專(zhuān)利名稱(chēng)：一種中性束注入器控制系統(tǒng)微弱信號(hào)檢測(cè)與變送模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及聚變實(shí)驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，尤其涉及一種中性束注入器控制系統(tǒng)微弱信號(hào)檢測(cè)與變送模塊。
背景技術(shù)：
在信息技術(shù)日益發(fā)達(dá)的今天，數(shù)據(jù)的獲取和處理方法日趨多樣化和智能化。在大型的自動(dòng)化控制中，大量應(yīng)用的分布式監(jiān)控和集散式控制系統(tǒng)把大量的底層信息數(shù)據(jù)處理和傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，為運(yùn)行或管理人員提供決策?？刂葡到y(tǒng)的傳感器集群將系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成所需的信號(hào)，由檢測(cè)和變送系統(tǒng)將信息數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理控制器。一些具有初步數(shù)據(jù)處理功能的嵌入式芯片的應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)具有智能檢測(cè)和變送功能，可以適應(yīng)不同的系統(tǒng)控制要求。在一些控制系統(tǒng)中，尤其是聚變領(lǐng)域的一些控制系統(tǒng)中，如聚變裝置、粒子加速器、中性束注入器等控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)工作在高電壓、強(qiáng)電磁環(huán)境下，控制系統(tǒng)所要監(jiān)控的一些信號(hào)非常微弱，極易受到外界的干擾。在這種復(fù)雜電磁環(huán)境下，現(xiàn)有的檢測(cè)和變送技術(shù)與設(shè)備均不能很好的在微弱信號(hào)檢測(cè)、十萬(wàn)伏特及以上等級(jí)的高電壓隔離、智能調(diào)節(jié)、快速傳輸?shù)确矫嫱瑫r(shí)滿足控制系統(tǒng)要求的情況下獲得良好的系統(tǒng)應(yīng)用。目前，有的變送設(shè)備具有良好的微弱信號(hào)檢測(cè)和高電壓隔離特性，但信號(hào)的獲取速率和精度受到限制；有的具有很高的數(shù)據(jù)采集和傳輸速率，但不能夠隔離高電壓和屏蔽電磁干擾。這些情況在某些方面限制了聚變領(lǐng)域控制系統(tǒng)的在高電壓隔離、實(shí)時(shí)性應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述微弱信號(hào)檢測(cè)和變送技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明專(zhuān)利的目的是提供一種智能調(diào)節(jié)、高速傳輸和高電壓隔離的微弱信號(hào)檢測(cè)變送模塊。通過(guò)應(yīng)用FPGA和光電耦合技術(shù)，該模塊可以根據(jù)總線的命令智能調(diào)節(jié)微弱信號(hào)檢測(cè)和變送過(guò)程，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的高速傳輸和聞電壓隔尚。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種中性束注入器控制系統(tǒng)微弱信號(hào)檢測(cè)與變送模塊，包括有FPGA控制模塊、光發(fā)電模塊，所述的FPGA控制模塊控制連接有微弱信號(hào)處理模塊、模擬信號(hào)采集模塊、總線通信模塊，微弱信號(hào)處理模塊信號(hào)輸出端接入模擬信號(hào)采集模塊信號(hào)輸入端，F(xiàn)PGA控制模塊通過(guò)總線通訊模塊與系統(tǒng)總線通訊連接；所述微弱信號(hào)處理模塊包括有依次連接的限幅保護(hù)電路、前置放大電路、濾波電路、可調(diào)增益放大電路；所述的微弱信號(hào)處理模塊將中性束注入器控制系統(tǒng)所監(jiān)控到的微弱電壓和電流信號(hào)放大和濾波形成差分標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)輸出給模擬信號(hào)采集模塊，同時(shí)提供模擬信號(hào)采集模塊的參考信號(hào)；所述的模擬信號(hào)采集模塊包括有AD變換芯片電路、數(shù)字信號(hào)電平變換電路、參考電壓電路；AD變換芯片電路根據(jù)參考電壓電路輸出的參考電壓設(shè)置的信號(hào)范圍把微弱信號(hào)處理模塊可調(diào)增益放大電路輸出的差分標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路將該數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換至FPGA芯片的數(shù)字信號(hào)電平范圍內(nèi)，再傳輸至FPGA控制模塊；所述的參考電壓電路輸出的參考電壓是根據(jù)微弱信號(hào)處理模塊輸出的參考信號(hào)選擇并輸出所需了的參考電壓；所述的微弱信號(hào)處理模塊還包括有數(shù)字調(diào)零電路，數(shù)字調(diào)零電路控制連接前置放大電路以及可調(diào)增益放大電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)初級(jí)放大電路和可調(diào)增益放大電路的偏置調(diào)節(jié)；
所述的FPGA控制模塊將模擬信號(hào)采集模塊的數(shù)字信號(hào)電平變換電路輸出的數(shù)字信號(hào)同時(shí)傳送至光發(fā)送模塊與總線通訊模塊，信號(hào)通過(guò)光發(fā)送模塊被轉(zhuǎn)換為光信號(hào)發(fā)送至外部系統(tǒng)；所述的總線通訊模塊包括有總線控制器和數(shù)據(jù)緩沖器，所述的總線控制器接受FPGA控制模塊的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖器，根據(jù)控制命令將數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)總線；同時(shí)總線控制器還可以接收系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖器中，通過(guò)中斷信號(hào)通知FPGA控制模塊存取數(shù)據(jù)緩沖器中的數(shù)據(jù)。FPGA控制模塊是微弱信號(hào)檢測(cè)及變送模塊的智能控制中心，主要由FPGA芯片、配置電路、FLASH和SRAM等組成。編寫(xiě)的VHDL代碼編譯后存儲(chǔ)在FPGA配置芯片中，智能實(shí)時(shí)控制程序存儲(chǔ)在FLASH芯片上。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)將硬件配置代碼和設(shè)計(jì)好的智能控制IP模塊裝載到FPGA中，等智能控制IP內(nèi)核工作后將存儲(chǔ)在FLASH的實(shí)時(shí)控制程序裝載進(jìn)內(nèi)核申請(qǐng)的存儲(chǔ)器中，控制過(guò)程的控制命令、狀態(tài)數(shù)據(jù)、運(yùn)算結(jié)果等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SRAM上。實(shí)時(shí)控制程序完成對(duì)模塊的資源管理、數(shù)據(jù)采集、光信號(hào)發(fā)送、總線數(shù)據(jù)通訊等功能。所述的光發(fā)送模塊可以實(shí)現(xiàn)IMHz到80MHz的光信號(hào)的頻率調(diào)制，以滿足不同數(shù)據(jù)傳輸速率的應(yīng)用。微弱信號(hào)處理模塊的實(shí)現(xiàn)主要由運(yùn)放芯片0PA608和二極管SMBJ5.0A組成，實(shí)現(xiàn)限幅保護(hù)、前置可調(diào)放大、濾波、可調(diào)增益放大和數(shù)字調(diào)零功能。多片0PA608芯片組成巴特沃斯有源濾波器濾除信號(hào)的噪聲，模擬信號(hào)處理電路完成微弱信號(hào)放大、電路調(diào)零、信號(hào)補(bǔ)償功能，同時(shí)為模擬轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓信號(hào)。模擬信號(hào)通道選擇電路主要由芯片⑶4051BCM實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換通道的選擇。由光電隔離芯片ILQ55實(shí)現(xiàn)FPGA控制模塊信號(hào)到模擬通道選擇芯片的電氣隔離，SS8050實(shí)現(xiàn)FPGA控制模塊的控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)放大，以滿足隔離芯片的電流驅(qū)動(dòng)要求。模擬信號(hào)采集模塊主要由12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS5520以及晶振和外圍驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將選擇的模擬通道信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字信號(hào)傳輸給FPGA控制模塊，晶振電路工作在50MHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸速率根據(jù)FPGA控制模塊的控制信號(hào)進(jìn)行。轉(zhuǎn)換芯片的工作模式和工作流程由FPGA控制模塊進(jìn)行控制。FPGA控制模塊主要由芯片EP3C25Q240C8N及其外圍電路實(shí)現(xiàn)。外圍電路主要包括50MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路、復(fù)位電路、配置電路和電源供電電路組成。復(fù)位電路采用MP812T實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA控制模塊的遠(yuǎn)程復(fù)位。配置電路主要由配置芯片EPCSl實(shí)現(xiàn)。FPGA芯片的供電電源主要包括核心模塊電源1.2V、接口電源3.3V、PLL模塊電源2.5V。FPGA控制模塊實(shí)時(shí)控制程序存儲(chǔ)在FLASH芯片AT45DB161D-SU中，系統(tǒng)啟動(dòng)后由嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行加載。FPGA控制模塊的軟件包括兩個(gè)部分:VHDL程序和實(shí)時(shí)監(jiān)控程序。VHDL程序主要由用戶邏輯程序和IP內(nèi)核程序組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集的控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂频裙ぷ?。?shí)時(shí)監(jiān)控程序運(yùn)行在ARM內(nèi)核中，主要完成采集數(shù)據(jù)的壓縮、傳輸、控制接口的掃描和系統(tǒng)控制的調(diào)度和執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)采集芯片的控制，以及與總線控制器的通訊。FPGA控制模塊運(yùn)行實(shí)時(shí)控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)采集模塊的數(shù)據(jù)采集控制，光發(fā)送模塊發(fā)送的光信號(hào)的調(diào)制，接收與執(zhí)行總線通訊模塊傳輸?shù)目刂泼詈蛿?shù)據(jù)處理命令，實(shí)現(xiàn)模塊的智能化控制。光發(fā)送模塊主要由芯片74ACT11000D和HFBR-1414實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)光驅(qū)動(dòng)電路的配置可以實(shí)現(xiàn)100米到2.5千米光傳輸?shù)囊蠹肮獍l(fā)射強(qiáng)度的調(diào)節(jié)優(yōu)化，從而獲得更加可靠的驅(qū)動(dòng)能力，以及更長(zhǎng)的光器件運(yùn)行壽命。光發(fā)送模塊可以實(shí)現(xiàn)IMHz到80MHz的光信號(hào)的調(diào)制發(fā)送，從而滿足注入器系統(tǒng)微弱信號(hào)檢測(cè)及變送模塊的數(shù)據(jù)傳輸要求和不同時(shí)間響應(yīng)的要求?？偩€通訊模塊由數(shù)據(jù)緩沖器芯片IS61LV51216AL和總線控制器芯片SN74ALVC164245組成。通過(guò)對(duì)總線控制器芯片的不同配置可以實(shí)現(xiàn)FPGA控制模塊與總線控制器的不同數(shù)據(jù)傳輸要求，以滿足數(shù)據(jù)大小、數(shù)據(jù)通訊速率和數(shù)據(jù)傳輸方向的要求。數(shù)據(jù)緩沖器芯片可以將總線控制器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或者FPGA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)緩存，以便滿足不同應(yīng)用的通訊速率的要求。以上所述的注入器系統(tǒng)微弱信號(hào)檢測(cè)及變送模塊，僅為發(fā)明專(zhuān)利較佳的具體實(shí)施方式
與具有代表性的具體實(shí)施方式
，同時(shí)所述的中性束注入器控制系統(tǒng)的系統(tǒng)微弱信號(hào)檢測(cè)及變送模塊的結(jié)構(gòu)也僅是有代表性的結(jié)構(gòu)；但本發(fā)明專(zhuān)利的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明專(zhuān)利揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)該涵蓋在本發(fā)明專(zhuān)利的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明專(zhuān)利的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明專(zhuān)利設(shè)計(jì)了一種智能調(diào)節(jié)、高速傳輸和高電壓隔離的中性束注入器控制系統(tǒng)的系統(tǒng)微弱信號(hào)檢測(cè)變送模塊。通過(guò)應(yīng)用FPGA和光電耦合技術(shù)，該模塊可以根據(jù)總線的命令智能調(diào)節(jié)微弱信號(hào)檢測(cè)和變送過(guò)程，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的高速傳輸和高電壓隔離?？蓮V泛用于聚變行業(yè)等具有高壓隔離和微弱信號(hào)探測(cè)的領(lǐng)域。


圖1中性束注入器控制系統(tǒng)微弱信號(hào)檢測(cè)及變送模塊電路原理框圖。圖2微弱信號(hào)處理模塊電路原理框圖。圖3模擬信號(hào)采集模塊電路原理框圖。圖4 FPGA控制模塊、總線通訊模塊和光發(fā)送模塊電路原理框圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，中性束注入器控制系統(tǒng)微弱信號(hào)檢測(cè)與變送模塊由微弱信號(hào)處理模塊1、模擬信號(hào)采集模塊2、FPGA控制模塊3、光發(fā)送模塊4和總線通訊模塊5組成。FPGA控制模塊3控制連接有微弱信號(hào)處理模塊1、模擬信號(hào)采集模塊2、總線通信模塊5，微弱信號(hào)處理模塊I信號(hào)輸出端接入模擬信號(hào)采集模塊2信號(hào)輸入端，F(xiàn)PGA控制模塊3通過(guò)總線通訊模塊5與系統(tǒng)總線通訊連接；
如圖2所示，微弱信號(hào)處理模塊由限幅保護(hù)電路、前置可調(diào)放大電路、濾波電路、可調(diào)增益放大電路和數(shù)字調(diào)零電路實(shí)現(xiàn)。通過(guò)選擇合適的TVS系列保護(hù)二極管實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的控制，從而保證系統(tǒng)的安全。高精度高速運(yùn)放器用于實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的初級(jí)放大，放大倍數(shù)可通過(guò)FPGA控制選擇。通過(guò)設(shè)計(jì)巴特沃斯有源濾波器將初步放大信號(hào)噪聲濾去?？烧{(diào)增益放大電路實(shí)現(xiàn)將初步放大和濾波后的信號(hào)放大和形成差分標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出給模擬信號(hào)采集模塊2。數(shù)字調(diào)零電路實(shí)現(xiàn)對(duì)初級(jí)放大電路和可調(diào)增益放大電路的偏置調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)零校準(zhǔn)功能，輸出模擬信號(hào)參考信號(hào)。 如圖3所示，模擬信號(hào)采集模塊主要由A/D芯片電路、參考電壓電路和數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路組成，A/D芯片芯片電路根據(jù)參考電壓設(shè)置的信號(hào)范圍把差分模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為FPGA芯片的數(shù)字信號(hào)電平范圍。根據(jù)微弱信號(hào)處理模塊I輸出的參考信號(hào)參考電壓電路由數(shù)字信號(hào)選擇并輸出所需的參考電壓。如圖4所示，F(xiàn)PGA控制模塊3是微弱信號(hào)檢測(cè)及變送模塊的智能控制中心，主要由配置電路、FPGA配置芯片、FLASH和SRAM等組成。編寫(xiě)的VHDL代碼編譯后存儲(chǔ)在FPGA配置芯片中，智能實(shí)時(shí)控制程序存儲(chǔ)在FLASH上。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)將硬件配置代碼和設(shè)計(jì)好的智能控制IP模塊裝載到FPGA配置芯片中，等智能控制IP內(nèi)核工作后將存儲(chǔ)在FLASH的實(shí)時(shí)控制程序裝載進(jìn)內(nèi)核申請(qǐng)的存儲(chǔ)器中，控制過(guò)程的控制命令、狀態(tài)數(shù)據(jù)、運(yùn)算結(jié)果等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SRAM上。實(shí)時(shí)控制程序完成對(duì)模塊的資源管理、數(shù)據(jù)采集、光信號(hào)發(fā)送、總線數(shù)據(jù)通訊等功能。光發(fā)送模塊可以實(shí)現(xiàn)IMHz到80MHz的光信號(hào)的頻率調(diào)制，以滿足不同數(shù)據(jù)傳輸速率的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種中性束注入器控制系統(tǒng)微弱信號(hào)檢測(cè)與變送模塊，其特征在于:包括有FPGA控制模塊、光發(fā)送模塊，所述的FPGA控制模塊控制連接有微弱信號(hào)處理模塊、模擬信號(hào)采集模塊、總線通信模塊，微弱信號(hào)處理模塊信號(hào)輸出端接入模擬信號(hào)采集模塊信號(hào)輸入端，F(xiàn)PGA控制模塊通過(guò)總線通訊模塊與系統(tǒng)總線通訊連接；中性束注入器控制系統(tǒng)所監(jiān)控到的系統(tǒng)微弱電壓和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)微弱信號(hào)處理模塊依次連接的限幅保護(hù)電路、前置放大電路、濾波電路、可調(diào)增益放大電路形成差分標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)輸出給模擬信號(hào)采集模塊；所述的模擬信號(hào)采集模塊包括有AD變換芯片電路、數(shù)字信號(hào)電平變換電路、參考電壓電路；微弱信號(hào)處理模塊還包括有數(shù)字調(diào)零電路，數(shù)字調(diào)零電路控制連接前置放大電路以及可調(diào)增益放大電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)初級(jí)放大電路和可調(diào)增益放大電路的偏置調(diào)節(jié)；所述的AD變換芯片電路根據(jù)參考電壓電路輸出的參考電壓設(shè)置的信號(hào)范圍把微弱信號(hào)處理模塊可調(diào)增益放大電路輸出的差分標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路將該數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換至FPGA芯片的數(shù)字信號(hào)電平范圍內(nèi)，再傳輸至FPGA控制模塊； 所述的FPGA控制模塊將模擬信號(hào)采集模塊的數(shù)字信號(hào)電平變換電路輸出的數(shù)字信號(hào)同時(shí)傳送至光發(fā)送模塊與總線通訊模塊，信號(hào)通過(guò)光發(fā)送模塊被轉(zhuǎn)換為光信號(hào)發(fā)送至外部系統(tǒng)；所述的總線通訊模塊包括有總線控制器和數(shù)據(jù)緩沖器，所述的總線控制器接受FPGA控制模塊的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖器，根據(jù)控制命令將數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)總線；同時(shí)總線控制器還可以接收系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖器中，通過(guò)中斷信號(hào)通知FPGA控制模塊存取數(shù)據(jù)緩沖器中的數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中性束注入器控制系統(tǒng)微弱信號(hào)檢測(cè)與變送模塊，其特征在于:所述的微弱信號(hào)處理模塊主要由運(yùn)放芯片0PA608和二極管SMBJ5.0A組成，所述的模擬信號(hào)采集模塊主要由12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS5520以及晶振和外圍驅(qū)動(dòng)電路組成，所述的FPGA控制模塊主要由FPGA芯片、配置電路、芯片EP3C25Q240C8N、FLASH和SRAM組成，所述的光發(fā)送模塊主要由芯片74ACT11000D和HFBR-1414組成，所述的總線通訊模塊由數(shù)據(jù)緩沖器芯片IS61LV51216AL和總線驅(qū)動(dòng)器芯片SN74ALVC164245組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中性束注入器控制系統(tǒng)微弱信號(hào)檢測(cè)與變送模塊，其特征在于:所述的光發(fā)送模塊可以實(shí)現(xiàn)IMHz到80MHz的光信號(hào)的頻率調(diào)制。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種中性束注入器控制系統(tǒng)微弱信號(hào)檢測(cè)與變送模塊，包括有FPGA控制模塊、光發(fā)電模塊，所述的FPGA控制模塊控制連接有微弱信號(hào)處理模塊、模擬信號(hào)采集模塊、總線通信模塊，所述的微弱信號(hào)處理模塊信號(hào)輸出端接入模擬信號(hào)采集模塊信號(hào)輸入端，F(xiàn)PGA控制模塊通過(guò)總線通訊模塊與系統(tǒng)總線通訊連接；該模塊可以根據(jù)總線的命令智能調(diào)節(jié)微弱信號(hào)檢測(cè)和變送過(guò)程，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的高速傳輸和高電壓隔離。
文檔編號(hào)G05B19/418GK103197626SQ20131007332
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月7日
發(fā)明者盛鵬, 胡純棟, 宋士花, 許永建, 謝遠(yuǎn)來(lái), 李軍, 崔慶龍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所