CN101179348B - 分布式定时系统 - Google Patents

Abstract

分布式定时系统，其特征是设置树形信号网络，按分布式子系统不同的物理位置对应设置各分布式节点，核心模块通过各分布式节点为每一分布式子系统提供若干路同步方波系统时钟和同步系统脉冲触发信号；设置局域控制网络，各分布式节点与控制台共同接入在以太网中，控制台一路通过电缆向核心模块提供系统触发脉冲电信号，另一路通过以太网对各分布式节点上的各个时钟和触发输出通道进行设置，实现控制命令和参数的传输。本发明以简单可靠的系统设置为采用分布式系统结构的大型装置提供精确同步的方波时钟信号和精确脉冲触发时序。

Description

分布式定时系统

                                技术领域

本发明涉及定时系统，更具体地说是为包含有若干子系统，并采用分布式系统结构的大型装置提供控制时序的定时系统。

                                背景技术

在大型装置中，定时系统用于为装置提供控制时序。例如，在包含了许多子系统的大型托卡马克核聚变实验装置，其总控台就是通过定时系统控制各子系统的运行时序，确保装置各子系统的协调运行。随着热核聚变研究的发展，像EAST全超导托卡马克这样的大型核聚变实验装置均采用了分布式的系统结构，各子系统分布在不同的物理位置上，彼此相互独立又相互作用。

作为系统定时系统，目前常规采用的是集中式的结构形式，具有一个VXI、CAMAC或CPCI总线机箱，其内部包含一个控制器模块、若干个触发输出模块、若干时钟输出模块和若干个光电隔离模块。各触发输出通道的延迟参数和时钟输出通道的分频系数直接由机箱上控制器模块进行设置。这种集中式的定时系统在用于上述分布式系统中时，各子系统与定时系统之间需要由许多光纤进行连接，需要几路信号就必须在定时系统与子系统间连接相应的几路光纤，致使在各子系统与定时系统之间的连线复杂、故障率高、不易于维护，系统成本高。

                                发明内容

本发明避免上述现有技术所存在的不足之处，为满足大型装置设备对精确同步的方波时钟信号和精确脉冲触发时序的要求，提供一种分布式定时系统。以其同样的分布式结构就近为各子系统提供方波时钟信号和脉冲触发信号，减少信号走线的长度，简化系统结构，便于实现信号的隔离，提高工作可靠性。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明系统的结构特点是：

设置树形信号网络，所述树形信号网络具有按分布式子系统的不同的物理位置对应设置的各分布式节点，每一节点分别以两路信号传输光纤与核心模块进行连接，其中一路为系统时钟信号传输光纤，另一路为系统脉冲触发信号传输光纤；所述核心模块通过各分布式节点为每一分布式子系统提供若干路同步的方波系统时钟和若干路同步的系统脉冲触发信号；

设置局域控制网络，各分布式节点与控制台共同接入在以太网中，所述控制台一路通过电缆向核心模块提供系统触发脉冲电信号，另一路通过以太网对各分布式节点上的各个时钟和触发输出通道进行设置，在时钟输出通道上输出对系统时钟进行分频的方波信号；在预定的延迟时刻后，在触发输出通道上输出脉冲属性可同时被设置的脉冲触发信号。

本发明系统的结构特点也在于：

所述核心模块与每一信号节点中的两路信号传输光纤长度均相等。

对应各分布式节点，设置各自的隔离与驱动设备。

本发明系统是以核心模块、各分布式节点和光纤信号网构成的树形时钟和触发信号网络，以确保分布式结构下的各个子系统可以获得精确同步的方波时钟信号以及精确的触发时序。

本发明系统同时以控制台、核心模块、各分布式节点和以太网构成的局域控制网络，以便灵活、简便地实现控制命令和参数的传输。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、与已有技术中的集中式定时系统相比，本发明分布式定时系统与各子系统间只有两路光纤连接，大大简化了装置中分布式结构的子系统与定时系统间的连线，有效降低了信号连接的成本。在本发明分布式定时系统中，子系统仅与分布式信号节点保持连接，避免了大量信号线同时连接到一个机箱情况的发生，降低了信号线的连接故障率、方便了系统的维护。

2、与基于VXI、CAMAC或CPCI总线的集中式定时系统相比，本发明采用嵌入式处理器的分布式定时系统可以大大降低的系统的研发、生产和维护成本。各信号节点经光纤信号网和以太网接受核心模块和控制台的统一控制，使得控制台可以灵活地集中管理处于分布式拓扑结构下的定时系统。

3、本发明分布式定时系统具有很强的实用性和灵活性，便于控制台对各子系统的控制，易于维护和系统调试。

4、本发明对应各分布式节点，设置各自的隔离与驱动设备，其隔离功能的设置一方面可以避免装置子系统可能存在的高压带来系统安全性问题，另一方面可以避免在装置子系统的信号间构成“地”环路从而引入噪声；其驱动电路可以满足不同子系统在接收端对信号的不同要求。

                                附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明核心模块原理图。

图3为本发明分布式信号节点结构示意图。

图4为本发明定时系统分频模块电路原理图。

图5本发明外围隔离和驱动设备原理图。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步描述：

                           具体实施方式

参见图1，系统构成包括控制台、核心模块、各分布式节点、外围隔离驱动设备，以及相互交织的光纤信号网和以太网共同构成控制网和树形信号网；

光纤信号网的设置，由于各个分布式节点所处的物理位置不同，为了不让各节点间的信号形成共“地”环路，各节点与核心模块间采用光纤连接。具体实施中，核心模块与各分布式节点之间为两路光纤连接，一路为系统时钟信号传输光纤，另一路为系统脉冲触发信号传输光纤；为确保到达各分布式节点的系统时钟和系统触发信号都是同步的，将核心模块连接到各个分布式节点的光缆长度设置为一致，由核心模块为各分布式节点提供若干路同步的方波系统时钟和若干路同步的系统脉冲触发信号；再经过外围隔离和驱动设备后可直接供各子系统使用。

在每个分布式节点上，分别提供若干路由系统时钟分频后输出的电信号，以及若干路由系统触发延迟后输出的脉冲电信号，并经外围隔离和驱动设备后对应提供给各子系统。

具体实施中，按分布式子系统的不同的物理位置对应设置各分布式信号节点，该分布式结构可以确保处于不同物理位置的各分布式节点获得精确同步的方波时钟和精确脉冲触发时序。

系统控制方法

核心模块经电缆与控制台上的数字I/O卡输出端口连接，以接收控制台发出的系统触发脉冲电信号。

控制台经以太网向各分布式节点发布控制命令和参数。分布式节点在接收到控制台发出的命令和参数后，即对节点上的各个时钟和触发输出通道进行设置。依据预设参数在时钟输出通道上输出对系统时钟进行分频的方波信号；在预定的延迟时刻后，在触发输出通道上输出脉冲触发信号，其中包括脉冲极性和脉冲宽度的脉冲属性可同时被设置。

关于核心模块的设置

参见图2，核心模块负责向各分布式节点发送精确同步的系统时钟和系统触发光纤信号。方波系统时钟源信号经放大后驱动光纤信号发射电路产生光信号，实现所有光纤信号发射电路输出精确同步的系统时钟光信号。系统触发信号由控制台经电缆输出，隔离后的触发信号经放大后驱动光纤信号发射电路产生光信号，实现所有光纤信号发射电路输出精确同步的系统触发光信号。

关于分布式节点的设置

参见图3，分布式节点是实现分布式控制、触发延迟和时钟分频的核心，它由以太网网络接口电路、FPGA时钟分频模块与触发延迟模块、FPGA上电配置电路、触发驱动电路、时钟驱动电路、触发通道输出使能控制电路、本地调试电路以及光电转换电路组成。

图3所示，采用光电转换电路将核心模块发出的系统触发光信号转换为电信号，采用高速光电转换电路将核心模块发出的系统时钟光信号转化为电信号。

以太网网络接口电路内运行嵌入式操作系统具备网络通信能力，使用TCP/IP协议与控制台进行网络通信。FPGA时钟分频与触发延迟模块实现对系统时钟的任意整数分频系数设置和系统触发延迟参数(包括脉冲触发的属性)设置，并输出若干路的分频时钟信号和若干路的触发延迟信号。触发通道输出使能电路用于控制远程控制各个触发通道是否输出，若某个指定触发通道被禁止输出，该通道将始终保持在低电平，不会输出任何触发信号。图4所示为FPGA内部时钟分频模块单通道电路原理，如图4所示，LD16为16Bit的锁存器，divmod(15:0)为16Bit的分频系数输入端口，latch为锁存器锁存端；div16为时钟分频模块，clk_in为系统时钟输入端，clk_rst为时钟分频模块复位端，clk_out为分频后时钟输出端。与某时钟分频通道相对应的16Bit分频系数被latch信号锁存在LD16的Q(15:0)端。若分频系数为0(即Q(15:0)全为0)，则ATPGEN为高电平，clk_out输出时钟频率等于clk_in上的时钟频率；若分频系数不为0，则输出时钟频率F_{clk_out}＝F_{clk_in}/(Q(15:0)+1)。

隔离和驱动设备的设置：

具体实施中，由于装置的子系统上可能有高压的存在，从系统安全的角度考虑，定时系统不能与各子系统使用同一套电源系统。从信号完整性的角度考虑，为了避免在各子系统的信号间构成“地”环路从而引入噪声，定时系统输出的分频时钟与触发延迟信号不能直接与各子系统有电气连接。因此，定时系统的分布式节点与各子系统间必须有隔离设备。不同的子系统对信号有不同的要求，可能需要电信号也可能需要光信号，信号的幅度(或强度)和脉冲的宽度也是各异的，因此，对于不同的子系统专门设计隔离驱动设备，以满足不同子系统接收端的要求。

图5所示为定时系统的分布式节点与各子系统间隔离设备原理图，其中IC3是ADI公司的iCoupler数字隔离芯片ADuM1100，具有很高的数据传输速率，用于时钟信号的隔离。ADuM1100的输入和输出需要彼此隔离的5V或3.3V电源，电路中使用了DC-DC模块Power1，5V的VCC为IC3的VDD2供电，VCC经过Power1隔离后产生的Isolated VCC1为IC3的VDD1供电。IC974FCT807是一片时钟驱动芯片，可以同时输出相位高度一致的10路时钟信号，分布式节点输出的时钟信号经过ADuM1100隔离后在VO端输出，VO与4FCT807的VI相连作为其时钟输入信号。ACLK1～ACLK10端口上输出的时钟信号即可提供给各个子系统。

此外，光电耦合器IC1 6N137用于隔离分布式节点输出的触发信号，触发信号经过IC5和IC6 NE555后，脉冲宽度可以展开，同时由于NE555的输出具有很强的驱动能力，因此隔离后的触发信号具备了很强的驱动能力。

Claims (4)

1.分布式定时系统，其特征是：

设置树形信号网络，所述树形信号网络具有按分布式子系统的不同的物理位置对应设置的各分布式节点，每一分布式节点分别以两路信号传输光纤与核心模块进行连接，其中一路为系统时钟信号传输光纤，另一路为系统脉冲触发信号传输光纤；所述核心模块通过各分布式节点为每一分布式子系统提供若干路同步的方波系统时钟和若干路同步的系统脉冲触发信号；

在每个分布式节点上，分别提供若干路由系统时钟分频后输出的电信号，以及若干路由系统触发延迟后输出的脉冲电信号，并经外围隔离和驱动设备后对应提供给各子系统；

设置局域控制网络，各分布式节点与控制台共同接入在以太网中，所述控制台一路通过电缆向核心模块提供系统触发脉冲电信号，另一路通过以太网对各分布式节点上的各个时钟和触发输出通道进行设置，在时钟输出通道上输出对系统时钟进行分频的方波信号；在预定的延迟时刻后，在触发输出通道上输出脉冲触发信号，其中包括脉冲极性和脉冲宽度的脉冲属性可同时被设置。

2.根据权利要求1所述的分布式定时系统，其特征是在核心模块与每一分布式节点之间，所述的两路信号传输光纤长度相等。

3.根据权利要求1所述的分布式定时系统，其特征是对应各分布式节点，设置各自的隔离与驱动设备。

4.根据权利要求3所述的分布式定时系统，其特征是所述隔离与驱动设备包括：

所述隔离设备采用数字隔离芯片IC3，并设置DC-DC模块，5V的直流电源VCC直接接入数字隔离芯片IC3的VDD2脚，同时，电源VCC经过DC-DC模块隔离后产生的3.3V直流电源VCC1接入数字隔离芯片IC3的VDD1脚；

所述驱动设备采用时钟驱动芯片IC9，由分布式节点输出的时钟信号在经数字隔离芯片IC3隔离后在IC3的VO端输出，并以所述VO端输出信号接入IC9作为其时钟输入信号，在所述驱动芯片IC9的ACLK1～ACLK10端口上为各子系统输出10路相位一致的时钟信号。

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