示一次放電過(guò)程結(jié)束，應(yīng)立即關(guān)閉回旋管。

NegHVPre_-60為陰極高壓電源負(fù)60秒準(zhǔn)備信號(hào)，DAQCtrl_OnOff為數(shù)據(jù)采集控制信號(hào)，與NegHVPre_-60時(shí)刻保持同步。NegHV_OnOff為陰極高壓電源的輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，NegHV_Ready為其準(zhǔn)備就緒信號(hào)，NegHV_OutputState為其輸出狀態(tài)信號(hào)，NegHV_Voltage為其輸出電壓信號(hào)，該信號(hào)用電平高低來(lái)表示輸出電壓是否達(dá)到要求。PosHV_OnOff為陽(yáng)極高壓電源的輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)。PLC_Ready為PLC準(zhǔn)備就緒信號(hào)，Wave_OutputState為實(shí)時(shí)波輸出狀態(tài)信號(hào)，其電平的高低表示回旋管有無(wú)波輸出，由于微波功率檢測(cè)器輸出的模擬信號(hào)噪聲較大，可能會(huì)造成Wave_OutputState信號(hào)有脈沖干擾，因此需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行兩次或多次確認(rèn)才能比較可靠地判斷波輸出的真實(shí)狀態(tài)。

Wave_OutputState_Down為發(fā)生波輸出狀態(tài)異常時(shí)的診斷輸出信號(hào)，IpNull為發(fā)生無(wú)等離子電流異常時(shí)的診斷輸出信號(hào)，NegHV_Down為發(fā)生陰極高壓輸出狀態(tài)異常時(shí)的診斷輸出信號(hào)，PLC_Ready_Down為發(fā)生PLC就緒狀態(tài)異常時(shí)的診斷輸出信號(hào)，NegHV_Ready_Down為發(fā)生陰極高壓就緒狀態(tài)異常時(shí)的診斷輸出信號(hào)。

除了上述信號(hào)之外，還有各種保護(hù)和急停信號(hào)，統(tǒng)稱為Protection Stop Signals，當(dāng)這些信號(hào)中的任意一個(gè)有效時(shí)，中央控制器會(huì)立即關(guān)閉回旋管，并且輸出對(duì)應(yīng)信號(hào)的診斷輸出信號(hào)，這里統(tǒng)稱為Protection Signals.

回旋管除了需要陰極高壓電源和陽(yáng)極高壓電源外，還需要配套超導(dǎo)磁體及其電源、燈絲電源、鈦泵電源等附屬部件，因?yàn)檫@些部件的監(jiān)控要求速度相對(duì)不高，由其他PLC等控制器來(lái)監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)發(fā)送保護(hù)停止信號(hào)(protection stop signals)給中央控制器，來(lái)使其關(guān)閉陰極高壓電源和陽(yáng)極高壓電源。

中央控制器的控制流程可以用圖2所示的狀態(tài)圖來(lái)表示：

1)上電初始化：系統(tǒng)上電之后100 ms內(nèi)，復(fù)位信號(hào)有效，此時(shí)處于“空閑狀態(tài)”，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，F(xiàn)PGA將所有輸出信號(hào)置為無(wú)效狀態(tài)(NegHVPre_-60、NegHV_Onoff、PosHV_Onoff、DAQCtrl_OnOff、IpNull為低電平，Wave_OutputState_Down、NegHV_Down、PLC_Ready_Down、NegHV_Ready_Down、Protection Signals為高電平)；

2)當(dāng)PLC就緒信號(hào)PLC_Ready為高電平時(shí)，進(jìn)入“準(zhǔn)備狀態(tài)”；此時(shí)如果-60 s觸發(fā)脈沖信號(hào)TriggerIn_-60有效，進(jìn)入“負(fù)60 s觸發(fā)狀態(tài)”，F(xiàn)PGA將負(fù)60 s陰極高壓準(zhǔn)備信號(hào)NegHVPre_-60和DAQCtrl_OnOff置為高電平，以使陰極高壓電源開(kāi)始準(zhǔn)備，各信號(hào)數(shù)據(jù)開(kāi)始被采集；當(dāng)陰極高壓電源準(zhǔn)備好后，陰極高壓準(zhǔn)備好狀態(tài)信號(hào)NegHV_Ready變?yōu)楦唠娖剑?/p>

3)處于“負(fù)60 s觸發(fā)狀態(tài)”時(shí)，當(dāng)NegHV_Ready信號(hào)變?yōu)楦唠娖胶?，如? s觸發(fā)脈沖信號(hào)TriggerIn_0有效，F(xiàn)PGA將陰極高壓?jiǎn)⑼Ｐ盘?hào)NegHV_OnOff置為高電平，給回旋管加載陰極高壓電源，程序進(jìn)入“等待陰極高壓輸出狀態(tài)”；

4)等待1 ms后，程序自動(dòng)進(jìn)入“檢測(cè)陰極高壓輸出狀態(tài)”，檢測(cè)信號(hào)NegHV_OutputState是否正常；如果NegHV_OutputState異常(表示陰極高壓電源沒(méi)有正常加載)，進(jìn)入“關(guān)閉狀態(tài)”；如果NegHV_OutputState正常(表示陰極高壓電源已正常加載)，程序進(jìn)入“等待陽(yáng)極高壓輸出狀態(tài)”，50 ms后自動(dòng)進(jìn)入“等待波輸出狀態(tài)”，并將陽(yáng)極高壓?jiǎn)⑼Ｐ盘?hào)PosHV_OnOff置為高電平，給回旋管加載陽(yáng)極高壓電源；

5)當(dāng)陽(yáng)極高壓?jiǎn)⑼Ｐ盘?hào)PosHV_OnOff發(fā)出后，程序等待1 ms，然后進(jìn)入“檢測(cè)波輸出狀態(tài)”，檢測(cè)信號(hào)Wave_OutputState是否正常；如果Wave_OutputState檢測(cè)為異常，程序進(jìn)入“再次等待波輸出狀態(tài)”，等待1 ms，然后進(jìn)入“再次檢測(cè)波輸出狀態(tài)”，再次檢測(cè)信號(hào)Wave_OutputState是否正常，如果波輸出狀態(tài)信號(hào)再次檢測(cè)不正常，進(jìn)入“關(guān)閉狀態(tài)”；如果Wave_OutputState檢測(cè)(或再次檢測(cè))為正常，則進(jìn)入“等待等離子電流狀態(tài)”，等待1 ms后，進(jìn)入“檢查等離子電流狀態(tài)”，檢測(cè)信號(hào)Ip是否正常；

6)如果信號(hào)Ip正常，程序進(jìn)入“等待關(guān)閉狀態(tài)”；如果異常，則直接進(jìn)入“關(guān)閉狀態(tài)”；

7)在“等待關(guān)閉狀態(tài)”中，程序等待信號(hào)Ip變?yōu)闊o(wú)效(表示一個(gè)放電過(guò)程結(jié)束)，然后正常進(jìn)入“關(guān)閉狀態(tài)”；如果此時(shí)檢測(cè)到波輸出異常，程序會(huì)進(jìn)入“再次等待波輸出狀態(tài)”，等待1 ms后，進(jìn)入“再次檢測(cè)波輸出狀態(tài)”，如果檢測(cè)正常，會(huì)直接返回“等待關(guān)閉狀態(tài)”；否則會(huì)進(jìn)入“關(guān)閉狀態(tài)”。程序從“等待關(guān)閉狀態(tài)”進(jìn)入到“再次等待波輸出狀態(tài)”以及“再次檢測(cè)波輸出狀態(tài)”時(shí)，當(dāng)Ip信號(hào)變?yōu)闊o(wú)效時(shí)，也判定為放電過(guò)程正常結(jié)束，立即進(jìn)入“關(guān)閉狀態(tài)”；

8)當(dāng)程序進(jìn)入“關(guān)閉狀態(tài)”后，會(huì)將PosHV_Onoff置為低電平，以關(guān)閉陽(yáng)極高壓電源，等待2 ms后進(jìn)入“關(guān)閉狀態(tài)2”；在“關(guān)閉狀態(tài)2”中，將NegHV_Onoff置為低電平，以關(guān)閉陰極高壓電源，等待200 ns后進(jìn)入“關(guān)閉狀態(tài)3”；在“關(guān)閉狀態(tài)3”中，將NegHVPre_-60和DAQCtrl_OnOff置為低電平；最后返回“空閑狀態(tài)”。

圖2 FPGA控制部分狀態(tài)機(jī)

2 異常診斷邏輯設(shè)計(jì)

除了上一節(jié)所述的正常的控制邏輯外，在控制回旋管運(yùn)行時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)各種異常的情況，中央控制器必須及時(shí)地診斷和處理這些異常狀況，才能起到保護(hù)回旋管的作用。異常診斷邏輯是根據(jù)程序跳轉(zhuǎn)到關(guān)閉狀態(tài)前的狀態(tài)以及各輸入信號(hào)的電平高低來(lái)判斷是否發(fā)生了異常以及診斷異常發(fā)生的原因。當(dāng)主控制邏輯處于空閑、就緒或者關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，輸入狀態(tài)信號(hào)異?；蛘弑Ｗo(hù)急停信號(hào)有效不會(huì)被判定為一個(gè)異常情況。只有在一次放電過(guò)程中，輸入狀態(tài)信號(hào)異常才有可能產(chǎn)生一個(gè)異常情況。異常主要可以分為以下六種情況：

1)PLC就緒狀態(tài)異常：指當(dāng)程序處于狀態(tài)2～12時(shí)(即處于一個(gè)放電過(guò)程中)，PLC_Ready信號(hào)突然變?yōu)榈碗娖?，表示PLC出現(xiàn)了異常狀況，此時(shí)回旋管控制邏輯從狀態(tài)2～12中的某一個(gè)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到“關(guān)閉狀態(tài)”，異常診斷邏輯監(jiān)測(cè)這一狀況后，將信號(hào)PLC_Ready_Down置為低電平，并保持20 s后再拉高；

2)陰極高壓就緒狀態(tài)異常：指當(dāng)0 s觸發(fā)脈沖信號(hào)TriggerIn_0有效后至放電過(guò)程結(jié)束進(jìn)入“關(guān)閉狀態(tài)”前，NegHV_Ready信號(hào)突然變?yōu)榈碗娖剑硎娟帢O高壓電源沒(méi)有就緒。此時(shí)回旋管控制邏輯從狀態(tài)2～12中的某一個(gè)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到“關(guān)閉狀態(tài)”，異常診斷邏輯監(jiān)測(cè)這一狀況后，檢查跳轉(zhuǎn)前的狀態(tài)是否是“負(fù)60 s觸發(fā)狀態(tài)”，如果是，則還需檢查T(mén)riggerIn_0信號(hào)，只有當(dāng)TriggerIn_0信號(hào)同時(shí)為高時(shí)，才表示發(fā)生了陰極高壓就緒狀態(tài)異常；如果跳轉(zhuǎn)前的狀態(tài)不是“負(fù)60 s觸發(fā)狀態(tài)”，NegHV_Ready信號(hào)為低就直接表示發(fā)生了陰極高壓就緒狀態(tài)異常，然后異常診斷邏輯將信號(hào)NegHV_Ready_Down置為低電平，并保持20 s后再拉高；

3)陰極高壓輸出狀態(tài)異常：指當(dāng)程序處于狀態(tài)4～12時(shí)，NegHV_OutputState信號(hào)或NegHV_Voltage信號(hào)為低電平，表示陰極高壓輸出不正常，此時(shí)程序從狀態(tài)4～12中的某一個(gè)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到“關(guān)閉狀態(tài)”，異常診斷邏輯監(jiān)測(cè)這一狀況后，將信號(hào)NegHV_Down置為低電平，并保持20 s后再拉高；

4)波輸出狀態(tài)異常：由于回旋管波輸出信號(hào)噪聲比較大，為了避免誤判，程序中只有連續(xù)兩次檢測(cè)到波輸出信號(hào)Wave_OutputState為低時(shí)才判定為異常狀況，即當(dāng)程序從“再次檢查波輸出狀態(tài)”跳轉(zhuǎn)到“關(guān)閉狀態(tài)”，且波輸出信號(hào)Wave_OutputState為低時(shí)，才表示發(fā)生了波輸出狀態(tài)異常。異常診斷邏輯監(jiān)測(cè)這一狀況后，將信號(hào)Wave_OutputState_Down置為低電平，并保持20 s后再拉高；

5)無(wú)等離子電流異常：當(dāng)程序從“檢查等離子電流狀態(tài)”跳轉(zhuǎn)到“關(guān)閉狀態(tài)”，且Ip信號(hào)為低時(shí)，表示發(fā)生了無(wú)等離子電流異常。異常診斷邏輯監(jiān)測(cè)這一狀況后，將信號(hào)IpNull置為高電平，并保持5 s后再拉低；

6)保護(hù)急停信號(hào)有效：指當(dāng)程序處于狀態(tài)2～12時(shí)(即處于一個(gè)放電過(guò)程中)，保護(hù)停止類信號(hào)中的任意一個(gè)突然變?yōu)楦唠娖?，表示ECRH控制系統(tǒng)給中央控制器發(fā)送了停止命令，此時(shí)回旋管控制邏輯從狀態(tài)2～12中的某一個(gè)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到“關(guān)閉狀態(tài)”，異常診斷邏輯監(jiān)測(cè)這一狀況后，將對(duì)應(yīng)停止類信號(hào)的異常輸出信號(hào)置為低電平，并保持20 s后再拉高。

3 FPGA編程與仿真測(cè)試

本設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)采用Quartus II軟件，F(xiàn)PGA芯片選用Cyclone II系列[9]的工業(yè)級(jí)芯片，上述2、3兩小節(jié)的邏輯采用VerilogHDL進(jìn)行編寫(xiě)。FPGA系統(tǒng)時(shí)鐘采用外部的高精度有源晶振產(chǎn)生的頻率為29.2412 MHz的時(shí)鐘信號(hào)，不適用內(nèi)部PLL。由于系統(tǒng)中各輸入信號(hào)與系統(tǒng)時(shí)鐘是異步的，如果直接使用會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。因此為了避免時(shí)序混亂，對(duì)所有輸入信號(hào)用系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行了兩步采樣寄存，雖然理論上仍然可能進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，但是其概率已經(jīng)非常小[10-11]。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，將程序在各種可能的輸入情況下進(jìn)行了仿真。仿真時(shí)，為了減少仿真時(shí)間以及便以觀察波形，對(duì)涉及的各個(gè)時(shí)間間隔進(jìn)行了適當(dāng)?shù)目s短。

圖3為正常運(yùn)行的仿真時(shí)序圖，仿真開(kāi)始時(shí)，PLC_Ready信號(hào)有效，程序應(yīng)處于準(zhǔn)備狀態(tài)；隨著TriggerIn_neg_60信號(hào)脈沖的到來(lái)，一次放電過(guò)程開(kāi)始，首先將陰極高壓電源負(fù)60秒準(zhǔn)備信號(hào)(NegHVPre_neg_60)和數(shù)據(jù)采集控制信號(hào)(DAQCtrl_OnOff)置高，啟動(dòng)陰極高壓電源，并且開(kāi)始數(shù)據(jù)采集；一段時(shí)間后，陰極高壓電源準(zhǔn)備好信號(hào)(NegHV_Ready)變高，表示陰極高壓電源就緒；然后0秒觸發(fā)脈沖信號(hào)(TriggerIn_0)來(lái)了一個(gè)脈沖，程序立即將陰極高壓電源的輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)(NegHV_OnOff)置高，以給回旋管陰極加載高壓，然后陰極高壓輸出狀態(tài)信號(hào)(NegHV_OutputState)和陰極高壓輸出電壓信號(hào)(NegHV_Voltage)均變高，表示陰極高壓輸出正常；檢測(cè)到陰極高壓輸出正常后將陽(yáng)極高壓電源的輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)(PosHV_OnOff)置高，給回旋管陽(yáng)極加載高壓；延遲一小段時(shí)間后檢測(cè)波輸出是否正常，圖3中Wave_OutputState為高表示波輸出正常；然后進(jìn)入等離子電流信號(hào)(Ip_D)檢測(cè)，檢測(cè)到Ip_D正常后一直等待Ip_D信號(hào)變低；先將陽(yáng)極高壓電源的輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)(PosHV_OnOff)置低，再將陰極高壓電源的輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)(NegHV_OnOff)置低，最后將將陰極高壓電源負(fù)60秒準(zhǔn)備信號(hào)(NegHVPre_neg_60)和數(shù)據(jù)采集控制信號(hào)(DAQCtrl_OnOff)置低；一次正常的放電過(guò)程結(jié)束。

圖3 正常運(yùn)行仿真時(shí)序圖

圖4為發(fā)生無(wú)等離子電流異常時(shí)的仿真時(shí)序圖。直到波輸出狀態(tài)信號(hào)Wave_OutputState變高前，與正常運(yùn)行時(shí)相同；但是由于在Wave_OutputState變高后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)等離子電流信號(hào)Ip_D均保持為低，此時(shí)程序應(yīng)已進(jìn)入“檢查等離子電流狀態(tài)”，然后主控制邏輯檢測(cè)到Ip_D為低，進(jìn)入“關(guān)閉狀態(tài)”，依次將陽(yáng)極高壓電源的輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)(PosHV_OnOff)、陰極高壓電源的輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)(NegHV_OnOff)、以及陰極高壓電源負(fù)60秒準(zhǔn)備信號(hào)(NegHVPre_neg_60)和數(shù)據(jù)采集控制信號(hào)(DAQCtrl_OnOff)置低。異常診斷邏輯檢測(cè)到主控制邏輯從“檢查等離子電流狀態(tài)”跳轉(zhuǎn)到“關(guān)閉狀態(tài)”，且此時(shí)Ip_D為低，因此診斷為發(fā)生了無(wú)等離子電流異常，將IpNull信號(hào)拉高一段時(shí)間。

圖4 無(wú)等離子電流異常仿真時(shí)序圖

圖5為發(fā)生波輸出狀態(tài)異常時(shí)的仿真時(shí)序圖。當(dāng)陽(yáng)極高壓電源的輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)(PosHV_OnOff)置高后，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)波輸出狀態(tài)信號(hào)Wave_OutputState保持為低，因此導(dǎo)致主控制邏輯連續(xù)兩次檢測(cè)波輸出信號(hào)為低，因此直接進(jìn)入了“關(guān)閉狀態(tài)”，依次將PosHV_OnOff、NegHV_OnOff以及NegHVPre_neg_60和DAQCtrl_OnOff置低。異常診斷邏輯檢測(cè)到主控制邏輯從“再次檢測(cè)波輸出狀態(tài)”跳轉(zhuǎn)到“關(guān)閉狀態(tài)”，且此時(shí)波輸出狀態(tài)信號(hào)Wave_OutputState為低，因此診斷為發(fā)生了波輸出狀態(tài)異常，將信號(hào)Wave_OutputState_Down拉低一段時(shí)間。

圖5 波輸出狀態(tài)異常仿真時(shí)序圖

圖6為發(fā)生陰極高壓就緒狀態(tài)異常時(shí)的仿真時(shí)序圖。當(dāng)0 s觸發(fā)脈沖信號(hào)TriggerIn_0有效時(shí)，檢測(cè)到陰極高壓電源準(zhǔn)備信號(hào)(NegHV_Ready)為低，主控制邏輯進(jìn)入進(jìn)入“關(guān)閉狀態(tài)”。異常診斷邏輯檢測(cè)到這一情況后，將信號(hào)NegHV_Ready_Down拉低一段時(shí)間。

圖6 陰極高壓就緒狀態(tài)異常仿真時(shí)序圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要闡述了ECRH系統(tǒng)中央控制器異常診斷的邏輯設(shè)計(jì)。針對(duì)回旋管中央控制器發(fā)生故障時(shí)調(diào)試工作繁瑣、難以查找異常發(fā)生的原因等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套實(shí)時(shí)在線的異常檢測(cè)和診斷邏輯，并且在Altera Cyclone II系列FPGA中編程實(shí)現(xiàn)了該異常診斷邏輯與回旋管控制邏輯，最后對(duì)FPGA程序進(jìn)行了時(shí)序仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。