CN114115045B - 多路同步触发控制系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种多路同步触发控制系统。所述系统包括：嵌入式主控、电源管理模块及数据采集模块，通过采用ARM+FPGA处理方式的核心控制器进行主控制，完成对微波产生装置地实时数据检测及指令下达，在此基础上，实现对电源管理模块及真空组的监测控制。嵌入式控制电路板通过PS及PL协同工作模式，实现微波源控制系统的紧凑型、高集成度要求，此外PL端FPGA的并行处理方式，加快了系统工作过程中产生的大量数据处理速度，PS端大容量设计满足FPGA实时性处理过程中数据缓存的需求，从而实现控制系统的实时性。
Description
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种多路同步触发控制系统。
背景技术
随着高功率微波源功率容量的不断提高，控制系统作为高功率微波源系统中的重要组成部分，需要其提供可靠的触发脉冲激励，同时具备高集成度、实时性及高功率微波环境适应性的特征。为实现对高功率微波源系统的实时控制，控制系统应具备过程控制、脉冲信号实时采集、处理等功能，此外应有电磁兼容设计，以满足其在高功率微波环境下的工作需求。
近年来，研究人员设计出应用于HPM源系统中的控制系统。其中，通过个人计算机(Portable Computer,PC)控制可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)来实现控制系统的设计是常用方法。但PLC是一种小电路编程，无法满足HPM控制系统中的对多路信号实时控制时产生的复杂逻辑的需求。此外，有学者实现基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)与嵌入式控制器结合的嵌入式微波源控制系统。【金晖,罗光耀,杨晓亮.一种基于CompactRIO的HPM源控制系统设计[J].太赫兹科学与电子信息学报,2018,16(06):1105-1108.】文中所采用的Virtex5其处理速度由于数据并行处理特性，优于多数基于PLC的控制系统。但其容量较小，无法满足系统实时处理时的数据存储需求。作者采用外挂动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory,DRAM)缓存数据，在数据处理过程中，实时处理器对DRAM的访问势必会导致系统处理数据时的速度降低、系统设计的集成度降低。
综上，尽管人们已经研究并设计实现HPM源系统的控制系统，但现有方案仍无法同时满足HPM系统工作时的高集成度、系统紧凑性、实时性数据处理、高功率微波环境适应性的要求。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种多路同步触发控制系统。
一种多路同步触发控制系统，所述系统包括：
嵌入式主控、电源管理模块及数据采集模块；
所述嵌入式主控包括：嵌入式控制电路板；所述嵌入式控制电路板包括：上层核心板和下层底板；所述上层核心板和下层底板为两层接插式设计；
所述上层核心板包括：ARM处理器和FPGA处理器；ARM处理器作为PS端，FPGA处理器作为PL端；所述ARM处理器和FPGA处理器的控制管脚和接口管脚通过插针引入下层底板，上层核心板与下层底板间通过高速板间连接器连接；所述下层底板为底层电源管理、开关及接口电路板；
所述电源管理模块包括：AD采集芯片；
所述数据采集模块包括：真空传感器；
所述嵌入式主控电路板通过光电控制端口、+24V开关控制端口控制微波产生装置；所述微波产生装置运行时所述AD采集芯片与所述真空传感器连接。
在其中一个实施例中，所述ARM处理器为XC7Z035芯片、4片512MBDDR3内存、8GBeMMC Flash芯片和512Mb QSPI FLASH静态存储构成的最小系统。
在其中一个实施例中，所述FPGA处理器对数据的处理方式为并行处理。
在其中一个实施例中，所述高速板间连接器包括：24V电源接口、AD数据读取接口、调试USB接口、两个网口以及SD卡座；
所述24V电源接口用于连接电源，所述AD数据读取接口用于将微波源状态信号传递至嵌入式控制电路板，所述调试USB接口用于与综合管理系统中的主机相连，JTAG端与核心板相连，用于将调试代码下载到上层核心板上，所述两个网口用于从互联网下载调试代码，所述SD卡座用于插入SD卡，将代码下载至SD卡内，选择SD卡方式启动。
在其中一个实施例中，所述AD采集芯片为AD7606芯片，所述AD7606芯片用于采集微波发生装置中的关键部件的电压值，并通过SPI接口发送至嵌入式控制电路板的PL端片进行处理。
在其中一个实施例中，所述真空传感器设置在真空机组中，用于采集真空机组中真空度数据，并将采集到的数据通过RS485送至嵌入式控制电路板处理。
在其中一个实施例中，当检测到脉冲触发端口为低电平时，FPGA处理器的管脚按特定时序输出脉冲信号，所述时序间隔，由查表确定。
在其中一个实施例中，查表的表格为excel表格，根据采集到的电压值计算当前横列和纵列的值并查找表中对应的单元值，作为触发间隔。
在其中一个实施例中，所述微波产生装置为微波源受控器件，所述微波源受控器件包括驱动源及磁场装置。
在其中一个实施例中，所述FPGA处理器包括8个端口，其中7路为触发端口，1路为备用端口；所述驱动源由3路所述触发端口触发，所述磁场装置由4路触发端口触发。
上述多路同步触发控制系统，通过采用ARM+FPGA处理方式的核心控制器进行主控制，完成对微波产生装置地实时数据检测及指令下达，在此基础上，实现对电源管理模块及真空组的监测控制。嵌入式控制电路板通过PS及PL协同工作模式，实现微波源控制系统的紧凑型、高集成度要求，此外PL端FPGA的并行处理方式，加快了系统工作过程中产生的大量数据处理速度，PS端大容量设计满足FPGA实时性处理过程中数据缓存的需求，从而实现控制系统的实时性。
附图说明
图1为一个实施例中多路同步触发控制系统的示意性结构图；
图2为一个实施例中控制系统的工作原理图；
图3为一个实施例中嵌入式控制电路板结构设计图；
图4为一个实施例中下层地板结构设计图；
图5为一个实施例中多路同步触发控制系统的工作模式流程图；
图6为一个实施例中自动充电模式下工作流程图；
图7为一个实施例中手动充电模式下工作流程图；
图8为一个实施例中触发时序图；
图9为一个实施例中总体工作关系图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种多路同步触发控制系统，包括以下步骤：嵌入式主控、电源管理模块及数据采集模块；嵌入式主控包括：嵌入式控制电路板；嵌入式控制电路板包括：上层核心板和下层底板；上层核心板和下层底板为两层接插式设计；上层核心板包括：ARM处理器和FPGA处理器；ARM处理器作为PS端，FPGA处理器作为PL端；ARM处理器和FPGA处理器的控制管脚和接口管脚通过插针引入下层底板，上层核心板与下层底板间通过高速板间连接器连接；下层底板为底层电源管理、开关及接口电路板；电源管理模块包括：AD采集芯片；数据采集模块包括：真空传感器；嵌入式主控电路板通过光电控制端口、+24V开关控制端口控制微波产生装置；微波产生装置运行时AD采集芯片与真空传感器连接。
上述多路同步触发控制系统，通过采用ARM+FPGA处理方式的核心控制器进行主控制，完成对微波产生装置地实时数据检测及指令下达，在此基础上，实现对电源管理模块及真空组的监测控制。嵌入式控制电路板通过PS及PL协同工作模式，实现微波源控制系统的紧凑型、高集成度要求，此外PL端FPGA的并行处理方式，加快了系统工作过程中产生的大量数据处理速度，PS端大容量设计满足FPGA实时性处理过程中数据缓存的需求，从而实现控制系统的实时性。
在其中一个实施例中，ARM处理器为XC7Z035芯片、4片512MBDDR3内存、8GBeMMCFlash芯片和512Mb QSPI FLASH静态存储构成的最小系统。
在其中一个实施例中，FPGA处理器对数据的处理方式为并行处理。
具体的，上层核心板用ZYNQ7035的ARM+FPGA SOC技术，将双核处理器系统部分(PS端)和可编程逻辑部分(PL端)集成在一颗芯片上。PS端采用XC7Z035+4片512MBDDR3+8GBeMMC Flash+512Mb QSPI FLASH的最小系统结构，其总容量高达2GB，使得ARM系统和FPGA系统能够独立处理和存储数据，满足HPM源系统工作时产生的大量数据的缓存需要。8GB的eMMC FLASH芯片和512MB的QSPI FLASH用来静态存储ZYNQ的操作系统、文件系统及数据。作为主控电路板PL端的FPGA含有丰富的外设接口，能够满足系统与多外设间通信的需求。FPGA对数据的并行处理方式，大大提高数据的处理速度，理论上该芯片最大数据处理速度可达1600Mbps。嵌入式控制电路板的核心板集成ARM及FPGA，且核心板与底板间通过引脚相连，此方式使得主控电路板主体集成度大大提升，有益于HPM源系统的小型化设计。
具体如图2所示，提供一种控制系统的工作原理图，其中，嵌入式主控部分由嵌入式控制电路板实现，嵌入式控制电路板通过串口转光纤接口及控制信号接口，分别以光纤和电缆方式实现控制系统的控制电路板与综合管理系统间的通信。控制电路板上预留的光电控制端口、+24V开关控制端口，用以控制微波产生装置，并在其接收到微波发射命令时控制微波舱发射微波。微波产生装置运行过程中的状态数据通过AD采集端口采集，真空机组中的真空度通过控制电路板的RS485接口与真空度传感器相连，以实现对3个真空机组工作状态的监控。
嵌入式控制电路板结构设计为核心板+核心板底板的方式，核心板通过高速板间连接器与底板连接，如图3所示。
在其中一个实施例中，如图4所示，高速板间连接器包括：24V电源接口、AD数据读取接口、调试USB接口、两个网口以及SD卡座；24V电源接口用于连接电源，AD数据读取接口用于将微波源状态信号传递至嵌入式控制电路板，调试USB接口用于与综合管理系统中的主机相连，JTAG端与核心板相连，用于将调试代码下载到上层核心板上，两个网口用于从互联网下载调试代码，SD卡座用于插入SD卡，将代码下载至SD卡内，选择SD卡方式启动。
在其中一个实施例中，AD采集芯片为AD7606芯片，AD7606芯片用于采集微波发生装置中的关键部件的电压值，并通过SPI接口发送至嵌入式控制电路板的PL端片进行处理。
具体的，电源管理模块还包括AC220V转DC24V适配器和电源相连接的电路，微波发生装置中的关键部件为储能电容、原边电容等。
在其中一个实施例中，真空传感器设置在真空机组中，用于采集真空机组中真空度数据，并将采集到的数据通过RS485送至嵌入式控制电路板处理。
具体的，真空传感器为宜福泰克的CFV106型真空传感器，数据采集模块还与微波产生装置和辅助设备连接，在对真空机组进行状态监测时，使用真空度传感器实时采集真空机组中真空度数据，当真空机组正常运行时真空度值小于7×10-2Pa，当真空度数据明显大于这一值则认为真空机组工作出现异常。采集到的数据通过RS485(网口)送至嵌入式控制电路板处理。
在其中一个实施例中，该多路同步触发控制系统实现2路串口通信，当串口1接收到不定长数据包时，对数据进行校验并提取关键字节；串口通信波特率115200；串口2作为测试串口，输出串口1作为接收串口。
在其中一个实施例中，当检测到脉冲触发端口为低电平时，FPGA处理器的管脚按特定时序输出脉冲信号，时序间隔，由查表确定。
具体的，间隔时间精度为10ns，范围为(10ns～50ms)，时间间隔已经确定为固定值。
在其中一个实施例中，查表的表格为excel表格，根据采集到的电压值计算当前横列和纵列的值并查找表中对应的单元值，作为触发间隔。
具体的，在串口1接收到指令(特定数据包)后，按指令将10路GPI(分为2*5两组)中的对应的1路或2路GPIO口置高或者置低(也就是打开或者关断充电开关)；接收到充电指令时，GPIO口置高(充电开关闭合)，在电压到达设定值后GPIO口置低(充电开关断开)，若一直未接收到放电指令，电压下降到一定值后GPIO口继续置高(充电开关闭合)，使充电电压维持在特定值；4路AD数据采集功能，对应AD端口的电压值进行采集，并按给定的倍率转换成真实电压值。在接收到串口指令(特定数据包)后，或者执行完FPGA管脚时序脉冲触发后，将采集电压值和串口3流量计的值及网口接收到的真空度的值打包，以特定格式通过串口1发送出去，485串口接收真空度传感器数据并解析，与AD采集值打包并发送。
在其中一个实施例中，一种多路同步触发控制系统的工作模式分为自动充电和手动充电两种。自动充电模式是操作人员打开充电开关，储能装置进行储能，在达到触发电压之前，控制系统每一秒向综合管理系统上报装置运行状态数据，触发结束后汇报微波触发数据。手动充电模式在通过串口接收到综合管理分系统下发的指令后进行校验，无误后提取关键字执行对应充电动作。手动工作模式下，需要操作人员输入充电电压值，且不一定达到触发微波源发射所需值。整体工作流程如图5所示。
(1)自动充电工作模式
自动充电模式下工作流程如图6所示：开始后，首先打开储能电容充电开关和原边电容充电开关进行首次充电，充到指定电压后关闭原边电容充电开关；在检测到保险开关信号为低时，打开原边电容充电开关，补电到设定电压值后维持，进行触发准备；触发准备完成后，在检测到触发信号为低时，按设定值进行微波触发，触发结束后汇报微波触发数据；在检测到放电信号为低时，关闭储能电容和原边电容充电开关，打开储能电容和原边电容放电开关进行放电。
在无触发任务时控制系统每一秒向综合管理分系统上报装置运行状态数据。
(2)手动充电工作模式
手动充电模式下，工作流程如图7所示。开始后，首先关闭储能电容充放电开关和原边电容充放电开关，进入默认状态。在通过串口接收到综合管理分系统下发的指令后，进行校验，校验无误后提取关键字并执行对应动作。
在触发时序上，FPGA的工作基于其内部的时序，因此在应用FPGA实现微波触发相关及相关数据的采集及监测时，需要对工作时序进行详细设计。8路FPGA端口(7路触发，1路备用)触发时序如图8所示。控制系统根据上位机下发的指令执行微波触发命令时，微波源受控器件包括驱动源及磁场装置，驱动源(装置A)触发由3个GPIO口的光控制信号完成，(GPIO 1，GPIO 2和GPIO 3)。在整个时序触发之前，由AD芯片采集驱动源的两个电压值和磁场装置(装置B)的两个电压值，作为触发前电压。驱动源(装置A)和磁场装置(装置B)封装在微波源受控器件中，如图9所示。
在其中一个实施例中，微波产生装置为微波源受控器件，微波源受控器件包括驱动源及磁场装置。
在另一个实施例中，FPGA处理器包括8个端口，其中7路为触发端口，1路为备用端口；驱动源由3路所述触发端口触发，磁场装置由4路触发端口触发。
具体的，GPIO 1在0时刻执行触发动作(电平由高变低)，持续50us。间隔A#.T2d(预设参数，可固化)时长后AD采集A装置的两个电压值作为装置A的触发后电压，然后GPIO 2进行触发动作(电平由高变低)，持续50us，间隔时长A#.T2d(预设参数，可固化)由上位机下发的装置配置数据确定。GPIO 2到GPIO 3触发的时间间隔在两种工作模式下不同。固定工作模式下为A#.FixedInterval(预设参数，可固化)，0～6000us，可调精度0.1us，时长A#.FixedInterval(预设参数，可固化)由上位机下发的装置配置数据确定；查表工作模式下根据AD采集到的装置A的触发后的两个电压值(电压1和电压2)在指定表格中查表确定。
磁场装置(装置B)触发由4个GPIO口完成，(GPIO 4，GPIO 5，GPIO 6和GPIO 7)。GPIO 7在B#.Tcd(预设参数，可固化)时刻执行触发动作(电平由高变低)，持续50us，B#.Tcd(预设参数，可固化)时间由上位机下发的装置配置数据确定。间隔B#.T3S1Delay(预设参数，可固化)时间后GPIO 4执行触发动作(电平由高变低)，持续50us。间隔时间B#.T3S1Delay(预设参数，可固化)由上位机下发的装置配置数据确定，范围为0～30ns,可调精度ns。然后间隔B#.T2d(预设参数，可固化)时长后，AD采集B装置的两个电压值作为装置B的触发后电压，然后GPIO 5进行触发动作(电平由高变低)，持续50us，间隔时长B#.T2d(预设参数，可固化)由上位机下发的装置配置数据确定。GPIO 5到GPIO 6触发的时间间隔在两种工作模式下不同。固定工作模式下为B#.FixedInterval(预设参数，可固化)，0～6000us，可调精度0.1us；查表工作模式下根据AD采集到的装置B的触发后的两个电压值(电压1和电压2)在指定表格中查表确定。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种多路同步触发控制系统，其特征在于，所述系统包括：
嵌入式主控、电源管理模块及数据采集模块；
所述嵌入式主控包括：嵌入式控制电路板；所述嵌入式控制电路板包括：上层核心板和下层底板；所述上层核心板和下层底板为两层接插式设计；
所述上层核心板包括：ARM处理器和FPGA处理器；ARM处理器作为PS端，FPGA处理器作为PL端；所述ARM处理器和FPGA处理器的控制管脚和接口管脚通过插针引入下层底板，上层核心板与下层底板间通过高速板间连接器连接；所述下层底板为底层电源管理、开关及接口电路板；
所述电源管理模块包括：AD采集芯片；
所述数据采集模块包括：真空传感器；
所述嵌入式主控电路板通过光电控制端口、+24V开关控制端口控制微波产生装置；所述微波产生装置运行时所述AD采集芯片与所述真空传感器连接；
多路同步触发控制系统的工作模式包括自动充电和手动充电；
自动充电的工作模式包括：
打开储能电容充电开关和原边电容充电开关进行首次充电，充到指定电压后关闭原边电容充电开关；在检测到保险开关信号为低时，打开原边电容充电开关，补电到设定电压值后维持，进行触发准备；触发准备完成后，在检测到触发信号为低时，按设定值进行微波触发，触发结束后汇报微波触发数据；在检测到放电信号为低时，关闭储能电容和原边电容充电开关，打开储能电容和原边电容放电开关进行放电；
手动充电的工作模式包括：
首先关闭储能电容充放电开关和原边电容充放电开关，进入默认状态；在通过串口接收到综合管理分系统下发的指令后，进行校验，校验无误后提取关键字并执行对应动作；
当检测到脉冲触发端口为低电平时，FPGA处理器的管脚按特定时序输出脉冲信号，所述时序间隔，由查表确定；
查表的表格为excel表格，根据采集到的电压值计算当前横列和纵列的值并查找表中对应的单元值，作为触发间隔。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述ARM处理器为XC7Z035芯片、4片512MBDDR3内存、8GBeMMC Flash芯片和512Mb QSPI FLASH静态存储构成的最小系统。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述FPGA处理器对数据的处理方式为并行处理。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高速板间连接器包括：24V电源接口、AD数据读取接口、调试USB接口、两个网口以及SD卡座；
所述24V电源接口用于连接电源，所述AD数据读取接口用于将微波源状态信号传递至嵌入式控制电路板，所述调试USB接口用于与综合管理系统中的主机相连，JTAG端与核心板相连，用于将调试代码下载到上层核心板上，所述两个网口用于从互联网下载调试代码，所述SD卡座用于插入SD卡，将代码下载至SD卡内，选择SD卡方式启动。
5.根据权利要求1至4任一项所述的系统，其特征在于，所述AD采集芯片为AD7606芯片，所述AD7606芯片用于采集微波发生装置中的关键部件的电压值，并通过SPI接口发送至嵌入式控制电路板的PL端片进行处理。
6.根据权利要求1至4任一项所述的系统，其特征在于，所述真空传感器设置在真空机组中，用于采集真空机组中真空度数据，并将采集到的数据通过RS485送至嵌入式控制电路板处理。
7.根据权利要求1至4任一项所述的系统，其特征在于，所述微波产生装置为微波源受控器件，所述微波源受控器件包括驱动源及磁场装置。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述FPGA处理器包括8个端口，其中7路为触发端口，1路为备用端口；
所述驱动源由3路所述触发端口触发，所述磁场装置由4路触发端口触发。
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