CN113311752B - 一种高压电场快速调制控制和实时监测装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压电场快速调制控制和实时监测装置及其使用方法，其特征在于，包括主控芯片、保护电路、AD模块、DA模块和磁耦隔离供电模块；主控芯片通过保护电路分别连接AD模块和DA模块，AD模块用于接收高精度分压器实时监控的高压平台的高压和漏电流状态以及高压电源或高压放大器的电压和漏电流状态，并发送至主控芯片；主控芯片用于控制AD模块和DA模块的工作，对AD模块接收的数据进行处理得到CA协议数据包实时传输至外部控制系统，以及对外部控制系统下发的调制波形进行处理产生调制信号后通过DA模块发送至高压电源或高压放大器，磁耦隔离供电模块用于为各用电部件进行供电，本发明可广泛用于加速器领域中。

Description

一种高压电场快速调制控制和实时监测装置及其使用方法

技术领域

本发明是关于一种高压电场快速调制控制和实时监测装置及其使用方法，属于加速器领域。

背景技术

随着加速器领域的迅速发展，加速器对电场强度的要求越来越多，从静止单一强度变为动态实时调整。高压电场是通过高压平台产生的，因而控制高压平台的变化则能够控制高压电场的变化。然而，目前这类高压平台的监测速率最快在秒级，远远不能满足加速器的需求，特别对于漏电流的监测，在瞬间漏电流变大的情况下如果不能及时发现，对设备可能会造成巨大损坏。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种高压电场快速调制控制和实时监测装置及其使用方法，能够在微秒级调制控制和实时监测高压平台，同时能够监测出高压平台的纹波及漏电流状况。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种高压电场快速调制控制和实时监测装置，包括主控芯片、保护电路、AD模块、DA模块和磁耦隔离供电模块；

所述主控芯片通过所述保护电路分别连接所述AD模块和DA模块，所述AD模块用于接收高精度分压器实时监控的高压平台的高压和漏电流状态以及高压电源或高压放大器的电压和漏电流状态，并发送至所述主控芯片；

所述主控芯片用于控制所述AD模块和DA模块的工作，对所述AD模块接收的数据进行处理得到CA协议数据包实时传输至外部加速器控制系统，以及对外部加速器控制系统下发的调制波形进行处理产生调制信号后通过所述DA模块发送至高压电源或高压放大器；

所述磁耦隔离供电模块分别连接所述主控芯片、AD模块和DA模块，用于为各用电部件进行供电。

进一步地，该装置还包括光纤通讯模块和高速串行收发器；所述主控芯片通过所述高速串行收发器经所述光纤通讯模块连接外部加速器控制系统。

进一步地，所述光纤通讯模块采用SFP光模块。

进一步地，所述主控芯片包括PS部分和PL部分；

所述主控芯片的PS部分用于对所述AD模块接收的数据进行数据变换处理得到物理浮点型数据并封装为CA协议数据包，以及对外部加速器控制系统下发的调制波形进行数据变换处理得到整形数据；

所述主控芯片的PL部分用于控制所述AD模块和DA模块的工作，从所述PS部分接收整形数据并进行数值处理产生调制信号后通过所述DA模块发送至高压电源或高压放大器，以及控制所述高速串行收发器将CA协议数据包实时传输至外部加速器控制系统。

进一步地，所述主控芯片采用zynq系列的SoC芯片，所述SoC芯片包括所述PS部分和PL部分，所述PS部分采用嵌入式linux系统，所述linux系统内嵌入有EPICS IOC控制程序。

进一步地，所述SoC芯片通过层叠连接器固定设置在载板上。

进一步地，所述保护电路包括磁耦隔离通讯芯片、瞬态电压抑制器和压敏电阻；

所述磁耦隔离通讯芯片、瞬态电压抑制器和压敏电阻均设置在所述主控芯片与所述AD模块和DA模块之间，所述磁耦隔离通讯芯片用于所述主控芯片的PL部分与所述AD模块和DA模块之间的通讯，所述压敏电阻用于大功率放电保护，所述瞬态电压抑制器用于快速响应保护。

进一步地，所述AD模块设置有五个AD接口，其中，三个所述AD接口分别用于连接高精度分压器的输出端口、高压电源或高压放大器的电压监测端口以及高压电源或高压放大器的漏电流监测端口，另外两个所述AD接口用于作为备用接口；

所述DA模块设置有两个DA接口，分别用于连接高压电源的输入端口和高压放大器的输入端口。

一种高压电场快速调制控制和实时监测装置的使用方法，包括以下内容：

1)将上述装置放置在高压平台内，并将磁耦隔离供电模块连接高压平台，对主控芯片、AD模块和DA模块进行供电；

2)将高压电源或高压放大器的输入端口连接DA模块，高精度分压器的输出端口、高压电源或高压放大器的电压监测端口以及高压电源或高压放大器的漏电流监测端口分别连接AD模块，高精度分压器以及高压电源或高压放大器还连接高压平台，主控芯片连接控制网络，与外部加速器控制系统进行通讯；

3)工作时，高精度分压器实时监控高压平台的高压状态，AD模块实时接收高精度分压器监控的高压平台的高压和漏电流状态以及高压电源或高压放大器的电压和漏电流状态，并发送至主控芯片；

4)外部加速器控制系统通过CA协议下发调制波形至主控芯片，主控芯片对调制波形进行处理产生调制信号后，通过DA模块输出至高压电源或高压放大器中产生高压，并输出至高压平台上；同时，主控芯片对AD模块接收的数据进行处理得到CA协议数据包发送至外部加速器控制系统。

进一步地，所述步骤4)的具体过程为：

4.1)外部加速器控制系统通过CA协议下发调制波形至主控芯片的PS部分，主控芯片的PS部分对调制波形进行数据转换处理，将物理浮点型数据转换为整形数据后发送至主控芯片的PL部分；

4.2)主控芯片的PL部分根据接收的整形数据产生调制信号，通过DA模块输出至高压电源或高压放大器中产生高压，并输出至高压平台上；

4.3)主控芯片的PS部分对AD模块接收的数据进行数据变换处理，根据设备的标定系数，将接收的整形数据转换为具有实际物理意义的浮点型数据，并封装为CA协议数据包发送至高速串行收发器；

4.4)主控芯片的PL部分控制高速串行收发器将CA协议数据包实时传输至外部加速器控制系统。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、针对高压平台易打火，可能放电的问题，本发明设置有压敏电阻、瞬态电压抑制器、磁耦隔离通讯芯片和磁耦隔离供电模块等部件，可以在高压平台上长期稳定地可靠运行。

2、本发明由于采用zynq SoC作为主控芯片，无需额外的FPGA和ARM芯片辅助，能够大幅降低硬件成本。

3、本发明采用高速串行收发器与光纤通讯模块连接，不仅可以兼容普通的千兆光纤网络，还可以兼容XGS-PON网络、GPON网络和EPON网络，实现大数据高速传输，且光纤具有良好绝缘性质，能够保证高压平台与外部不会产生漏电等问题。

4、本发明的主控芯片采用CA协议与外部通讯，能够兼容加速器物理控制系统，实现无缝接入。

5、本发明的主控芯片采用嵌入式linux系统管理所有硬件，linux系统上运行嵌入式EPICS IOC程序控制所有部件，该程序与传统的基于EPICS框架的程序不同，传统的EPICS框架程序通常运行于服务器或者工控机上，本发明通过交叉编译，linux系统内核驱动开发和通过FPGA实现的协处理器，将所有基于EPICS框架控制程序全部嵌入控制器中，程序在运行过程中逻辑处理无需上位机的介入，可以广泛应用于重离子加速器电子冷却、电子内靶终端、电子加速器和离子源等领域中。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的装置中主控芯片的架构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

本发明实施例提供的高压电场快速调制控制和实时监测装置主要应用但不限于电子冷却、电子内靶等各类加速器中高压平台的控制，该装置运行在高压平台内，为高压平台控制系统的关键装置，能够在微秒级调制控制及监测高压平台，同时能够监测出高压平台的纹波状况，通过光纤与外部控制网络进行数据通讯。

术语解释：

PS：Processor System，处理器系统；

PL：Programmable Logic，可编程逻辑；

FPGA：Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列，在可扩展处理平台Zynq中称为PL；

AD：模数转换；

DA：数模转换；

DMA：Direct Memory Access，直接存储器访问；

AXI：Advanced eXtensible Interface，是一种总线协议；

CA协议：Channel Access Protocol，信道接入协议；

SFP：Small Form Pluggable，小型可插拔；

FMC：FPGA Mezzanine Card，FPGA的夹层卡。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种高压电场快速调制控制和实时监测装置，包括主控芯片1、保护电路、AD模块、DA模块、高速串行收发器2、光纤通讯模块3和磁耦隔离供电模块4。

主控芯片1通过FMC接口5经保护电路的磁耦隔离通讯芯片6分别连接AD模块和DA模块，主控芯片1还通过高速串行收发器2经光纤通讯模块3连接控制网络，控制网络用于与外部加速器控制系统进行通讯。

AD模块用于接收高精度分压器实时监控的高压平台的高压和漏电流状态以及高压电源或高压放大器的电压和漏电流状态并发送主控芯片1的PL部分，主控芯片1的PL部分通过DMA通道和AXI总线发送至主控芯片1的PS部分。

主控芯片1的PS部分用于对AD模块接收的数据进行数据变换处理，即根据设备的标定系数，将接收的整形数据转换为具有实际物理意义的浮点型数据(即物理浮点型数据)，并封装为CA协议数据包；以及对外部加速器控制系统下发的调制波形进行数据变换处理，将物理浮点型数据转换为整形数据。

主控芯片1的PL部分用于控制AD模块和DA模块的工作，从PS部分接收整形数据并进行数值处理产生调制信号后通过DA模块发送至高压电源或高压放大器，以及控制高速串行收发器2将CA协议数据包实时传输至外部加速器控制系统。

磁耦隔离供电模块4分别连接主控芯片1、AD模块和DA模块，磁耦隔离供电模块4用于为本发明的各用电部件进行供电。

在一个优选的实施例中，主控芯片1的PL部分通过定时触发、软件触发或外部触发的方式根据接收的整形数据产生调制信号。

在一个优选的实施例中，保护电路包括磁耦隔离通讯芯片6、瞬态电压抑制器和压敏电阻，磁耦隔离通讯芯片、瞬态电压抑制器和压敏电阻均设置在主控芯片与AD模块和DA模块之间，磁耦隔离通讯芯片6用于主控芯片的PL部分与AD模块和DA模块之间的通讯；压敏电阻具有通流容量大、残压水平低的特点，用于大功率放电保护；瞬态电压抑制器响应速度快，用于快速响应保护；设置保护电路以保护AD/DA模块。

在一个优选的实施例中，如图2所示，主控芯片1可以采用zynq系列的SoC芯片，SoC芯片通过层叠连接器7固定设置在载板8上，SoC芯片包括PS部分和PL部分，PS部分采用嵌入式linux系统管理所有硬件，linux系统内嵌入有EPICS IOC控制程序。

在一个优选的实施例中，AD模块和DA模块均设置在AD/DA模拟信号板9上，AD模块设置有五个AD接口，其中，三个AD接口分别用于连接高精度分压器的输出端口、高压电源或高压放大器的电压监测端口以及高压电源或高压放大器的漏电流监测端口，另外两个AD接口用于作为备用接口。DA模块设置有两个DA接口，分别用于连接高压电源的输入端口和高压放大器的输入端口。

在一个优选的实施例中，高速串行收发器2最高能以1000Mb/s的速率通过光纤通讯模块与外部通讯。

在一个优选的实施例中，光纤通讯模块3可以采用SFP光模块。

实施例2

本实施例提供一种高压电场快速调制控制和实时监测装置的使用方法，包括以下步骤：

1)将实施例1的装置放置在高压平台内，并将磁耦隔离供电模块4连接高压平台，对主控芯片1、AD模块和DA模块进行供电。

2)将高压电源或高压放大器的输入端口连接DA模块，高精度分压器的输出端口、高压电源或高压放大器的电压监测端口以及高压电源或高压放大器的漏电流监测端口分别连接AD模块，高精度分压器以及高压电源或高压放大器还连接高压平台，主控芯片1通过高速串行收发器2和光纤通讯模块3经光纤连接控制网络，与外部加速器控制系统进行通讯。

3)工作时，高精度分压器实时监控高压平台的高压和漏电流状态，AD模块实时接收高精度分压器监控的高压平台的高压和漏电流状态以及高压电源或高压放大器的电压和漏电流状态，并发送主控芯片1的PL部分，主控芯片1的PL部分通过DMA通道和AXI总线发送至主控芯片1的PS部分；

4)加速器控制系统通过CA协议下发调制波形至主控芯片1的PS部分，主控芯片1的PS部分对调制波形进行数据转换处理，将物理浮点型数据转换为整形数据后发送至主控芯片1的PL部分，主控芯片1的PL部分通过定时触发、软件触发或外部触发的方式根据接收的整形数据产生调制信号，调制信号通过DA模块输出至高压电源或高压放大器中产生高压，并输出至高压平台上。

5)主控芯片1的PS部分对AD模块接收的数据进行数据变换处理，即根据设备的标定系数，将接收的整形数据转换为具有实际物理意义的浮点型数据，并封装为CA协议数据包发送至高速串行收发器2。

6)主控芯片1的PL部分控制高速串行收发器2将CA协议数据包实时传输至加速器控制系统。

7)当高压平台发生打火或拉弧时，实施例1的整个装置仅有AD模块和DA模块与高压设备直接连接，如图2所示，AD模块和DA模块与其他部件之间均采用磁耦隔离，瞬间电流通过保护电路的瞬态电压抑制器和压敏电阻泄放，不影响其他部件。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种高压电场快速调制控制和实时监测装置，其特征在于，包括主控芯片、保护电路、AD模块、DA模块和磁耦隔离供电模块；

所述主控芯片通过所述保护电路分别连接所述AD模块和DA模块，所述AD模块用于接收高精度分压器实时监控的高压平台的高压和漏电流状态以及高压电源或高压放大器的电压和漏电流状态，并发送至所述主控芯片；

所述主控芯片用于控制所述AD模块和DA模块的工作，对所述AD模块接收的数据进行处理得到CA协议数据包实时传输至外部加速器控制系统，以及对外部加速器控制系统下发的调制波形进行处理产生调制信号后通过所述DA模块发送至高压电源或高压放大器；

所述磁耦隔离供电模块分别连接所述主控芯片、AD模块和DA模块，用于为各用电部件进行供电。

2.如权利要求1所述的一种高压电场快速调制控制和实时监测装置，其特征在于，该装置还包括光纤通讯模块和高速串行收发器；所述主控芯片通过所述高速串行收发器经所述光纤通讯模块连接外部加速器控制系统。

3.如权利要求2所述的一种高压电场快速调制控制和实时监测装置，其特征在于，所述光纤通讯模块采用SFP光模块。

4.如权利要求2所述的一种高压电场快速调制控制和实时监测装置，其特征在于，所述主控芯片包括PS部分和PL部分；

所述主控芯片的PS部分用于控制所述AD模块的工作，对所述AD模块接收的数据进行数据变换处理得到物理浮点型数据并封装为CA协议数据包，以及对外部加速器控制系统下发的调制波形进行数据变换处理得到整形数据；

所述主控芯片的PL部分用于控制所述DA模块的工作，从所述PS部分接收整形数据并进行数值处理产生调制信号后通过所述DA模块发送至高压电源或高压放大器，以及控制所述高速串行收发器将CA协议数据包实时传输至外部加速器控制系统。

5.如权利要求4所述的一种高压电场快速调制控制和实时监测装置，其特征在于，所述主控芯片采用zynq系列的SoC芯片，所述SoC芯片包括所述PS部分和PL部分，所述PS部分采用嵌入式linux系统，所述linux系统内嵌入有EPICS IOC控制程序。

6.如权利要求5所述的一种高压电场快速调制控制和实时监测装置，其特征在于，所述SoC芯片通过层叠连接器固定设置在载板上。

7.如权利要求1所述的一种高压电场快速调制控制和实时监测装置，其特征在于，所述保护电路包括磁耦隔离通讯芯片、瞬态电压抑制器和压敏电阻；

所述磁耦隔离通讯芯片、瞬态电压抑制器和压敏电阻均设置在所述主控芯片与所述AD模块和DA模块之间，所述磁耦隔离通讯芯片用于所述主控芯片的PL部分与所述AD模块和DA模块之间的通讯，所述压敏电阻用于大功率放电保护，所述瞬态电压抑制器用于快速响应保护。

8.如权利要求1所述的一种高压电场快速调制控制和实时监测装置，其特征在于，所述AD模块设置有五个AD接口，其中，三个所述AD接口分别用于连接高精度分压器的输出端口、高压电源或高压放大器的电压监测端口以及高压电源或高压放大器的漏电流监测端口，另外两个所述AD接口用于作为备用接口；

所述DA模块设置有两个DA接口，分别用于连接高压电源的输入端口和高压放大器的输入端口。

9.一种高压电场快速调制控制和实时监测装置的使用方法，其特征在于，包括以下内容：

1)将权利要求1至8任一项所述的装置放置在高压平台内，并将磁耦隔离供电模块连接高压平台，对主控芯片、AD模块和DA模块进行供电；

2)将高压电源或高压放大器的输入端口连接DA模块，高精度分压器的输出端口、高压电源或高压放大器的电压监测端口以及高压电源或高压放大器的漏电流监测端口分别连接AD模块，高精度分压器以及高压电源或高压放大器还连接高压平台，主控芯片连接控制网络，与外部加速器控制系统进行通讯；

3)工作时，高精度分压器实时监控高压平台的高压状态，AD模块实时接收高精度分压器监控的高压平台的高压和漏电流状态以及高压电源或高压放大器的电压和漏电流状态，并发送至主控芯片；

4)外部加速器控制系统通过CA协议下发调制波形至主控芯片，主控芯片对调制波形进行处理产生调制信号后，通过DA模块输出至高压电源或高压放大器中产生高压，并输出至高压平台上；同时，主控芯片对AD模块接收的数据进行处理得到CA协议数据包发送至外部加速器控制系统。

10.如权利要求9所述的一种高压电场快速调制控制和实时监测装置的使用方法，其特征在于，所述步骤4)的具体过程为：

4.1)外部加速器控制系统通过CA协议下发调制波形至主控芯片的PS部分，主控芯片的PS部分对调制波形进行数据转换处理，将物理浮点型数据转换为整形数据后发送至主控芯片的PL部分；

4.2)主控芯片的PL部分根据接收的整形数据产生调制信号，通过DA模块输出至高压电源或高压放大器中产生高压，并输出至高压平台上；

4.3)主控芯片的PS部分对AD模块接收的数据进行数据变换处理，根据设备的标定系数，将接收的整形数据转换为具有实际物理意义的浮点型数据，并封装为CA协议数据包发送至高速串行收发器；

4.4)主控芯片的PL部分控制高速串行收发器将CA协议数据包实时传输至外部加速器控制系统。

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