專利名稱：分布式定時系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及定時系統(tǒng)，更具體地說是為包含有若千子系統(tǒng)，并采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 的大型裝置提供控制時序的定時系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在大型裝置中，定時系統(tǒng)用于為裝置提供控制時序。例如，在包含了許多子系統(tǒng)的大型 托卡馬克核聚變實驗裝置，其總控臺就是通過定時系統(tǒng)控制各子系統(tǒng)的運行時序，確保裝置 各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行。隨著熱核聚變研究的發(fā)展，像EAST全超導(dǎo)托卡馬克這樣的大型核聚 變實驗裝置均采用了分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各子系統(tǒng)分布在不同的物理位置上，彼此相互獨立 又相互作用。
作為系統(tǒng)定時系統(tǒng)，目前常規(guī)采用的是集中式的結(jié)構(gòu)形式，具有一個VXI、 CAMAC或 CPCI總線機箱，其內(nèi)部包含一個控制器模塊、若干個觸發(fā)輸出模塊、若干時鐘輸出模塊和 若干個光電隔離模塊。各觸發(fā)輸出通道的延遲參數(shù)和時鐘輸出通道的分頻系數(shù)直接由機箱上 控制器模塊進行設(shè)置。這種集中式的定時系統(tǒng)在用于上述分布式系統(tǒng)中時，各子系統(tǒng)與定時 系統(tǒng)之間需要由許多光纖進行連接，需要幾路信號就必須在定時系統(tǒng)與子系統(tǒng)間連接相應(yīng)的 幾路光纖，致使在各子系統(tǒng)與定時系統(tǒng)之間的連線復(fù)雜、故障率高、不易于維護，系統(tǒng)成本
咼o

實用新型內(nèi)容
本實用新型避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，為滿足大型裝置設(shè)備對精確同步的方 波時鐘信號和精確脈沖觸發(fā)時序的要求，提供一種分布式定時系統(tǒng)。以其同樣的分布式結(jié)構(gòu) 就近為各子系統(tǒng)提供方波時鐘信號和脈沖觸發(fā)信號，減少信號走線的長度，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 便于實現(xiàn)信號的隔離，提高工作可靠性。
本實用新型解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案-
本實用新型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點是-
設(shè)置樹形信號網(wǎng)絡(luò)，所述樹形信號網(wǎng)絡(luò)具有按分布式子系統(tǒng)的不同的物理位置對應(yīng)設(shè)置 的各分布式節(jié)點，每一節(jié)點分別以兩路信號傳輸光纖與核心模塊進行連接，其中一路為系統(tǒng) 時鐘信號傳輸光纖，另一路為系統(tǒng)脈沖觸發(fā)信號傳輸光纖；所述核心模塊通過各分布式節(jié)點
為每一分布式子系統(tǒng)提供若干路同步的方波系統(tǒng)時鐘和若干路同步的系統(tǒng)脈沖觸發(fā)信號；
設(shè)置局域控制網(wǎng)絡(luò)，各分布式節(jié)點與控制臺共同接入在以太網(wǎng)中，所述控制臺一路通過 電纜向核心模塊提供系統(tǒng)觸發(fā)脈沖電信號，另一路通過以太網(wǎng)對各分布式節(jié)點上的各個時鐘和觸發(fā)輸出通道進行設(shè)置，在時鐘輸出通道上輸出對系統(tǒng)時鐘進行分頻的方波信號；在預(yù)定
的延遲時刻后，在觸發(fā)輸出通道上輸出脈沖屬性可同時被設(shè)置的脈沖觸發(fā)信號。
本實用新型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點也在于
所述核心模塊與每一信號節(jié)點中的兩路信號傳輸光纖長度均相等。 對應(yīng)各分布式節(jié)點，設(shè)置各自的隔離與驅(qū)動設(shè)備。
本實用新型系統(tǒng)是以核心模塊、各分布式節(jié)點和光纖信號網(wǎng)構(gòu)成的樹形時鐘和觸發(fā)信號 網(wǎng)絡(luò)，以確保分布式結(jié)構(gòu)下的各個子系統(tǒng)可以獲得精確同步的方波時鐘信號以及精確的觸發(fā) 時序。
本實用新型系統(tǒng)同時以控制臺、核心模塊、各分布式節(jié)點和以太網(wǎng)構(gòu)成的局域控制網(wǎng)絡(luò)， 以便靈活、簡便地實現(xiàn)控制命令和參數(shù)的傳輸。
與已有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果體現(xiàn)在-.
1、 與已有技術(shù)中的集中式定時系統(tǒng)相比，本實用新型分布式定時系統(tǒng)與各子系統(tǒng)間只 有兩路光纖連接，大大簡化了裝置中分布式結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)與定時系統(tǒng)間的連線，有效降低了 信號連接的成本。在本實用新型分布式定時系統(tǒng)中，子系統(tǒng)僅與分布式信號節(jié)點保持連接， 避免了大量信號線同時連接到一個機箱情況的發(fā)生，降低了信號線的連接故障率、方便了系 統(tǒng)的維護。
2、 與基于VXI、 CAMAC或CPCI總線的集中式定時系統(tǒng)相比，本實用新型采用嵌入式 處理器的分布式定時系統(tǒng)可以大大降低的系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和維護成本。各信號節(jié)點經(jīng)光纖 信號網(wǎng)和以太網(wǎng)接受核心模塊和控制臺的統(tǒng)一控制，使得控制臺可以靈活地集中管理處于分 布式拓撲結(jié)構(gòu)下的定時系統(tǒng)。
3、 本實用新型分布式定時系統(tǒng)具有很強的實用性和靈活性，便于控制臺對各子系統(tǒng)的 控制，易于維護和系統(tǒng)調(diào)試。
4、 本實用新型對應(yīng)各分布式節(jié)點，設(shè)置各自的隔離與驅(qū)動設(shè)備，其隔離功能的設(shè)置一 方面可以避免裝置子系統(tǒng)可能存在的高壓帶來系統(tǒng)安全性問題，另一方面可以避免在裝置子 系統(tǒng)的信號間構(gòu)成"地"環(huán)路從而引入噪聲；其驅(qū)動電路可以滿足不同子系統(tǒng)在接收端對信 號的不同要求。


圖1為本實用新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實用新型核心模塊原理圖。
圖3為本實用新型分布式信號節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本實用新型定時系統(tǒng)分頻模塊電路原理圖。圖5本實用新型外圍隔離和驅(qū)動設(shè)備原理圖。
以下通過具體實施方式
，并結(jié)合附圖對本實用新型作進一步描述
具體實施方式
參見圖l，系統(tǒng)構(gòu)成包括控制臺、核心模塊、各分布式節(jié)點、外圍隔離驅(qū)動設(shè)備，以及 相互交織的光纖信號網(wǎng)和以太網(wǎng)共同構(gòu)成控制網(wǎng)和樹形信號網(wǎng)；
光纖信號網(wǎng)的設(shè)置，由于各個分布式節(jié)點所處的物理位置不同，為了不讓各節(jié)點間的信 號形成共"地"環(huán)路，各節(jié)點與核心模塊間采用光纖連接。具體實施中，核心模塊與各分布 式節(jié)點之間為兩路光纖連接， 一路為系統(tǒng)時鐘信號傳輸光纖，另一路為系統(tǒng)脈沖觸發(fā)信號傳 輸光纖；為確保到達各分布式節(jié)點的系統(tǒng)時鐘和系統(tǒng)觸發(fā)信號都是同步的，將核心模塊連接 到各個分布式節(jié)點的光纜長度設(shè)置為一致，由核心模塊為各分布式節(jié)點提供若干路同步的方 波系統(tǒng)時鐘和若干路同步的系統(tǒng)脈沖觸發(fā)信號；再經(jīng)過外圍隔離和驅(qū)動設(shè)備后可直接供各子 系統(tǒng)使用。
在每個分布式節(jié)點上，分別提供若干路由系統(tǒng)時鐘分頻后輸出的電信號，以及若干路由 系統(tǒng)觸發(fā)延遲后輸出的脈沖電信號，并經(jīng)外圍隔離和驅(qū)動設(shè)備后對應(yīng)提供給各子系統(tǒng)。
具體實施中，按分布式子系統(tǒng)的不同的物理位置對應(yīng)設(shè)置各分布式信號節(jié)點，該分布式 結(jié)構(gòu)可以確保處于不同物理位置的各分布式節(jié)點獲得精確同步的方波時鐘和精確脈沖觸發(fā) 時序。
系統(tǒng)控制方法
核心模塊經(jīng)電纜與控制臺上的數(shù)字I/O卡輸出端口連接，以接收控制臺發(fā)出的系統(tǒng)觸發(fā) 脈沖電信號。
控制臺經(jīng)以太網(wǎng)向各分布式節(jié)點發(fā)布控制命令和參數(shù)。分布式節(jié)點在接收到控制臺發(fā)出 的命令和參數(shù)后，即對節(jié)點上的各個時鐘和觸發(fā)輸出通道進行設(shè)置。依據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)在時鐘輸 出通道上輸出對系統(tǒng)時鐘進行分頻的方波信號；在預(yù)定的延遲時刻后，在觸發(fā)輸出通道上輸 出脈沖觸發(fā)信號，其中包括脈沖極性和脈沖寬度的脈沖屬性可同時被設(shè)置。 關(guān)于核心模塊的設(shè)置
參見圖2,核心模塊負責向各分布式節(jié)點發(fā)送精確同步的系統(tǒng)時鐘和系統(tǒng)觸發(fā)光纖信號。 方波系統(tǒng)時鐘源信號經(jīng)放大后驅(qū)動光纖信號發(fā)射電路產(chǎn)生光信號，實現(xiàn)所有光纖信號發(fā)射電 路輸出精確同步的系統(tǒng)時鐘光信號。系統(tǒng)觸發(fā)信號由控制臺經(jīng)電纜輸出，隔離后的觸發(fā)信號 經(jīng)放大后驅(qū)動光纖信號發(fā)射電路產(chǎn)生光信號，實現(xiàn)所有光纖信號發(fā)射電路輸出精確同步的系 統(tǒng)觸發(fā)光信號。
關(guān)于分布式節(jié)點的設(shè)置參見圖3，分布式節(jié)點是實現(xiàn)分布式控制、觸發(fā)延遲和時鐘分頻的核心，它由以太網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)接口電路、FPGA時鐘分頻模塊與觸發(fā)延遲模塊、FPGA上電配置電路、觸發(fā)驅(qū)動電路、 時鐘驅(qū)動電路、觸發(fā)通道輸出使能控制電路、本地調(diào)試電路以及光電轉(zhuǎn)換電路組成。
圖3所示，采用光電轉(zhuǎn)換電路將核心模塊發(fā)出的系統(tǒng)觸發(fā)光信號轉(zhuǎn)換為電信號，采用高 速光電轉(zhuǎn)換電路將核心模塊發(fā)出的系統(tǒng)時鐘光信號轉(zhuǎn)化為電信號。
以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口電路內(nèi)運行嵌入式操作系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)通信能力，使用TCP/IP協(xié)議與控 制臺進行網(wǎng)絡(luò)通信。FPGA時鐘分頻與觸發(fā)延遲模塊實現(xiàn)對系統(tǒng)時鐘的任意整數(shù)分頻系數(shù)設(shè) 置和系統(tǒng)觸發(fā)延遲參數(shù)(包括脈沖觸發(fā)的屬性)設(shè)置，并輸出若干路的分頻時鐘信號和若干 路的觸發(fā)延遲信號。觸發(fā)通道輸出使能電路用于控制遠程控制各個觸發(fā)通道是否輸出，若某 個指定觸發(fā)通道被禁止輸出，該通道將始終保持在低電平，不會輸出任何觸發(fā)信號。 圖4所示為FPGA內(nèi)部時鐘分頻模塊單通道電路原理，如圖4所示，LD16為16Bit的鎖存 器，divmod(15:0)為16Bit的分頻系數(shù)輸入端口， latch為鎖存器鎖存端；divl6為時鐘分頻模 塊，clk一in為系統(tǒng)時鐘輸入端，elk—rst為時鐘分頻模塊復(fù)位端，clk一out為分頻后時鐘輸出端。 與某時鐘分頻通道相對應(yīng)的16Bit分頻系數(shù)被latch信號鎖存在LD16的Q(15:0)端。若分頻 系數(shù)為0 (即Q(15:0)全為0)，則ATPGEN為高電平，elk—out輸出時鐘頻率等于elk—in上的 時鐘頻率；若分頻系數(shù)不為0，則輸出時鐘頻率Fdk。u產(chǎn)F《in/(Q(15:0)+l)。
隔離和驅(qū)動設(shè)備的設(shè)置
具體實施中，由于裝置的子系統(tǒng)上可能有高壓的存在，從系統(tǒng)安全的角度考慮，定時系 統(tǒng)不能與各子系統(tǒng)使用同一套電源系統(tǒng)。從信號完整性的角度考慮，為了避免在各子系統(tǒng)的 信號間構(gòu)成"地"環(huán)路從而引入噪聲，定時系統(tǒng)輸出的分頻時鐘與觸發(fā)延遲信號不能直接與 各子系統(tǒng)有電氣連接。因此，定時系統(tǒng)的分布式節(jié)點與各子系統(tǒng)間必須有隔離設(shè)備。不同的 子系統(tǒng)對信號有不同的要求，可能需要電信號也可能需要光信號，信號的幅度(或強度)和 脈沖的寬度也是各異的，因此，對于不同的子系統(tǒng)專門設(shè)計隔離驅(qū)動設(shè)備，以滿足不同子系 統(tǒng)接收端的要求。
圖5所示為定時系統(tǒng)的分布式節(jié)點與各子系統(tǒng)間隔離設(shè)備原理圖，其中IC3是ADI公 司的iCoupIer數(shù)字隔離芯片ADuMllOO，具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，用于時鐘信號的隔離。 ADuMllOO的輸入和輸出需要彼此隔離的5V或3.3V電源，電路中使用了 DC-DC模塊 Powerl ， 5V的VCC為的VDD2供電，VCC經(jīng)過Powerl隔離后產(chǎn)生的Isolated VCC1 為IC3的VDD1供電。IC9 74FCT807是一片時鐘驅(qū)動芯片，可以同時輸出相位高度一致的 10路時鐘信號，分布式節(jié)點輸出的時鐘信號經(jīng)過ADuM1100隔離后在VO端輸出，VO與 4FCT807的VI相連作為其時鐘輸入信號。ACLK1 ACLK10端口上輸出的時鐘信號即可提供給各個子系統(tǒng)。
此外，光電耦合器IC16N137用于隔離分布式節(jié)點輸出的觸發(fā)信號，觸發(fā)信號經(jīng)過IC5 和IC6NE555后，脈沖寬度可以展開，同時由于NE555的輸出具有很強的驅(qū)動能力，因此 隔離后的觸發(fā)信號具備了很強的驅(qū)動能力。
權(quán)利要求1、分布式定時系統(tǒng)，其特征是設(shè)置樹形信號網(wǎng)絡(luò)，所述樹形信號網(wǎng)絡(luò)具有按分布式子系統(tǒng)的不同的物理位置對應(yīng)設(shè)置的各分布式節(jié)點，每一節(jié)點分別以兩路信號傳輸光纖與核心模塊進行連接，其中一路為系統(tǒng)時鐘信號傳輸光纖，另一路為系統(tǒng)脈沖觸發(fā)信號傳輸光纖；所述核心模塊通過各分布式節(jié)點為每一分布式子系統(tǒng)提供若干路同步的方波系統(tǒng)時鐘和若干路同步的系統(tǒng)脈沖觸發(fā)信號；設(shè)置局域控制網(wǎng)絡(luò)，各分布式節(jié)點與控制臺共同接入在以太網(wǎng)中，所述控制臺一路通過電纜向核心模塊提供系統(tǒng)觸發(fā)脈沖電信號，另一路通過以太網(wǎng)對各分布式節(jié)點上的各個時鐘和觸發(fā)輸出通道進行設(shè)置，在時鐘輸出通道上輸出對系統(tǒng)時鐘進行分頻的方波信號；在預(yù)定的延遲時刻后，在觸發(fā)輸出通道上輸出脈沖屬性可同時被設(shè)置的脈沖觸發(fā)信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式定時系統(tǒng)，其特征是所述核心模塊與每一信號節(jié)點中 的兩路信號傳輸光纖長度均相等。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式定時系統(tǒng)，其特征是對應(yīng)各分布式節(jié)點，設(shè)置各自的 隔離與驅(qū)動設(shè)備。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的分布式定時系統(tǒng)，其特征是所述隔離與驅(qū)動設(shè)備包括-所述隔離設(shè)備采用數(shù)字隔離芯片IC3，并設(shè)置DC-DC模塊，5V的直流電源VCC直接接入數(shù)字隔離芯片IC3的VDD2腳，同時，電源VCC經(jīng)過DC-DC模塊隔離后產(chǎn)生的3.3V 直流電源VCC1接入數(shù)字隔離芯片IC3的VDD1腳；所述驅(qū)動設(shè)備采用時鐘驅(qū)動芯片IC9，由分布式節(jié)點輸出的時鐘信號在經(jīng)數(shù)字隔離芯片 IC3隔離后在IC3的VO端輸出，并以所述VO端輸出信號接入IC9作為其時鐘輸入信號， 在所述驅(qū)動芯片IC9的ACLK1 ACLK10端口上為個子系統(tǒng)輸出10路相位一致的時鐘信號。
專利摘要分布式定時系統(tǒng)，其特征是設(shè)置樹形信號網(wǎng)絡(luò)，按分布式子系統(tǒng)不同的物理位置對應(yīng)設(shè)置各分布式節(jié)點，核心模塊通過各分布式節(jié)點為每一分布式子系統(tǒng)提供若干路同步方波系統(tǒng)時鐘和同步系統(tǒng)脈沖觸發(fā)信號；設(shè)置局域控制網(wǎng)絡(luò)，各分布式節(jié)點與控制臺共同接入在以太網(wǎng)中，控制臺一路通過電纜向核心模塊提供系統(tǒng)觸發(fā)脈沖電信號，另一路通過以太網(wǎng)對各分布式節(jié)點上的各個時鐘和觸發(fā)輸出通道進行設(shè)置，實現(xiàn)控制命令和參數(shù)的傳輸。本實用新型以簡單可靠的系統(tǒng)設(shè)置為采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大型裝置提供精確同步的方波時鐘信號和精確脈沖觸發(fā)時序。
文檔編號H04L12/28GK201130944SQ200720130820
公開日2008年10月8日 申請日期2007年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月6日
發(fā)明者吳一純, 季振山, 羅家融 申請人:中國科學院等離子體物理研究所