雷瑞庭, 胡 勝, 李 君, 余熾業(yè)

(東莞理工學(xué)院 a. 電子工程學(xué)院； b. 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 廣東, 東莞 523808)

分布式粒子探測(cè)器集群高壓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷瑞庭a, 胡 勝a, 李 君b, 余熾業(yè)a

(東莞理工學(xué)院 a. 電子工程學(xué)院； b. 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 廣東, 東莞 523808)

設(shè)計(jì)了一種分布式粒子探測(cè)器集群高壓電源系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)總體構(gòu)架，重點(diǎn)介紹高壓電源控制柜的設(shè)計(jì)方案。分析了多個(gè)模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)基于Nios II和ARM雙核控制，設(shè)計(jì)了AC/DC 變換器、高壓電源陣列、CAN 路由器、觸摸屏及集群電源主控制器等模塊，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有功率因數(shù)高、精度高、紋波小、實(shí)時(shí)性好、設(shè)備的兼容性和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

集群電源主控制器; 分布式； 粒子探測(cè)器； 控制器局域網(wǎng)絡(luò); 調(diào)理電路

0 引 言

在粒子物理和核物理科學(xué)領(lǐng)域中，粒子探測(cè)器是關(guān)鍵的部件，是探測(cè)信息的源頭[1]。粒子探測(cè)器要求電源具有高電壓、低電流、穩(wěn)定、故障率低的特點(diǎn)。粒子探測(cè)器工作時(shí)一般都需要高壓電源，而電源的性能監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。為保證數(shù)據(jù)探測(cè)的準(zhǔn)確性，每個(gè)點(diǎn)對(duì)電源不但有監(jiān)控功能，而且各個(gè)探測(cè)點(diǎn)電源工作狀況以及與時(shí)間的對(duì)應(yīng)都要準(zhǔn)確[2-3]。研究分布式、網(wǎng)絡(luò)化的集群電源及監(jiān)控系統(tǒng)至關(guān)重要，也勢(shì)在必行。因此本文設(shè)計(jì)了一種分布式粒子探測(cè)器集群高壓電源系統(tǒng)，它集電力電子技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式參數(shù)測(cè)量與控制等技術(shù)于一體，將提高區(qū)域和國(guó)家科技創(chuàng)新能力。

1 分布式離子探測(cè)器集群高壓電源系統(tǒng)分布式總體架構(gòu)

分布式離子探測(cè)器集群高壓電源系統(tǒng)總體架構(gòu)，由數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、高壓電源控制柜經(jīng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)構(gòu)成，如圖1所示，高壓電源控制柜接收GPS時(shí)間源，供數(shù)據(jù)采集時(shí)間同步。每個(gè)高壓電源控制柜可以提供768路高壓輸出，供PMT陣列工作。高壓電源控制柜通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的指令，實(shí)時(shí)傳送每路高壓輸出監(jiān)控信息。

2 高壓電源控制柜

高壓電源控制柜由AC/DC變換器、集群電源主控制器、CAN路由器和16個(gè)高壓電源陣列組成，如圖2所示。AC/DC變換器將AC380V三相電源變換為48V直流電源，構(gòu)成系統(tǒng)供電的母線電壓，系統(tǒng)內(nèi)所有電源均由母線提供或經(jīng)母線電壓變換后提供。每個(gè)高壓電源陣列輸出48路高壓，供PMT工作，實(shí)時(shí)采集每個(gè)高壓?jiǎn)卧ぷ鳡顟B(tài)，具有CAN通信接口，能夠與集群電源主控制器通信，接收集群電源主控器的指令，實(shí)時(shí)傳送高壓輸出監(jiān)控信息。CAN路由器將16個(gè)高壓電源陣列的CAN通信串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)與集群電源主控器通信，有效提高CAN通信速率和通信節(jié)點(diǎn)數(shù)。集群電源主控器是高壓電源控制柜的控制核心，接收GPS時(shí)間源，供數(shù)據(jù)采集時(shí)間同步；具有TCP/IP接口，通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的指令，實(shí)時(shí)向數(shù)據(jù)中心服務(wù)器傳送每路高壓輸出監(jiān)控信息；通過(guò)CAN路由器控制每路高壓?jiǎn)卧敵?、采集每路高壓?jiǎn)卧獱顟B(tài)；通過(guò)CAN總線采集AC/DC變換器狀態(tài)；實(shí)時(shí)存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。

2.1 AC/DC 變換器

AC/DC變換器為整個(gè)設(shè)備的電子系統(tǒng)供電，同時(shí)也作為高壓源驅(qū)動(dòng)電源和散熱風(fēng)扇的動(dòng)力電源[4-5]。整個(gè)系統(tǒng)提供768路高壓源，每路高壓輸出3 kV/1 mA功率，高壓部分功率需求將達(dá)到2 304 W；由于高壓部分由兩級(jí)DC/DC變換構(gòu)成，假設(shè)兩級(jí)的變換效率為90%，其總體效率約為81%，因此，AC/DC變換器的輸出功率應(yīng)在2 844 W以上；同時(shí)考慮其他電子系統(tǒng)消耗、散熱風(fēng)扇消耗，以及系統(tǒng)可靠性的冗余，AC/DC 變換器按6 kW設(shè)計(jì)。AC/DC變換器，采用N+1模塊冗余并聯(lián)組合方式供電，即如果N個(gè)模塊的輸出電流能滿足供電需要，則采用N+1模塊平均分配，因此，可提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。每個(gè)整流器單元具有CAN總線通信功能，用于實(shí)現(xiàn)整流模塊之間的均流和上位機(jī)之間的通信[6-8]。48V AC/DC 變換器框圖如圖3所示。

整流模塊分為兩個(gè)部分。前級(jí)由三相三線交流輸入，輸入經(jīng)過(guò)輸入保護(hù)、經(jīng)過(guò)三相IGBT高頻整流進(jìn)行有源功率因數(shù)校正(PFC)，轉(zhuǎn)換成直流電。后級(jí)將直流電再經(jīng)過(guò)LLC諧振變換器把整流好的直流電轉(zhuǎn)換成高頻脈沖，然后高頻脈沖再通過(guò)高頻橋式整流平滑濾波后通過(guò)輸出保護(hù)得到所需的48V直流電源。AC/DC與DC/DC兩部分內(nèi)部用RS-485實(shí)時(shí)通信，模塊輸出端用CAN總線實(shí)現(xiàn)整流模塊之間的均流和上位機(jī)之間的通信。

2.2 高壓電源陣列

高壓電源陣列由管理單元、48路+2路高壓?jiǎn)卧?、開(kāi)關(guān)矩陣單元三部分組成,如圖4所示。

(1) 管理單元完成以下功能：采集高壓電源陣列溫度；存儲(chǔ)每一路高壓?jiǎn)卧狪D信息；高壓電源陣列接入檢測(cè)和開(kāi)關(guān)矩陣協(xié)同完成高壓輸出自動(dòng)投切功能；具有CAN總線接口，接收來(lái)自集群電源主控器指令,上傳采集及控制數(shù)據(jù)。溫度傳感器采用MAXIM公司DS18B20數(shù)字溫度傳感器，僅需一條接口線就可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)量；在使用中不需要任何外圍元件。

(2) 管理單元控制48路高壓?jiǎn)卧耐肚?，其指令?lái)源于集群電源主控器；當(dāng)48路高壓?jiǎn)卧我宦酚泄收蠒r(shí)，備用的高壓?jiǎn)卧度牍ぷ?，提高電源系統(tǒng)的可靠性。

(3) 高壓?jiǎn)卧蒁C/DC變換器、微控制器、ADC、DAC、高壓模塊等部分組成(見(jiàn)圖5)，具有CAN總線接口，接收來(lái)自集群電源主控器指令，上傳采集數(shù)據(jù)。DC/DC 變換器將48V母線電壓變換為高壓模塊適合的輸入電壓，同時(shí)具有隔離作用，任何一路高壓?jiǎn)卧獜碾姎馍匣ハ喔綦x。高壓模塊輸出電壓、電流經(jīng)調(diào)理電路放大后，傳送給ADC，微控制器從ADC上采集高壓模塊輸出電壓、電流數(shù)字化后的信息。高壓模塊的輸出電壓高低由DAC控制。

在輸出電壓的控制上，本系統(tǒng)充分利用了輸出參數(shù)數(shù)字化功能，對(duì)輸出電壓進(jìn)行雙閉環(huán)數(shù)字化輸出控制。其內(nèi)環(huán)控制由高壓模塊內(nèi)硬件完成，基準(zhǔn)由DAC產(chǎn)生。外環(huán)控制如圖6所示，由高壓?jiǎn)卧腗CU完成，控制算法采用經(jīng)典數(shù)字PID算法，根據(jù)輸出電壓與設(shè)定間的差異，改變DAC輸出，從而進(jìn)一步控制高壓模塊。外環(huán)數(shù)字化控制可進(jìn)一步降低參數(shù)離散、溫度漂移、負(fù)載波動(dòng)等對(duì)輸出電壓的影響。

電壓、電流采樣的調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，增益調(diào)節(jié)由增益芯片AD624和DAC7512組成。DAC轉(zhuǎn)換器選用DAC7512，它是TI公司生產(chǎn)的具有內(nèi)置緩沖放大器的12 bit D/A轉(zhuǎn)換器。通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)ADC控制模塊。

FPGA控制模塊控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的啟動(dòng)與轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA的特點(diǎn)適合處理多路并行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)利用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)了A/D采樣控制模塊。它根據(jù)AD的轉(zhuǎn)換時(shí)序圖，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的時(shí)序控制信號(hào)，使AD完成各種操作。

A/D轉(zhuǎn)換初始化端口函數(shù)initpio( )。

Void initpio( )

{IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(ADC_PIO_BASE,ADC_CON&(～DATA));

}

unsigned char ADC(void)

{unsigned char i;

unsigned char adcdata=0;

PIOCLR(CLK); //初始化CLK =0

PIOCLR(nCS); //初始化nCS=0

for(i=0;i<8;i++)

{ PIOSET(CLK);

……

PIOCLR(CLK);

}

2.3 CAN 路由器

高壓電源控制柜中AC/DC變換器、16個(gè)高壓電源陣列通過(guò)CAN總線與集群電源主控器通信，系統(tǒng)中CAN設(shè)備節(jié)點(diǎn)包括768路高壓?jiǎn)卧?2路備份高壓?jiǎn)卧C/DC交換器，共801個(gè)CAN設(shè)備節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)中需要17路CAN控制器。為了避免各路CAN總線通信干擾，需要對(duì)CAN通信接口進(jìn)行隔離，隔離方案用ADI公司的CAN隔離專用器件ADM3053BRWZ，內(nèi)部集成了隔離式控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)物理層收發(fā)器、隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器和雙通道隔離器，最高1 Mb/s的數(shù)據(jù)速率，并具有限流和熱關(guān)斷特性，可防止輸出短路[9-12]。

MCP2510是Microchip公司生產(chǎn)的CAN協(xié)議控制器，它通過(guò)SPI接口與微控制器相連，CAN SPI接口函數(shù)：CAN_SPI_CMD()；

CAN報(bào)文發(fā)送函數(shù)：

MCP2510_TX(intTxbuf,int Idtype,unsigned int*id,int datalen,char*data)；

CAN報(bào)文接收函數(shù)：

MCP2510_RX(intRxbuf,int *Idtype,unsigned int *id,int *datalen,char *data)。

通過(guò)觸摸操作,可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)人機(jī)交互[13-14]。系統(tǒng)采用ADS7483控制觸摸屏。

函數(shù)ADS7843_ Read()實(shí)現(xiàn)ADS7843的讀函數(shù),完成讀觸摸點(diǎn)值并返回num位測(cè)量結(jié)果。

Void ADS7843_Read(uint8 num)

{uint32go,I,j;

go=0; //go保存讀取數(shù)據(jù)

CS_Low();

DIN_Low(); // DIN輸出低電平

不過(guò)即使到現(xiàn)在，我們?nèi)匀粫?huì)發(fā)現(xiàn)許多款勞力士機(jī)心都是采用KIF防震器。我們?cè)谄渥悠放频鄱姹淼臋C(jī)心中也會(huì)發(fā)現(xiàn)大量采用KIF防震器的機(jī)心。

DCLK_Low();

For(i=0;i

{ go<<=1; //左移一位

DCLK_High(); //從DOUT引腳讀出數(shù)據(jù)

For(j=0;j<2;j++)

If(DOUT&IO0PIN)

go++;

DCLK_Low()

}

……

2.5 集群電源主控制器

集群電源主控制器是高壓電源控制柜的控制核心，接收GPS時(shí)間源，供數(shù)據(jù)采集時(shí)間同步；具有TCP/IP接口，通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的指令，實(shí)時(shí)向數(shù)據(jù)中心服務(wù)器傳送每路高壓輸出監(jiān)控信息；通過(guò)CAN路由器控制每路高壓?jiǎn)卧敵?、采集每路高壓?jiǎn)卧獱顟B(tài)；通過(guò)CAN總線采集AC/DC變換器狀態(tài)；實(shí)時(shí)存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)；提供用于人機(jī)交互的顯示液晶屏控制和用戶信息輸入接口。

高壓電源終端程序設(shè)計(jì)主要包括控制模塊Linux操作系統(tǒng)移植、Linux系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序編寫、DIM函數(shù)庫(kù)移植、Web應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)、主控程序開(kāi)發(fā)、FPGA程序設(shè)計(jì)；高壓控制模塊管理單元單片機(jī)程序設(shè)計(jì)、高壓控制模塊高壓?jiǎn)卧獑纹瑱C(jī)程序設(shè)計(jì)[15]。

Linux系統(tǒng)通過(guò)使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct file_operations為所有的設(shè)備文件都提供統(tǒng)一的操作函數(shù)接口，包含了open()、close()、release()、read()、write()、ioctl()等函數(shù)。Linux系統(tǒng)通過(guò)使用register_chrdev向系統(tǒng)注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)調(diào)用kmalloc()和kfree()函數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的申請(qǐng)和釋放。

Int register_chrdev(unsigned int major,const char *name,structfile_operations fops)

3 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)768路高壓電源實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障記錄、備份高壓電源自動(dòng)投切等功能；具有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能，服務(wù)器系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)能控制上萬(wàn)路的高壓電源。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的微型化、網(wǎng)絡(luò)化。系統(tǒng)采用了EMC措施，高壓電源陣列中各路電源完全隔離，具有陣列電路板接觸狀態(tài)檢測(cè)和溫度檢測(cè)功能，具有備份高壓源自動(dòng)投切功能，提高了系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性。

集群高壓電源主控器17路CAN總線接口。AC/DC變換器功率因數(shù)：>0.99，諧波電流：<5%，穩(wěn)壓精度：≤0.5%，負(fù)載電壓紋波系數(shù)：≤0.1%，并機(jī)均流度：≤±5%；高壓電源陣列電壓精度≤0.1%；紋波≤30 mV。

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Design of High Voltage Power Supply System for Distributed Particle Detector Cluster

LEIRuitinga,HUShenga，LIJunb，YUChiyea

(a. College of Electronics Engineering; b. College of Computer，Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, Guangdong, China)

A sort of design technique of high voltage power supply system for distributed particle detector cluster was presented. The overall framework of system was expounded. Design scheme of high voltage power supply control cabinet was introduced. Key techniques for many modules design were analyzed. This system was based on Nios II and ARM control, AC/DC converter, high voltage power array, CAN router, touch screen and cluster power supply controller module. Experiments showed that this system had advantages of high power factor, high precision, small ripple, good real-time, strong compatibility of the equipment and anti-interference capability.

cluster power controller; distributed; particle detector; controller area network (CAN); regulate circuit

2016-06-23

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目)(2015A020214024)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013B091500010)

雷瑞庭(1980-)，男，湖南郴州人，學(xué)士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件。

Tel.： 15920616880； E-mail：750928993@qq.com

TM 83; TP 274

A

1006-7167(2017)04-0069-04