CN104267702A - 基于SOPC技术的Galatea型等离子体磁约束装置时序控制系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于SOPC技术的Galatea等离子体磁约束装置时序控制系统，该时序控制系统包括工控机总控及时序参数设置单元、中央时序控制单元、本地时序控制单元和光电转换单元，通过位于工控机总控及时序参数设置单元平台对时钟通道的分频系数和触发通道的延时参数进行设置，可以完成对整个磁约束装置的工作时序设定，从而提供精确的时钟信号和延时触发信号，保证了整个磁约束装置的正常运行。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体磁约束领域，具体为一种新型的Galatea等离子体磁约束装置的时序控制系统。
背景技术
目前，人类最主要的能源仍是煤炭、石油、天然气等化石燃料，这些能源储量有限而且使用过程严重污染环境。因此，随着能源问题的日益突出，开发安全可靠、高效清洁的新能源迫在眉睫。核能的利用上，由于核裂变所需的原料铀的储量不多，放射性与危险性大。而核聚变在燃料的燃料蕴藏量、安全性都具有非常大的优势。实现受控核聚变有两个方向：惯性约束和磁约束。目前，人们的主要研究方向为磁约束核聚变，具有代表性的磁约束装置由托卡马克和仿星器。
Galatea型磁约束装置作为非托卡马克型受控热核聚变等离子体磁约束的初级研究装置，与托卡马克、仿星器等磁约束装置相比，具有结构简单、体积小、可控性好、能自动抑制等离子体的互换不稳定性等优点。Galatea型等离子体磁约束装置主要由等离子体枪、等离子运输通道和磁阱三部分组成。其中等离子体枪、等离子运输通道和磁阱均放置于真空罐中。除此之外，Galatea型磁约束装置还需要配套其它的一些辅助系统，主要包括等离子体诊断系统、脉冲电源系统、真空抽气系统、水冷系统等。这些子系统广泛的分布在Galatea装置的不同位置，在装置工作的过程中，对每一个子系统的工作顺序和工作时间都有严格要求，因此需要一个同步时序控制机制来实现Galatea等离子体磁约束系统的各个部分的工作时序控制，并同步约束各个子系统的工作，从而保证等离子体的产生、输运和等离子体磁约束等一系列工作过程的正常运行。
目前，在已有的Galatea型磁约束装置使用的时序控制系统普遍使用多台脉冲信号发生器联合控制整个装置的工作。这种方式有以下缺陷：一是由于单个设备的脉冲触发时间需要手动设置，如果实验中需要改变脉冲触发时间，那就需要反复设置，自动化程度低、实验效率不高；二是多台设备联合使用时，设备之间的同步是通过串联触发信号，即电信号实现的，电信号的通信距离短且容易受到外界电磁干扰，容易产生误动作而导致实验失败。
在这种情况下，我们研发了基于SOPC技术的Galatea型等离子体时序控制系统。本系统由总控及时序参数设置平台、中央时序控制模块、本地时序控制模块以及外围隔离驱动设备组成。其中总控及时序参数设置平台负责Galatea型等离子体磁约束装置中各个子系统的工作时序、中央触发延时模块上的时钟和延时触发通道等参数的设置和管理。中央时序控制模块对32MHz的系统时钟进行0-65535的任意整数分频，能输出多达16路的延时触发和同步时钟信号，可以对任意一路的系统触发信号进行输出延时，最大延时时间为4096s，延时分辨率为100ns。本地时序控制模块接收中央时序控制模块输出的触发光信号，经过光电转换和外围隔离驱动后直接控制各个子系统的工作时序。本发明采用数据处理能力强大的工控机来管理整个装置复杂的参数设置和时序管理；利用FPGA的高效并行处理能力使得处于不同物理位置的各个节点获得了更为精准的触发定时信号和同步时钟信号；另外，采用SOPC技术的硬件结构通用性强、灵活可靠，使得系统升级也变得非常的方便和快捷。
发明内容
本发明的主要目的在于提供了一种基于SOPC技术的Galatea型等离子体磁约束装置的时序控制系统。在使用Galatea型离子体磁约束装置进行等离子体磁约束实验中，时序控制系统应该向分布在不同物理位置的各子系统提供精确的时钟信号和延时触发信号，以确保各个子系统可以以相同的时基和严格的时序工作，从而确保Galatea型等离子体磁约束装置的稳定运行。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
基于SOPC技术的Galatea等离子体磁约束装置的中央时序控制系统，其特征在于：包括工控机总控及时序参数设置单元、中央时序控制单元、本地时序控制单元、光电转换单元和Galatea光纤控制网。所述的工控机总控及时序参数设置单元与中央时序控制单元通过Galatea控制网中的以太网实现双向的数据通信，并通过Galatea控制网中的光纤网实现对整个系统的启动停止控制。所述的中央时序控制单元是本系统的核心，负责输出延时触发和同步时钟信号。所述的本地时序控制单元用于接收Galatea控制网中的光纤网络分配的同步时钟和延时触发信号，控制相应Galatea装置的子系统的工作。所述的Galatea光纤控制网用于连接中央时序控制单元和本地时序控制单元，用于延时触发和同步时钟信号的传输。所述的中央时序控制单元通过光电转换设备向本地时序控制单元输出同步时钟信号和延时触发信号，所述的本地时序控制单元通过隔离驱动电路向Galatea型离子体磁约束装置中各个子系统输出触发信号。
所述的工控机总控及时序参数设置单元，其中总控平台直接控制系统触发的输出，而时序参数设置平台通过以太网可灵活地对中央时序控制模块上的时钟和触发输出通道进行参数设置和集中管理。时序参数设置平台可以采用按子系统、按节点或按放电时序的方法在每次放电前的准备阶段对各个分布式节点进行管理，只需经过简单的操作就可对各节点上的所有时钟通道的分频系数和触发通道的延迟参数进行设置。
所述的中央时序控制单元，是Galatea等离子体磁约束装置的时序控制系统的关键组成部分，是实现分布式控制、触发延迟和时钟分频的核心。中央时序控制单元依赖的平台是Altera公司的FPGA，在其上利用SOPC技术将嵌入式NIOS II软核和时钟分频及延时触发模块集成到一起，它们之间的数据通信是通过Avalon总线实现的。通过在嵌入式软核NIOS II中移植精简TCP/IP协议栈LWIP，可以与总控参数设置平台之间实现实时的以太网数据通信，即通过以太网接收来自总控参数设置平台的各种实验设置参数并解析，解析的结果(时序控制逻辑和各个子系统的延时触发时间)通过Avalon总线分别传递给时钟分频模块和延时触发模块，从而指导时钟分频模块产生时序控制和同步时钟，延时触发模块输出延时触发，进而控制各个子系统的工作时序。
所述的本地时序控制单元，通过光纤网接收来自于中央时序控制节点的同步时钟和延时触发信号，经过处理后控制相应的Galatea装置的子系统。本地时序控制单元是在FPGA上实现的，可以产生8路触发信号和8路同步时钟输出，通过光电转换设备控制各个子系统的运行。
所述的光电转换单元，用于Galatea等离子体磁约束装置的中央时序控制单元和各个本地时序控制单元之间的高速的延时触发和同步时钟信号的光电转换。隔离和驱动单元上的每一路输入输出通道，都是由一对Agilent公司的光信号传输器HFBR-1414T与光信号接收器HFBR-2416T组成，保证在0-100m距离内数据的通信速率不小于125MBd。
所述的Galatea光纤控制网，包括以太网和光纤控制网，其中以太网用于工控机总控及时序参数设置单元和中央时序控制单元之间的通信，光纤控制网用于中央时序控制单元和处于不同物理位置的本地时序控制单元之间的同步时钟和延时触信号的通信。为了保证传输延时的一致性要求连接的光缆长度是等长的，在Galatea等离子体磁约束装置中，使用多路50/125μm多模光纤组成了Galatea光纤控制网。
本发明具有以下优点：
其一：本发明采用基于SOPC硬件结构设计，其嵌入式NIOS II软核、时钟分频和延时触发模块均采用软件编程实现，硬件成本低，系统升级方便快捷。
其二：本发明提出的基于SOPC技术的Galatea等离子体磁约束装置的中央时序控制系统实现了脉冲触发宽度可调、信号极性可选的功能。不需要任何外围设备，系统就可以产生多达16路的延时触发和同步时钟信号，并可以对任意一路的系统触发信号进行输出延时，其最大延时时间为4096s，延时分辨率为100ns。
其三：本发明提出的基于SOPC技术的Galatea等离子体磁约束装置的中央时序控制系统的控制网络为以太网+光纤网。利用以太网实现各个模块的快速组网和数据交互传输，利用光纤网传输高速同步时钟和延时触发信号，提高了信号的传输精度，保证了Galatea等离子体磁约束装置各个子系统之间高精度的工作时序要求。
附图说明
1.图1是本发明所述的Galatea型等离子体磁约束装置的时序控制系统的结构图；
2.图2是本发明所述的Galatea型等离子体磁约束装置的时序控制系统的中央时序控制单元原理示意图；
3.图3是本发明所述的Galatea型等离子体磁约束装置的时序控制系统的本地时序控制单元原理示意图；
4.图4是本发明所述的Galatea型等离子体磁约束装置的时序控制系统的光电转换单元原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的原理和特征进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明所述的Galatea型等离子体磁约束装置的时序控制系统包括工控机总控及参数设置单元、中央时序控制单元、第一光电转换单元、Galatea光纤控制网、第二光电转换单元以及本地时序控制单元。工控机总控及参数设置单元将时序参数配置信息通过以太网传输到中央时序控制单元，经过中央时序控制单元对配置参数进行解析处理，将生成的延时触发信号的同步时钟通过Galatea光纤控制网、光电转换传输至本地时序控制单元。经过信号转换后控制Galatea型离子体磁约束装置中各个子系统输出触发信号。
如图2所示，本发明还给出了Galatea型等离子体磁约束装置的时序控制系统的中央时序控制单元的原理示意图。它是Galatea等离子体时序控制系统的核心，它是由嵌入式NIOS II软核、网络通信模块、I/O输入输出模块、Avalon总线、参数控制器、同步时钟输出模块、延时触发输出模块和起停检测模块组成。它可以实时地通过以太网与总控参数设置单元进行数据通信，接收并解析各种实验设置参数，并生成时序控制逻辑和各个子系统的延时触发时间的参数传递给同步时钟输出模块和延时触发输出模块，从而产生输出延时触发和同步时钟的输出时序信号。
如图3所示，本发明还给出了Galatea型等离子体磁约束装置的时序控制系统的本地时序控制单元原理示意图。本单元由FPGA时序控制模块、延时触发驱动电路和同步时钟驱动电路组成。主要功能是用于接收Galatea光纤网络分配的同步时钟和延时触发信号，经过信号转换后通过隔离驱动电路控制相应的Galatea装置中的各个子系统的工作。
如图4所示，本发明还给出了Galatea型等离子体磁约束装置的时序控制系统的光电转换单元原理示意图。本单元由光电转换与发送模块和光电转换与接收模块组成。其中的光电转换发射模块是由电平转换电路和光信号传输器HFBR-1414T组成；光电转换接收模块是由电平转换电路和光信号接收器HFBR-2416T及信号驱动电路组成。主要用于中央时序控制单元通过光电转换设备向本地时序控制单元输出同步时钟信号和延时触发信号，完成光电信号的转换和信号的电平变换。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于SOPC技术的Galatea型等离子体磁约束装置时序控制系统，其特征在于包括包括工控机总控及时序参数设置单元、中央时序控制单元、光电转换单元、Galatea光纤控制网以及本地时序控制单元，
所述的工控机总控及时序参数设置单元与中央时序控制单元通过Galatea光纤控制网中的以太网实现双向的数据通信，并通过Galatea光纤控制网中的光纤网实现对整个系统的启动停止控制，所述的中央时序控制单元负责输出延时触发和同步时钟信号，所述的本地时序控制单元用于接收Galatea光纤控制网中的光纤网络分配的同步时钟和延时触发信号，控制相应Galatea等离子体磁约束装置的子系统的工作，所述的Galatea光纤控制网用于连接中央时序控制单元和本地时序控制单元，用于延时触发和同步时钟信号的传输，所述的中央时序控制单元通过光电转换单元向本地时序控制单元输出同步时钟信号和延时触发信号，所述的本地时序控制单元通过隔离驱动电路向Galatea等离子体磁约束装置中各个子系统输出触发信号。
2.根据权利要求1所述的时序控制系统，所述的工控机总控及时序参数设置单元，其中总控平台直接控制系统触发的输出，而时序参数设置平台通过以太网对中央时序控制模块上的时钟和触发输出通道进行参数设置和集中管理，时序参数设置平台采用按子系统、按节点或按放电时序的方法在每次放电前的准备阶段对各个分布式节点进行管理，可对各节点上的所有时钟通道的分频系数和触发通道的延迟参数进行设置。
3.根据权利要求1所述的时序控制系统，所述的中央时序控制单元是在FPGA上利用SOPC技术将嵌入式NIOS II软核与时钟分频和延时触发模块集成到一起，它们之间使用Avalon总线实现数据通信。
4.根据权利要求3所述的时序控制系统，通过嵌入式NIOS II软核中移植精简TCP/IP协议栈LWIP，实时地通过以太网与总控参数设置平台进行数据通信，接收并解析各种实验设置参数，并通过Avalon总线将生成时序控制逻辑和各个子系统的延时触发时间的参数传递给时钟分频和延时触发模块，从而产生时序控制，输出延时触发和同步时钟的输出信号，进而控制各个子系统工作时序。
5.根据权利要求1所述的时序控制系统，所述的本地时序控制单元是在FPGA上实现的，本单元由FPGA时序控制模块、延时触发驱动电路和同步时钟驱动电路组成，用于接收Galatea光纤控制网分配的同步时钟和延时触发信号，经过信号转换后通过隔离驱动电路控制相应的Galatea装置中的各个子系统的工作。
6.根据权利要求5所述的时序控制系统，本地控制节点可以产生8路触发延时信号和8路同步时钟驱动信号。
7.根据权利要求1所述的时序控制系统，所述的光电转换单元用于中央时序控制单元和各个本地时序控制单元之间的延时触发和同步时钟信号的光电转换。
8.根据权利要求1所述的时序控制系统，所述的Galatea光纤控制网，包括以太网和光纤控制网，其中以太网用于工控机总控及时序参数设置单元和中央时序控制单元之间的通信，光纤控制网用于中央时序控制单元和处于不同物理位置的本地时序控制单元之间的同步时钟和延时触信号的通信。
9.根据权利要求8所述的时序控制系统，为了保证传输延时的一致性，要求中央时序控制单元与本地时序控制单元之间的光纤长度是等长的，采用多路50/125μm多模光纤组成Galatea光纤控制网。
10.根据权利要求1所述的时序控制系统，中央时序控制单元对32MHz的系统时钟进行0-65535的任意整数分频，能输出多达16路的延时触发和同步时钟信号，可以对任意一路的系统触发信号进行输出延时，最大延时时间为4096s，延时分辨率为100ns。
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