专利名称：离子加速器高精度通用数字电源调节器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，可以适用于离子 加速器多种拓扑类型的高精度数字电源脉冲和直流运行方式。
背景技术：
离子加速器依靠二极铁、四极铁等磁铁透镜实现对束流的控制，磁铁对电 源的运行方式为脉冲和直流两种， 一般的数字电源拓扑类型固定，而且无法 满足离子加速器数字电源的高精度数据采集、高速高精度数字调节、高精度 P丽输出等要求。
发明内容
本发明的目的在于为离子加速器不同拓扑类型电源提供能够运行于脉冲
和直流两种方式的通用高精度数字电源调节器。通过32位高速DSC设计高速 高精度ADC实现对高精度离子加速器电源输出电流电压信号采集，经DSC处 理后转换为高精度PWM信号输出完成对电源输出的控制和调节。 本发明的目的通过以下技术方案实现
一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，包括32位高速DSC TMS320F2808扩展高速高高精度ADC模块、高速高精度DAC模块、非易失性 高速大容量数据存储器模块，高精度P丽调节信号输出通道，同步脉冲光纤 输入通道、通用电源故障保护信号输入通道、数字电源RS232通讯口和CAN总 线通讯口；其连接方式是32位高速DSC的SPIB和SPIC通讯口通过高速数 字隔离器件各连接一路高速高精度ADC模块，32位高速DSC的SPID通讯口 通过高速数字隔离器件连接一路高速高精度DAC模块，32位高速DSC的SPIA 通讯口和IIC通讯口连接非易失性高速大容量数据存储器S25FL064A和非易 失性小容量数据存储器AT24C04, 32位DSC TMS320F2808的SCIA和CANA通讯单元通过高速数字隔离器件连接RS232通讯设备和CAN bus通讯设备；32 位高速DSC TMS320F2808输出4路150ps高分辨率的PWM信号、2路普通分 辨率的PWM信号以及1路P丽保护关断信号；光纤输入同步脉冲运行信号至 32位DSC的脉冲捕获单元ECAP3，通用电源故障保护信号输入至32位DSC的 跳闸区域单元TZl。
上述高速高精度ADC模块核心是AD7634,第一路高速高精度ADC模块通 过TMS320F2808的SPIB通讯端口连接至数字隔离器件ADUM1402的3. 3V信号 侧，对应隔离后的5V信号功能管脚连接到高速高精度ADC AD7634的SPI通 讯接口 ； +5V电压基准源ADR435B输出基准信号送入AD7634的外部基准输入 管脚；外界输入的士10V单端电压信号送入单端转差分单元ADA4922，经 ADA4922转化为差分电压信号输出到AD7634的模拟信号输入管脚。第二路高 速高精度ADC模块与TMS320F2808的SPIC端口通讯，具体的连接方式与第--路相同。
上述高速高精度DAC模块核心是AD5542, TMS320F2808的SPID通讯端口连 接至数字隔离器件ADUM1401的3. 3V信号侧，对应隔离后的5V信号功能管脚 连接到高速高精度DAC AD5542的的SPI通讯接口； +5V电压基准源ADR435B 输出基准信号送入AD5542的外部基准输入管脚；AD5542的双极性电压输出 信号输出至精密运算放大器0PA2277，输出范围是士10V。
上述非易失性高速大容量数据存储器模块是两部分存储器的组合 一部分 是小容量数据存储器EEPROM AT24C04，可以用于存放数字电源设置参数或直 流运行状态时的少量数据，另一部分是大容量数据存储器FLASH S25FL064A， 用于存放数字电源脉冲运行时的大量波形数据；TMS320F2808的IIC通讯端 口与IIC接口的EEPROM AT24C04直接相连；TMS320F2808的SPIA通讯端口 直接连至至SPI接口的大容量FLASH S25FL064A。
上述32位高速DSC TMS320F2808输出4路150ps高分辨率的P丽信号和 2路普通分辨率的P觀信号以及1路P麵保护关断信号；7路P丽信号按功能 可分成4组P丽l禾卩P醫2 —组、P丽3禾Q P丽4 一组，P丽1 P丽4是150ps 高分辨率P丽信号；P丽5和P丽6—组，是10ns普通分辨率P丽信号；PWM7为过压或其他故障时保护功率管的P醫驱动信号。
上述PWM信号中的P観1、 P丽2—组连接方式为TMS320F2808的EP丽1A、 EP丽2A送入高速门电路74F08的A0、 Al，从74F08的00、 01输出送入高速 光藕HCPL063的两输入管脚，经隔离后从HCPL063输出P丽0UT1信号和 P丽0UT2信号；P簡3、 P丽4 一组和P画5、 P丽6 —组的连接方式与P丽l、 P丽2 一组相同；P丽7信号是数字电源故障硬件连锁保护信号送入74F08的A2、B2， 从74F08的02输出送入光藕TLP521-1的输入管脚，经隔离后从TLP521-1输 出P丽0UT7信号。
本发明的特点及产生的有益效果
1、大容量数据存储器模块采用两种不同类型非易失性存储器的组合，为 数字电源在直流和脉冲状态运行的数据存储提供了灵活的解决方案，大大减 轻了数字电源调节器主要器件DSC的运算量，并且可以有效缓解数字电源远 程控制网络的数据传输任务。
2、 本发明共有两路高速高精度ADC模块电路，第二路ADC模块电路与第 一路使用同样的ADC设计，两路高速高精度ADC模块的核心是AD7634， 一路 采集高精度电流信号，另一路采集高精度电压信号，为数字电源调节器提供 高精度反馈信号。
3、 本发明能够满足离子加速器数字电源高精度数据采集、高速高精度数 字调节、高精度PWM输出的要求，适用于离子加速器二极铁、四极铁、六极 铁等多种拓扑类型数字电源脉冲和直流两种的运行状态；开发不同的数字控 制软件可以控制不同拓扑类型的离子加速器电源，利用数字通讯灵活的组网 方式可实现对不同类型数字电源的分布式网络控制。
图l本发明的各部分整体连接框图。
图2本发明的第一路ADC模块电路原理框图。
图3本发明的DAC模块电路原理框图。
图4本发明的大容量数据存储器模块原理框图。
具体实施例方式
一种离子加速器高精度通用数字电源调节器采用4层印制板结构， TMS320F2808是核心器件，所有高精度ADC模块、DAC模块，PWM输出通道以 及数字通讯设备等均采用高速数字隔离器件或高速光藕隔离，具有良好的抗 干扰能力。
如图1所示， 一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，包括32位高 速DSC TMS320F2808扩展高速高精度ADC模块、高速高精度DAC模块、非易 失性高速大容量数据存储器模块，高精度Pmi调节信号输出通道，同步脉冲 光纤输入通道、通用电源故障保护信号输入通道、数字电源RS232通讯口和 CAN总线通讯口。 32位高速DSC的SPIB和SPIC通讯口通过高速数字隔离 器件各连接一路高速高精度ADC模块，32位高速DSC的SPID通讯口通过高 速数字隔离器件连接一路高速高精度DAC模块，32位高速DSC的SPIA通讯 口和IIC通讯口连接非易失性高速大容量数据存储器S25FL064A和非易失性 小容量数据存储器AT24C04， 32位DSC TMS320F2808的SCIA和CANA通讯单 元通过高速数字隔离器件连接RS232通讯设备和CAN bus通讯设备；32位高 速DSC TMS320F2808输出4路150ps高分辨率的P觀信号和2路普通分辨率 的P丽信号以及1路P丽保护关断信号；光纤输入同步脉冲运行信号至32位 DSC的脉冲捕获单元ECAP3，通用电源故障保护信号输入至32位DSC的跳闸 区域单元TZl。
图2是本发明的一路高速高精度ADC模块电路原理框图。TMS320F2808 的SPIB通讯端口连接至数字隔离器件ADUM1402的3. 3V信号侧，对应隔离后 的5V信号功能管脚连接到高速高精度ADC AD7634的SPI通讯接口； +5V电 压基准源ADR435B输出基准信号送入AD7634的外部基准输入管脚；外界输入 的士10V单端电压信号送入单端转差分单元ADA4922，经ADA4922转化为差分 电压信号输出到AD7634的模拟信号输入管脚。
上述高速高精度ADC模块共有两路，32位高速DSC的SPIB和SPIC通讯口通过高速数字隔离器件各连接一路高速高精度ADC模块。
图3是本发明的DAC模块电路原理框图。TMS320F2808的SPID通讯端口 连接至数字隔离器件ADUM1401的3. 3V信号侧，对应隔离后的5V信号功能管 脚连接到高速高精度DAC AD5542的的SPI通讯接口 ； +5V电压基准源ADR435B 输出基准信号送入基准信号送入AD5542的外部基准输入管脚；AD5542的双 极性电压输出信号输出至精密运算放大器OPA2277，输出范围是士10V。
图4是本发明的大容量数据存储器模块原理框图。大容量数据存储器模块 由两部分组成 一部分是小容量IIC接口EEPROM非易失性存储器，可以用于 存放数字电源设置参数或直流运行状态时的少量数据，另一部分是SPI接口 的大容量FLASH非易失性存储器，用于存放数字电源脉冲运行时的大量波形 数据。TMS320F2808的IIC通讯端口与IIC接口的EEPROM AT24C04直接相连； TMS320F2808的SPIA通讯端口直接连至至SPI接口的大容量FLASH S25FL064A。
图5是本发明的多路高精度P丽调节信号通道示意图。离子加速器高精度 通用数字电源调节器的所有P丽信号按照功能可以分成4组，其中P丽l和 P丽2 —组、P丽3和P酒4 一组，上述P丽1 PWM4是高分辨率P丽信号(150ps); P丽5和P碰6—组，只具备普通P丽分辨率(10ns); PWM7为过压或其他故障 时保护功率管的P丽驱动信号；可以用软件定义是否使用P丽1 PWM4的150ps 的高分辨率P丽功能，也可以用软件定义使能P丽1 PWM7功能管脚。因而离 子加速器高精度通用数字电源调节器可以适应任何一种功率开关管数量小于 等于4路的离子加速器高精度电源，也可以适应功率开关管数量等于6路的 大功率普通精度电源。PWM3、 P丽4禾卩P丽5、 P碰6的连接方式跟P丽l、 P丽2 这一组完全相同，以P丽1、 P丽2和PWM7为例说明。
頂S320F2808的EP丽1A、EPWM2A送入高速门电路74F08的A0、A1，从74F08 的00、 01输出送入高速光藕HCPL063的两输入管脚，经隔离后从HCPL063输 出P丽0UT1信号和P丽0UT2信号；数字电源故障硬件连锁保护信号P—P丽送 入74F08的B0、 Bl在故障条件时硬件封锁P碰脉冲。TMS320F2808的 GPI011(P丽7)送入高速门电路74F08的A2、 B2，从74F08的02输出送入光藕TLP521-1的输入管脚，经隔离后从TLP521-1输出P丽0UT7信号。
离子加速器高精度通用数字电源调节器通过RS232通讯设备或CAN bus 通讯设备从远程控制计算机获取数字给定量和运行指令，将其存储在非易失 性数据存储器并执行命令；设备运行时，TMS320F2808从连接的高速高精度 ADC模块获取电源高精度反馈数据并运算，输出的高精度PWM调节信号通过 P丽1 P丽4高分辨率P丽信号或PWM1 PWM6 P丽信号输出管脚送到电源的 功率开关管生成调节结果；P丽7信号在过压或其他故障时封锁所有P画l PWM6信号以保护功率开关管；电源的实时运行结果也可以通过高精度DAC模 块输出便于模拟信号的测量和监视。
权利要求
1、一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，包括32位高速DSCTMS320F2808扩展高速高精度ADC模块、高速高精度DAC模块、非易失性高速大容量数据存储器模块，高精度PWM调节信号输出通道，同步脉冲光纤输入通道、通用电源故障保护信号输入通道、数字电源RS232通讯口和CAN总线通讯口；其连接方式是32位高速DSC的SPIB和SPIC通讯口通过高速数字隔离器件各连接一路高速高精度ADC模块，32位高速DSC的SPID通讯口通过高速数字隔离器件连接一路高速高精度DAC模块，32位高速DSC的SPIA通讯口和IIC通讯口连接非易失性高速大容量数据存储器S25FL064A和非易失性小容量数据存储器AT24C04，32位高速DSC的SCIA和CANA通讯单元通过高速数字隔离器件连接RS232通讯设备和CAN bus通讯设备；32位高速DSC输出4路150ps高分辨率的PWM信号、2路普通分辨率的PWM信号以及1路PWM保护关断信号；光纤输入同步脉冲运行信号至32位高速DSC的脉冲捕获单元ECAP3，通用电源故障保护信号输入至32位DSC的跳闸区域单元TZ1。
2、 如权利要求l所述的一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，其 特征是上述高速高精度ADC模块核心是AD7634,通过TMS320F2808的SPIB 通讯端口连接至数字隔离器件ADUM1402的3. 3V信号侧，对应隔离后的5V信 号功能管脚连接到高速高精度ADC AD7634的SPI通讯接口 ； +5V电压基准源 ADR435B输出基准信号送入AD7634的外部基准输入管脚；外界输入的士IOV 单端电压信号送入单端转差分单元ADA4922，经ADA4922转化为差分电压信 号输出到AD7634的模拟信号输入管脚。
3、 如权利要求l所述的一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，其 特征是上述高速高精度DAC模块核心是AD5542, TMS320F2808的SPID通讯端 口连接至数字隔离器件ADUM1401的3. 3V信号侧，对应隔离后的5V信号功能 管脚连接到高速高精度DAC AD5542的的SPI通讯接口 ； +5V电压基准源 ADR435B输出基准信号送入AD5542的外部基准输入管脚；AD5542的双极性电 压输出信号输出至精密运算放大器0PA2277，输出范围是士10V。
4、如权利要求1所述的一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，其特征是上述非易失性高速大容量数据存储器模块是两部分存储器的组合:-一部分是小容量数据存储器EEPROM AT24C04，可以用于存放数字电源设置参数 或直流运行状态时的少量数据，另一部分是大容量数据存储器FLASH S25FL064A，用于存放数字电源脉冲运行时的大量波形数据；TMS320F2808的 IIC通讯端口与IIC接口的EEPROM AT24C04直接相连；TMS320F2808的SPIA 通讯端口直接连至至SPI接口的大容量FLASH S25FL064A。
5、 如权利要求1所述的一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，其 特征是上述32位高速DSC TMS320F2808输出4路150ps高分辨率的P丽信号 和2路普通分辨率的P画信号以及1路P丽保护关断信号；7路P丽信号按 功能可分成4组P丽l和P丽2 —组、P丽3和P丽4 一组，P丽1 P丽4是150ps 高分辨率P丽信号；P丽5和P丽6 —组，为10ns普通P丽分辨率；P丽7为过 压或其他故障时保护功率管的P雨驱动信号。
6、 如权利要求1或5所述的一种离子加速器高精度通用数字电源调节器， 其特征是上述P丽信号中的PWM1、 P丽2这一组连接方式为TMS320F2808的 EP丽1A、 EP丽2A送入高速门电路74F08的A0、 Al，从74F08的00、 01输出 送入高速光藕HCPL063的两输入管脚，经隔离后从HCPL063输出P寵0UT1信 号和PWM0UT2信号；PWM3、 PWM4 —组和P丽5、 P丽6 —组的连接方式与PWM1、 P丽2 —组相同；PWM7信号是数字电源故障硬件连锁保护信号送入74F08的 A2、 B2，从74F08的02输出送入光藕TLP521-1的输入管脚，经隔离后从 TLP521-1输出P丽0UT7信号。
全文摘要
本发明涉及一种离子加速器高精度通用数字电源调节器。它包括32位高速高PWM分辨率的DSC，高速高精度ADC，高速高精度DAC，4路150ps高精度PWM输出通道或7路普通PWM输出通道，1路同步脉冲光纤输入通道，1路通用电源故障保护信号输入通道，非易失性高速大容量脉冲/直流运行数据存储器，数字电源串行通讯口和CAN总线通讯口。本发明满足离子加速器数字电源高精度数据采集、高速高精度数字调节、高精度PWM输出的要求，适用于离子加速器二极铁、四极铁、六极铁等多种拓扑类型数字电源脉冲和直流两种的运行状态；开发不同的数字控制软件可以控制不同拓扑类型的离子加速器电源，利用数字通讯灵活的组网方式可实现对不同类型数字电源的分布式网络控制。
文档编号H02M3/157GK101581920SQ200910117318
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月6日 优先权日2009年6月6日
发明者原有进, 周忠祖, 夏佳文, 王进军, 闫怀海, 陈又新, 高大庆 申请人:中国科学院近代物理研究所