基于SOPC技術(shù)的Galatea型等離子體磁約束裝置時序控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本申請涉及一種基于SOPC技術(shù)的Galatea等離子體磁約束裝置時序控制系統(tǒng)，該時序控制系統(tǒng)包括工控機總控及時序參數(shù)設(shè)置單元、中央時序控制單元、本地時序控制單元和光電轉(zhuǎn)換單元，通過位于工控機總控及時序參數(shù)設(shè)置單元平臺對時鐘通道的分頻系數(shù)和觸發(fā)通道的延時參數(shù)進行設(shè)置，可以完成對整個磁約束裝置的工作時序設(shè)定，從而提供精確的時鐘信號和延時觸發(fā)信號，保證了整個磁約束裝置的正常運行。
【專利說明】基于SOPC技術(shù)的Ga I atea型等離子體磁約束裝置時序控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及等離子體磁約束領(lǐng)域，具體為一種新型的Galatea等離子體磁約束裝置的時序控制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，人類最主要的能源仍是煤炭、石油、天然氣等化石燃料，這些能源儲量有限而且使用過程嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，隨著能源問題的日益突出，開發(fā)安全可靠、高效清潔的新能源迫在眉睫。核能的利用上，由于核裂變所需的原料鈾的儲量不多，放射性與危險性大。而核聚變在燃料的燃料蘊藏量、安全性都具有非常大的優(yōu)勢。實現(xiàn)受控核聚變有兩個方向:慣性約束和磁約束。目前，人們的主要研究方向為磁約束核聚變，具有代表性的磁約束裝置由托卡馬克和仿星器。
[0003]Galatea型磁約束裝置作為非托卡馬克型受控?zé)岷司圩兊入x子體磁約束的初級研究裝置，與托卡馬克、仿星器等磁約束裝置相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可控性好、能自動抑制等離子體的互換不穩(wěn)定性等優(yōu)點。Galatea型等離子體磁約束裝置主要由等離子體槍、等離子運輸通道和磁阱三部分組成。其中等離子體槍、等離子運輸通道和磁阱均放置于真空罐中。除此之外，Galatea型磁約束裝置還需要配套其它的一些輔助系統(tǒng)，主要包括等離子體診斷系統(tǒng)、脈沖電源系統(tǒng)、真空抽氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)廣泛的分布在Galatea裝置的不同位置，在裝置工作的過程中，對每一個子系統(tǒng)的工作順序和工作時間都有嚴(yán)格要求，因此需要一個同步時序控制機制來實現(xiàn)Galatea等離子體磁約束系統(tǒng)的各個部分的工作時序控制，并同步約束各個子系統(tǒng)的工作，從而保證等離子體的產(chǎn)生、輸運和等離子體磁約束等一系列工作過程的正常運行。
[0004]目前，在已有的Galatea型磁約束裝置使用的時序控制系統(tǒng)普遍使用多臺脈沖信號發(fā)生器聯(lián)合控制整個裝置的工作。這種方式有以下缺陷:一是由于單個設(shè)備的脈沖觸發(fā)時間需要手動設(shè)置，如果實驗中需要改變脈沖觸發(fā)時間，那就需要反復(fù)設(shè)置，自動化程度低、實驗效率不高；二是多臺設(shè)備聯(lián)合使用時，設(shè)備之間的同步是通過串聯(lián)觸發(fā)信號，即電信號實現(xiàn)的，電信號的通信距離短且容易受到外界電磁干擾，容易產(chǎn)生誤動作而導(dǎo)致實驗失敗。
[0005]在這種情況下，我們研發(fā)了基于SOPC技術(shù)的Galatea型等離子體時序控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)由總控及時序參數(shù)設(shè)置平臺、中央時序控制模塊、本地時序控制模塊以及外圍隔離驅(qū)動設(shè)備組成。其中總控及時序參數(shù)設(shè)置平臺負(fù)責(zé)Galatea型等離子體磁約束裝置中各個子系統(tǒng)的工作時序、中央觸發(fā)延時模塊上的時鐘和延時觸發(fā)通道等參數(shù)的設(shè)置和管理。中央時序控制模塊對32MHz的系統(tǒng)時鐘進行0-65535的任意整數(shù)分頻，能輸出多達16路的延時觸發(fā)和同步時鐘信號，可以對任意一路的系統(tǒng)觸發(fā)信號進行輸出延時，最大延時時間為4096s，延時分辨率為100ns。本地時序控制模塊接收中央時序控制模塊輸出的觸發(fā)光信號，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和外圍隔離驅(qū)動后直接控制各個子系統(tǒng)的工作時序。本發(fā)明采用數(shù)據(jù)處理能力強大的工控機來管理整個裝置復(fù)雜的參數(shù)設(shè)置和時序管理；利用FPGA的高效并行處理能力使得處于不同物理位置的各個節(jié)點獲得了更為精準(zhǔn)的觸發(fā)定時信號和同步時鐘信號；另外，采用SOPC技術(shù)的硬件結(jié)構(gòu)通用性強、靈活可靠，使得系統(tǒng)升級也變得非常的方便和快捷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的主要目的在于提供了一種基于SOPC技術(shù)的Galatea型等離子體磁約束裝置的時序控制系統(tǒng)。在使用Galatea型離子體磁約束裝置進行等離子體磁約束實驗中，時序控制系統(tǒng)應(yīng)該向分布在不同物理位置的各子系統(tǒng)提供精確的時鐘信號和延時觸發(fā)信號，以確保各個子系統(tǒng)可以以相同的時基和嚴(yán)格的時序工作，從而確保Galatea型等離子體磁約束裝置的穩(wěn)定運行。
[0007]為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0008]基于SOPC技術(shù)的Galatea等離子體磁約束裝置的中央時序控制系統(tǒng)，其特征在于:包括工控機總控及時序參數(shù)設(shè)置單元、中央時序控制單元、本地時序控制單元、光電轉(zhuǎn)換單元和Galatea光纖控制網(wǎng)。所述的工控機總控及時序參數(shù)設(shè)置單元與中央時序控制單元通過Galatea控制網(wǎng)中的以太網(wǎng)實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通信，并通過Galatea控制網(wǎng)中的光纖網(wǎng)實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的啟動停止控制。所述的中央時序控制單元是本系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)輸出延時觸發(fā)和同步時鐘信號。所述的本地時序控制單元用于接收Galatea控制網(wǎng)中的光纖網(wǎng)絡(luò)分配的同步時鐘和延時觸發(fā)信號，控制相應(yīng)Galatea裝置的子系統(tǒng)的工作。所述的Galatea光纖控制網(wǎng)用于連接中央時序控制單元和本地時序控制單元,用于延時觸發(fā)和同步時鐘信號的傳輸。所述的中央時序控制單元通過光電轉(zhuǎn)換設(shè)備向本地時序控制單元輸出同步時鐘信號和延時觸發(fā)信號，所述的本地時序控制單元通過隔離驅(qū)動電路向Galatea型離子體磁約束裝置中各個子系統(tǒng)輸出觸發(fā)信號。
[0009]所述的工控機總控及時序參數(shù)設(shè)置單元，其中總控平臺直接控制系統(tǒng)觸發(fā)的輸出，而時序參數(shù)設(shè)置平臺通過以太網(wǎng)可靈活地對中央時序控制模塊上的時鐘和觸發(fā)輸出通道進行參數(shù)設(shè)置和集中管理。時序參數(shù)設(shè)置平臺可以采用按子系統(tǒng)、按節(jié)點或按放電時序的方法在每次放電前的準(zhǔn)備階段對各個分布式節(jié)點進行管理，只需經(jīng)過簡單的操作就可對各節(jié)點上的所有時鐘通道的分頻系數(shù)和觸發(fā)通道的延遲參數(shù)進行設(shè)置。
[0010]所述的中央時序控制單元，是Galatea等離子體磁約束裝置的時序控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，是實現(xiàn)分布式控制、觸發(fā)延遲和時鐘分頻的核心。中央時序控制單元依賴的平臺是Altera公司的FPGA，在其上利用SOPC技術(shù)將嵌入式N1S II軟核和時鐘分頻及延時觸發(fā)模塊集成到一起，它們之間的數(shù)據(jù)通信是通過Avalon總線實現(xiàn)的。通過在嵌入式軟核N1S II中移植精簡TCP/IP協(xié)議棧LWIP，可以與總控參數(shù)設(shè)置平臺之間實現(xiàn)實時的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信，即通過以太網(wǎng)接收來自總控參數(shù)設(shè)置平臺的各種實驗設(shè)置參數(shù)并解析，解析的結(jié)果(時序控制邏輯和各個子系統(tǒng)的延時觸發(fā)時間)通過Avalon總線分別傳遞給時鐘分頻模塊和延時觸發(fā)模塊，從而指導(dǎo)時鐘分頻模塊產(chǎn)生時序控制和同步時鐘，延時觸發(fā)模塊輸出延時觸發(fā)，進而控制各個子系統(tǒng)的工作時序。
[0011]所述的本地時序控制單元，通過光纖網(wǎng)接收來自于中央時序控制節(jié)點的同步時鐘和延時觸發(fā)信號，經(jīng)過處理后控制相應(yīng)的Galatea裝置的子系統(tǒng)。本地時序控制單元是在FPGA上實現(xiàn)的，可以產(chǎn)生8路觸發(fā)信號和8路同步時鐘輸出，通過光電轉(zhuǎn)換設(shè)備控制各個子系統(tǒng)的運行。
[0012]所述的光電轉(zhuǎn)換單元，用于Galatea等離子體磁約束裝置的中央時序控制單元和各個本地時序控制單元之間的高速的延時觸發(fā)和同步時鐘信號的光電轉(zhuǎn)換。隔離和驅(qū)動單兀上的每一路輸入輸出通道，都是由一對Agilent公司的光信號傳輸器HFBR-1414T與光信號接收器HFBR-2416T組成，保證在O-1OOm距離內(nèi)數(shù)據(jù)的通信速率不小于125MBd。
[0013]所述的Galatea光纖控制網(wǎng)，包括以太網(wǎng)和光纖控制網(wǎng)，其中以太網(wǎng)用于工控機總控及時序參數(shù)設(shè)置單元和中央時序控制單元之間的通信，光纖控制網(wǎng)用于中央時序控制單元和處于不同物理位置的本地時序控制單元之間的同步時鐘和延時觸信號的通信。為了保證傳輸延時的一致性要求連接的光纜長度是等長的，在Galatea等離子體磁約束裝置中，使用多路50/125 μ m多模光纖組成了 Galatea光纖控制網(wǎng)。
[0014]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0015]其一:本發(fā)明采用基于SOPC硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，其嵌入式N1S II軟核、時鐘分頻和延時觸發(fā)模塊均采用軟件編程實現(xiàn)，硬件成本低，系統(tǒng)升級方便快捷。
[0016]其二:本發(fā)明提出的基于SOPC技術(shù)的Galatea等離子體磁約束裝置的中央時序控制系統(tǒng)實現(xiàn)了脈沖觸發(fā)寬度可調(diào)、信號極性可選的功能。不需要任何外圍設(shè)備，系統(tǒng)就可以產(chǎn)生多達16路的延時觸發(fā)和同步時鐘信號，并可以對任意一路的系統(tǒng)觸發(fā)信號進行輸出延時，其最大延時時間為4096s，延時分辨率為100ns。
[0017]其三:本發(fā)明提出的基于SOPC技術(shù)的Galatea等離子體磁約束裝置的中央時序控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)為以太網(wǎng)+光纖網(wǎng)。利用以太網(wǎng)實現(xiàn)各個模塊的快速組網(wǎng)和數(shù)據(jù)交互傳輸，利用光纖網(wǎng)傳輸高速同步時鐘和延時觸發(fā)信號，提高了信號的傳輸精度，保證了Galatea等離子體磁約束裝置各個子系統(tǒng)之間高精度的工作時序要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]1.圖1是本發(fā)明所述的Galatea型等離子體磁約束裝置的時序控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0019]2.圖2是本發(fā)明所述的Galatea型等離子體磁約束裝置的時序控制系統(tǒng)的中央時序控制單元原理示意圖；
[0020]3.圖3是本發(fā)明所述的Galatea型等離子體磁約束裝置的時序控制系統(tǒng)的本地時序控制單元原理示意圖；
[0021]4.圖4是本發(fā)明所述的Galatea型等離子體磁約束裝置的時序控制系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換單元原理示意圖。

【具體實施方式】
[0022]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明的原理和特征進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明所述的Galatea型等離子體磁約束裝置的時序控制系統(tǒng)包括工控機總控及參數(shù)設(shè)置單元、中央時序控制單元、第一光電轉(zhuǎn)換單元、Galatea光纖控制網(wǎng)、第二光電轉(zhuǎn)換單元以及本地時序控制單元。工控機總控及參數(shù)設(shè)置單元將時序參數(shù)配置信息通過以太網(wǎng)傳輸?shù)街醒霑r序控制單元，經(jīng)過中央時序控制單元對配置參數(shù)進行解析處理，將生成的延時觸發(fā)信號的同步時鐘通過Galatea光纖控制網(wǎng)、光電轉(zhuǎn)換傳輸至本地時序控制單元。經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換后控制Galatea型離子體磁約束裝置中各個子系統(tǒng)輸出觸發(fā)信號。
[0024]如圖2所示，本發(fā)明還給出了 Galatea型等離子體磁約束裝置的時序控制系統(tǒng)的中央時序控制單元的原理示意圖。它是Galatea等離子體時序控制系統(tǒng)的核心，它是由嵌入式N1S II軟核、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、I/O輸入輸出模塊、Avalon總線、參數(shù)控制器、同步時鐘輸出模塊、延時觸發(fā)輸出模塊和起停檢測模塊組成。它可以實時地通過以太網(wǎng)與總控參數(shù)設(shè)置單元進行數(shù)據(jù)通信，接收并解析各種實驗設(shè)置參數(shù)，并生成時序控制邏輯和各個子系統(tǒng)的延時觸發(fā)時間的參數(shù)傳遞給同步時鐘輸出模塊和延時觸發(fā)輸出模塊，從而產(chǎn)生輸出延時觸發(fā)和同步時鐘的輸出時序信號。
[0025]如圖3所示，本發(fā)明還給出了 Galatea型等離子體磁約束裝置的時序控制系統(tǒng)的本地時序控制單元原理示意圖。本單元由FPGA時序控制模塊、延時觸發(fā)驅(qū)動電路和同步時鐘驅(qū)動電路組成。主要功能是用于接收Galatea光纖網(wǎng)絡(luò)分配的同步時鐘和延時觸發(fā)信號，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換后通過隔離驅(qū)動電路控制相應(yīng)的Galatea裝置中的各個子系統(tǒng)的工作。
[0026]如圖4所示，本發(fā)明還給出了 Galatea型等離子體磁約束裝置的時序控制系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換單元原理示意圖。本單元由光電轉(zhuǎn)換與發(fā)送模塊和光電轉(zhuǎn)換與接收模塊組成。其中的光電轉(zhuǎn)換發(fā)射模塊是由電平轉(zhuǎn)換電路和光信號傳輸器HFBR-1414T組成；光電轉(zhuǎn)換接收模塊是由電平轉(zhuǎn)換電路和光信號接收器HFBR-2416T及信號驅(qū)動電路組成。主要用于中央時序控制單元通過光電轉(zhuǎn)換設(shè)備向本地時序控制單元輸出同步時鐘信號和延時觸發(fā)信號，完成光電信號的轉(zhuǎn)換和信號的電平變換。
[0027]以上說明對本發(fā)明而言只是說明性的，而非限制性的，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解，在不脫離以下所附權(quán)利要求所限定的精神和范圍的情況下，可做出許多修改、變化或等效，但都將落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于SOPC技術(shù)的Galatea型等離子體磁約束裝置時序控制系統(tǒng)，其特征在于包括包括工控機總控及時序參數(shù)設(shè)置單元、中央時序控制單元、光電轉(zhuǎn)換單元、Galatea光纖控制網(wǎng)以及本地時序控制單元， 所述的工控機總控及時序參數(shù)設(shè)置單元與中央時序控制單元通過Galatea光纖控制網(wǎng)中的以太網(wǎng)實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通信，并通過Galatea光纖控制網(wǎng)中的光纖網(wǎng)實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的啟動停止控制，所述的中央時序控制單元負(fù)責(zé)輸出延時觸發(fā)和同步時鐘信號，所述的本地時序控制單元用于接收Galatea光纖控制網(wǎng)中的光纖網(wǎng)絡(luò)分配的同步時鐘和延時觸發(fā)信號，控制相應(yīng)Galatea等離子體磁約束裝置的子系統(tǒng)的工作，所述的Galatea光纖控制網(wǎng)用于連接中央時序控制單元和本地時序控制單元，用于延時觸發(fā)和同步時鐘信號的傳輸，所述的中央時序控制單元通過光電轉(zhuǎn)換單元向本地時序控制單元輸出同步時鐘信號和延時觸發(fā)信號，所述的本地時序控制單元通過隔離驅(qū)動電路向Galatea等離子體磁約束裝置中各個子系統(tǒng)輸出觸發(fā)信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時序控制系統(tǒng)，所述的工控機總控及時序參數(shù)設(shè)置單元，其中總控平臺直接控制系統(tǒng)觸發(fā)的輸出，而時序參數(shù)設(shè)置平臺通過以太網(wǎng)對中央時序控制模塊上的時鐘和觸發(fā)輸出通道進行參數(shù)設(shè)置和集中管理，時序參數(shù)設(shè)置平臺采用按子系統(tǒng)、按節(jié)點或按放電時序的方法在每次放電前的準(zhǔn)備階段對各個分布式節(jié)點進行管理，可對各節(jié)點上的所有時鐘通道的分頻系數(shù)和觸發(fā)通道的延遲參數(shù)進行設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時序控制系統(tǒng)，所述的中央時序控制單元是在FPGA上利用SOPC技術(shù)將嵌入式N1S II軟核與時鐘分頻和延時觸發(fā)模塊集成到一起，它們之間使用Avalon總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的時序控制系統(tǒng)，通過嵌入式N1SII軟核中移植精簡TCP/IP協(xié)議棧LWIP，實時地通過以太網(wǎng)與總控參數(shù)設(shè)置平臺進行數(shù)據(jù)通信，接收并解析各種實驗設(shè)置參數(shù)，并通過Avalon總線將生成時序控制邏輯和各個子系統(tǒng)的延時觸發(fā)時間的參數(shù)傳遞給時鐘分頻和延時觸發(fā)模塊，從而產(chǎn)生時序控制，輸出延時觸發(fā)和同步時鐘的輸出信號，進而控制各個子系統(tǒng)工作時序。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時序控制系統(tǒng)，所述的本地時序控制單元是在FPGA上實現(xiàn)的，本單元由FPGA時序控制模塊、延時觸發(fā)驅(qū)動電路和同步時鐘驅(qū)動電路組成，用于接收Galatea光纖控制網(wǎng)分配的同步時鐘和延時觸發(fā)信號，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換后通過隔離驅(qū)動電路控制相應(yīng)的Galatea裝置中的各個子系統(tǒng)的工作。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的時序控制系統(tǒng)，本地控制節(jié)點可以產(chǎn)生8路觸發(fā)延時信號和8路同步時鐘驅(qū)動信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時序控制系統(tǒng)，所述的光電轉(zhuǎn)換單元用于中央時序控制單元和各個本地時序控制單元之間的延時觸發(fā)和同步時鐘信號的光電轉(zhuǎn)換。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時序控制系統(tǒng)，所述的Galatea光纖控制網(wǎng)，包括以太網(wǎng)和光纖控制網(wǎng)，其中以太網(wǎng)用于工控機總控及時序參數(shù)設(shè)置單元和中央時序控制單元之間的通信，光纖控制網(wǎng)用于中央時序控制單元和處于不同物理位置的本地時序控制單元之間的同步時鐘和延時觸信號的通信。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的時序控制系統(tǒng)，為了保證傳輸延時的一致性，要求中央時序控制單元與本地時序控制單元之間的光纖長度是等長的，采用多路50/125 μ m多模光纖組成Galatea光纖控制網(wǎng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時序控制系統(tǒng)，中央時序控制單兀對32MHz的系統(tǒng)時鐘進行0-65535的任意整數(shù)分頻，能輸出多達16路的延時觸發(fā)和同步時鐘信號，可以對任意一路的系統(tǒng)觸發(fā)信號進行輸出延時，最大延時時間為4096s，延時分辨率為100ns。
【文檔編號】G05B19/418GK104267702SQ201410535183
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】佟為明, 金顯吉, 李中偉, 林景波, 李鳳閣, 陶寶泉, 劉佳坤 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)