CN101673947A - 超导磁体室温匀场电源 - Google Patents

Abstract

超导磁体室温匀场电源，涉及一种电源，尤其是涉及一种能够提供40路恒定电流，基于以太网进行数据传输，利用FPGA技术实现逻辑控制的超导磁体室温匀场电源。提供一种结构较简单独立、集成度较高、可输出多路电流、线性可调、反应快速、输出电流精度较高、噪声系数较低、稳定性较高、通用性较好的超导磁体室温匀场电源。设有匀场控制板、工作电源板、轴向通道驱动板和横向通道驱动板。工作电源板为匀场控制板、轴向通道驱动板和横向通道驱动板提供直流稳压电源，匀场控制板与PC机连接，匀场控制板输出端分别与轴向通道驱动板和横向通道驱动板连接。

Description

超导磁体室温匀场电源

技术领域

本发明涉及一种电源，尤其是涉及一种能够提供40路恒定电流，基于以太网进行数据传输，利用FPGA技术实现逻辑控制的超导磁体室温匀场电源。

背景技术

超导磁体的磁场强度一般为7～20T，其磁场均匀度受周围环境温度、电磁等的干扰特别敏感。为了使磁场达到最佳均匀状态，需要多路恒定电流源提供给磁体内各个方向的室温匀场线圈，通过手动方式或者通过计算机算法实现自动方式修正匀场数据，以实时改变室温匀场线圈的电流值，补偿超导磁体的磁场均匀度。

目前，高分辨率超导核磁共振仪依靠进口。国外现有核磁共振谱仪超导磁体室温匀场电源依附其硬件控制台，以Varian公司最新型号NMR SYSTEM型核磁共振波谱仪的匀场电源为例，其室温匀场电源依附硬件控制台，通过专用数据线传输数据。

根据Varian公司最新型号NMR SYSTEM型核磁共振波谱仪用户手册对超导磁体室温匀场电源性能的描述，该超导磁体室温匀场电源与硬件控制台彼此之间用16芯信号线相连接，以差分信号形式进行信号传输。硬件控制台向匀场电源发送时序控制信号、多通道DAC地址信号，同时以串行传输方式传输40路匀场数据。超导磁体室温匀场电源电路由中小规模集成电路所构成，实现对来自硬件控制台差分信号的电平转换，以及对其中多通道DAC地址信号的译码。在来自硬件控制台的时序控制信号、匀场电源电路译码产生的多通道DAC地址译码信号以及40路串行匀场数据作用下控制多通道D/A转换电路的输出电压。该输出电压驱动电压-电流(V-I)驱动电路实现对输出电流大小、方向的控制。

在这种技术下，匀场电源依附于硬件控制台，大部分控制信号均来自硬件控制台。由于传输方式决定了其与硬件控制台的传输距离较短，而且由于采用中小规模的集成电路，因此不仅增加了系统的复杂性，而且降低了系统的可靠性和可扩展性。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构较简单独立、集成度较高、可输出多路电流、线性可调、反应快速、输出电流精度较高、噪声系数较低、稳定性较高、通用性较好的超导磁体室温匀场电源。

本发明设有匀场控制板、工作电源板、轴向通道驱动板和横向通道驱动板。

工作电源板为匀场控制板、轴向通道驱动板和横向通道驱动板提供直流稳压电源，匀场控制板与PC机连接，匀场控制板输出端分别与轴向通道驱动板和横向通道驱动板连接。

所述工作电源板电路可设有变压器、桥式整流电路、滤波电路和稳压电路，变压器输入端外接交流市电，变压器输出端接桥式整流电路输入端，滤波电路输入端接桥式整流电路输出端，稳压电路输入端接滤波电路输出端，稳压电路输出端输出直流电压。

所述匀场控制板可设有FPGA芯片、下载电路、时钟电路、复位电路、以太网控制器、RJ45接口和电平转换驱动电路。以太网控制器与PC机之间通过RJ45接口实现以太网通讯；下载电路、时钟电路、复位电路和电平转换电路分别与FPGA芯片连接，将FPGA芯片的工作电压转换为匀场电源横向通道驱动板以及轴向通道驱动板所需要的工作电压。

所述轴向通道驱动板可设有D/A转换电路和电压-电流(V-I)驱动电路，D/A转换电路输入端通过轴向通道控制总线与均场控制板连接，D/A转换电路输出端接电压-电流(V-I)驱动电路；所述横向通道驱动板可设有D/A转换电路以及电压-电流(V-I)驱动电路，D/A转换电路输入端通过轴向通道控制总线与均场控制板连接，D/A转换电路输出端接电压-电流(V-I)驱动电路。

所述稳压电源可包括5V/±15V/±12V/±9V电源。所述稳压电路可设有电源保护电路。

所述匀场控制板与PC机连接可通过以太网通信连接并接收40路匀场数据。

匀场控制板输出端向轴向通道驱动板和横向通道驱动板输出控制信号，并基于SPI通信协议串行传送40路32位匀场数据；轴向通道驱动板提供6路高精度双向可调恒定电流送入轴向匀场线圈组，2路转换电压控制外部锁场与梯度通道，从而得到匀场线圈的匀场电流；横向通道驱动板提供32路高精度双向可调恒定电流送入横向匀场线圈组。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是基于以太网通信方式传输来自计算机的40路匀场数据；采用FPGA实现所有逻辑控制信号和数据传输，启动40通道D/A转换。各通道D/A转换电路的输出电压驱动电压-电流(V-I)驱动电路从而输出40路高精度可调双向恒定电流驱动超导磁体内的室温匀场线圈，进而补偿超导磁场的不均匀度。

基于以太网的超导磁体室温匀场电源由工作电源板、匀场控制板、轴向通道驱动板和横向通道驱动板构成。工作电源板为匀场控制板、轴向通道驱动板和横向通道驱动板提供工作电源。匀场控制板是利用FPGA实现以太网控制模块、匀场核心控制模块和nios软核设计的嵌入式处理器模块、电源保护电路。以太网控制模块外部连接以太网控制器与PC机之间通过RJ4510M/100M接口实现以太网通信，接收来自PC机端的匀场数据并通过匀场核心控制模块输出逻辑控制信号，同时启动轴向和横向部分基于SPI协议的多通道16位高精度串行DAC7734的数模转换。DAC的输出电压经过电压-电流(V-I)驱动电路输出恒定的匀场电流到匀场线圈调整控制磁场的均匀度。锁场控制电路接受锁场控制信号通过轴向Z0通道实现锁场的控制。

本发明的有益效果是由于采用了计算机软件技术和FPGA技术，实现了基于以太网通信的超导磁体高精度室温匀场电源，因此具有以下突出优点：独立的通用的设备、输出电流精度高、匀场调整反应时间快、稳定性高、噪声系数低，且提供40路双向可调恒定电流输出。

附图说明

图1为本发明实施例的电路组成框图。

图2为本发明实施例的工作电源板U2的电路原理图。

图3为本发明实施例的匀场控制板U1的电路原理图。

图4为图3中FPGAU1-1、以太网控制器U1-5、RJ45接口U1-6的电路连接图。

图5为图3中FPGAU1-1外围下载电路U1-4、时钟电路U1-3、复位电路U1-2的电路连接图。

图6为图3中电平转换电路U1-7的电路连接图。

图7为本发明实施例的匀场轴向通道驱动板U3和横向通道驱动板U4的电路原理图。

图8为图7中D/A转换电路U3-2A的电路连接图。

图9为图7中电压-电流(V-I)驱动电路U3-1的电路连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述超导磁体室温匀场电源设有匀场控制板U1、工作电源板U2、轴向通道驱动板U3和横向通道驱动板U4。

工作电源U2为匀场控制板U1和轴向通道驱动板U3、横向通道驱动板U4提供稳定性、纹波系数良好、低噪声的5V/±15V/±12V/±9V的直流稳压电源；匀场控制板U1与PC机U0通过以太网通信(在图1中标记为A)接收40路匀场数据。匀场控制板U1向轴向通道驱动板U3和横向通道驱动板U4输出控制信号，并基于SPI通信协议串行传送40路32位匀场数据；轴向通道驱动板U3提供6路高精度双向可调恒定电流I₆送入轴向匀场线圈组，2路转换电压V₂控制外部锁场与梯度通道，从而得到匀场线圈的匀场电流。横向通道驱动板U4提供32路高精度双向可调恒定电流I₃₂送入横向匀场线圈组。

如图2所示，工作电源板U2电路由环形变压器U2-1、桥式整流电路U2-2、滤波电路U2-3、稳压电路U2-4和电源保护电路U2-5构成。

交流220V市电输入经过环形变压器U2-1得到所需的低压交流电压，经桥式整流电路U2-2、滤波电路U2-3以及稳压电路U2-4转变为直流电压输出，可以得到5V/±15V/±12V/±9V直流电压输出。元器件选择上，为了得到5V/±15V/±12V/±9V的恒压源输出，稳压电路U2-4分别采用7805、7815、7915、7812、7912、7809、7909型稳压块。±15V电压输出受电源保护电路U2-5的控制。

电源保护电路U2-5的连接方式如图2所示。15V、-15V电源提供保护电路原理相同。以15V电源输出保护为例：电压经过两个电阻所构成的分压电路U2-5-2后与基准电压电路U2-5-3的两个基准电压在比较电路U2-5-4比较进行比较，若低于低基准电压阈值或者高于高基准电压阈值则向匀场控制板U1发出电压异常的状态信号，匀场控制板U1在相隔500ms后仍然检测到异常状态信号，便向工作电源板U2的电源保护电路继电器U2-5-1发出控制信号切断15V直流电压供电。元器件选择上，基准电压电路U2-5-3的两个基准电压输出由LM3362.5V稳压管分压而得。比较电路采用两个LM339串接。采用电源保护电路的目的是确保15V或者-15V电压工作在指定的工作电压区域，一旦超过便切断15V和-15V电源。

如图3所示，整个工作电源板U2电路可提供四套独立的、稳定性、纹波系数良好的、低噪声的5V/±15V/±12V/±9V的直流稳压电源。工作电源板U2向轴向驱动板U3提供5V/±15V/±12V直流稳压电源，为横向驱动板U4提供5V/±15V/±9V直流稳压电源，向匀场控制板U1提供5V/±15V直流稳压电源。这3个板块彼此独立、不共地。匀场控制板U1基于FPGA芯片U1-1，参考采用ALTERA CYCLONE II EP2C20系列芯片。主要外围电路包括下载电路U1-4、时钟电路U1-3、复位电路U1-2、以太网控制器U1-5、RJ45接口U1-6、电平转换驱动电路U1-7。

如图4所示，以太网控制器U1-5采用以太网控制芯片DM9000AE，以太网控制器U1-5与PC机U0之间通过RJ45接口U1-6实现以太网通讯。

如图5所示FPGA外围下载电路U1-4、时钟电路U1-3、复位电路U1-3。时钟电路采用50MHZ有源晶振。FPGA的可编程特性，本电源板可以通过在线编程或者AS配置方式的实现程序下载。因此设计上JP1为AS配置方式的程序下载接口，JP2为在线编程的JTAG口。下载电路U1-4采用配置芯片EPCS16N。

如图6所示，电平转换电路U1-7实现电平的转换以及加强驱动的功能。电平转换电路U1-7采用电平转换芯片74LVC4245AU1-7-1～U1-7-5，实现将FPGAU1-1的3.3V工作电压转换为匀场电源横向通道驱动板以及轴向通道驱动板所需要的5V的工作电压。为了增强对驱动板的驱动能力，在74LV4245AU1-7-1～U1-7-5后连接74HC541芯片U1-7-6～U1-7-10，从74HC541芯片U1-7-6～U1-7-10输出后接JP4、JP5、JP6连接口。JP5同轴向通道驱动板U3的JP15相连接，JP4、JP6分别和横向通道驱动板U4的JP14、JP16相连接。

如图3所示，在FPGAU1-1内部使用Quartus II自带的SOPC Builder软件定制了CPU软核--NIOS II CPUU1-9、以太网控制模块U1-8、LED驱动模块U1-10、32位FIFOU1-13和匀场电源核心控制模块U1-12、电源保护电路U1-11等等。以太网控制模块U1-8外部连接以太网控制器U1-5接收来自PC机端U0的40路匀场数据。NIOS II CPUU1-9将40路32位匀场数据依次存入32位FIFOU1-13。匀场电源核心控制模块U1-12从32位FIFOU1-13以先入先出的顺序取出40路32位并行数据。匀场电源核心控制模块U1-12根据SPI通信协议，将40路32位匀场数据以SPI串行方式输出，并相应输出逻辑控制信号控制匀场电源轴向通道驱动板U3以及横向通道驱动板U4。

如图7所示，匀场电源的轴向通道驱动板U3和横向通道驱动板U4工作原理和电路结构大致相同。两块驱动板的主要结构包括D/A转换电路以及电压-电流(V-I)驱动电路。如图7所示D/A转换电路U4-2C到D/A转换电路U4-2J以及D/A转换电路U3-2B的电路结构雷同。电压-电流(V-I)驱动电路U4-1和电压-电流(V-I)驱动电路U3-1电路结构相同，元件参数不同。

如图8轴向通道驱动板U3为例阐述具体结构连接。轴向通道驱动板U3采用串行输入的DAC U3-2-3(即DAC7734)实现D/A转换电路U3-2A。U3-2-1(AD588)提供基±5V电压，并通过放大器U3-2-2(OP4234)为U3-2-3(DAC7734)提供±5V转换参考电压。匀场电源轴向通道驱动板U3有8路电压输出分配给匀场电源的第1到第8个通道。其中第1、2通道输出直接以电压信号输出的形式通过四芯信号线送往外部锁场与梯度通道，其余6路DAC电压输出驱动6路电压-电流(V-I)驱动电路U3-1。

图9解释任何一路电压-电流(V-I)驱动电路U3-1的结构。电压-电流(V-I)驱动电路U3-1实现电压电流转换的作用。三极管Q1、Q2采用达林顿管，而二极管D1、D2采用肖特基二极管。UA、UB参考采用放大器OP2227。RS为采样电阻，建议采用功率达2W以上的精密电阻。

横向通道驱动板U4有8片DAC7734实现D/A转换电路U4-2C到D/A转换电路U4-2J，产生32路电压输出控制后继32通道电压-电流(V-I)驱动电路U4-1，从而提供32通道高精度双向可调恒定电流驱动其余32路匀场线圈即第9至第40通道匀场线圈。

Claims (7)

1.超导磁体室温匀场电源，其特征在于设有匀场控制板、工作电源板、轴向通道驱动板和横向通道驱动板；工作电源板为匀场控制板、轴向通道驱动板和横向通道驱动板提供直流稳压电源，匀场控制板与PC机连接，匀场控制板输出端分别与轴向通道驱动板和横向通道驱动板连接。

2.如权利要求1所述的超导磁体室温匀场电源，其特征在于所述工作电源板电路设有变压器、桥式整流电路、滤波电路和稳压电路，变压器输入端外接交流市电，变压器输出端接桥式整流电路输入端，滤波电路输入端接桥式整流电路输出端，稳压电路输入端接滤波电路输出端，稳压电路输出端输出直流电压。

3.如权利要求1所述的超导磁体室温匀场电源，其特征在于所述匀场控制板设有FPGA芯片、下载电路、时钟电路、复位电路、以太网控制器、RJ45接口和电平转换驱动电路，以太网控制器与PC机之间通过RJ45接口实现以太网通讯；下载电路、时钟电路、复位电路和电平转换电路分别与FPGA芯片连接。

4.如权利要求1所述的超导磁体室温匀场电源，其特征在于所述轴向通道驱动板设有D/A转换电路和电压-电流驱动电路，D/A转换电路输入端通过轴向通道控制总线与均场控制板连接，D/A转换电路输出端接电压-电流驱动电路；所述横向通道驱动板设有D/A转换电路和电压-电流驱动电路，D/A转换电路输入端通过轴向通道控制总线与均场控制板连接，D/A转换电路输出端接电压-电流驱动电路。

5.如权利要求1所述的超导磁体室温匀场电源，其特征在于所述稳压电源包括5V/±15V/±12V/±9V电源。

6.如权利要求1所述的超导磁体室温匀场电源，其特征在于所述稳压电路设有电源保护电路。

7.如权利要求1所述的超导磁体室温匀场电源，其特征在于所述匀场控制板与PC机连接是通过以太网通信连接并接收40路匀场数据。

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