专利名称：一种中性束注入器控制系统微弱信号检测与变送模块的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及聚变实验检测技术、数字信号处理技术，尤其涉及一种中性束注入器控制系统微弱信号检测与变送模块。
背景技术：
在信息技术日益发达的今天，数据的获取和处理方法日趋多样化和智能化。在大型的自动化控制中，大量应用的分布式监控和集散式控制系统把大量的底层信息数据处理和传送至远程监控终端，为运行或管理人员提供决策。控制系统的传感器集群将系统的状态转换成所需的信号，由检测和变送系统将信息数据传输给数据处理控制器。一些具有初步数据处理功能的嵌入式芯片的应用，使得数据获取系统具有智能检测和变送功能，可以适应不同的系统控制要求。在一些控制系统中，尤其是聚变领域的一些控制系统中，如聚变装置、粒子加速器、中性束注入器等控制系统中，系统工作在高电压、强电磁环境下，控制系统所要监控的一些信号非常微弱，极易受到外界的干扰。在这种复杂电磁环境下，现有的检测和变送技术与设备均不能很好的在微弱信号检测、十万伏特及以上等级的高电压隔离、智能调节、快速传输等方面同时满足控制系统要求的情况下获得良好的系统应用。目前，有的变送设备具有良好的微弱信号检测和高电压隔离特性，但信号的获取速率和精度受到限制；有的具有很高的数据采集和传输速率，但不能够隔离高电压和屏蔽电磁干扰。这些情况在某些方面限制了聚变领域控制系统的在高电压隔离、实时性应用的进一步发展。
发明内容
鉴于上述微弱信号检测和变送技术存在的问题，本发明专利的目的是提供一种智能调节、高速传输和高电压隔离的微弱信号检测变送模块。通过应用FPGA和光电耦合技术，该模块可以根据总线的命令智能调节微弱信号检测和变送过程，实现微弱信号的高速传输和闻电压隔尚。本发明的技术方案如下:一种中性束注入器控制系统微弱信号检测与变送模块，包括有FPGA控制模块、光发电模块，所述的FPGA控制模块控制连接有微弱信号处理模块、模拟信号采集模块、总线通信模块，微弱信号处理模块信号输出端接入模拟信号采集模块信号输入端，FPGA控制模块通过总线通讯模块与系统总线通讯连接；所述微弱信号处理模块包括有依次连接的限幅保护电路、前置放大电路、滤波电路、可调增益放大电路；所述的微弱信号处理模块将中性束注入器控制系统所监控到的微弱电压和电流信号放大和滤波形成差分标准模拟信号输出给模拟信号采集模块，同时提供模拟信号采集模块的参考信号；所述的模拟信号采集模块包括有AD变换芯片电路、数字信号电平变换电路、参考电压电路；AD变换芯片电路根据参考电压电路输出的参考电压设置的信号范围把微弱信号处理模块可调增益放大电路输出的差分标准模拟信号转换为数字信号，再由数字信号电平转换电路将该数字信号转换至FPGA芯片的数字信号电平范围内，再传输至FPGA控制模块；所述的参考电压电路输出的参考电压是根据微弱信号处理模块输出的参考信号选择并输出所需了的参考电压；所述的微弱信号处理模块还包括有数字调零电路，数字调零电路控制连接前置放大电路以及可调增益放大电路，实现对初级放大电路和可调增益放大电路的偏置调节；
所述的FPGA控制模块将模拟信号采集模块的数字信号电平变换电路输出的数字信号同时传送至光发送模块与总线通讯模块，信号通过光发送模块被转换为光信号发送至外部系统；所述的总线通讯模块包括有总线控制器和数据缓冲器，所述的总线控制器接受FPGA控制模块的数据，并将数据存储到数据缓冲器，根据控制命令将数据发送至系统总线；同时总线控制器还可以接收系统总线的数据并存储到数据缓冲器中，通过中断信号通知FPGA控制模块存取数据缓冲器中的数据。FPGA控制模块是微弱信号检测及变送模块的智能控制中心，主要由FPGA芯片、配置电路、FLASH和SRAM等组成。编写的VHDL代码编译后存储在FPGA配置芯片中，智能实时控制程序存储在FLASH芯片上。系统启动时将硬件配置代码和设计好的智能控制IP模块装载到FPGA中，等智能控制IP内核工作后将存储在FLASH的实时控制程序装载进内核申请的存储器中，控制过程的控制命令、状态数据、运算结果等数据存储在SRAM上。实时控制程序完成对模块的资源管理、数据采集、光信号发送、总线数据通讯等功能。所述的光发送模块可以实现IMHz到80MHz的光信号的频率调制，以满足不同数据传输速率的应用。微弱信号处理模块的实现主要由运放芯片0PA608和二极管SMBJ5.0A组成，实现限幅保护、前置可调放大、滤波、可调增益放大和数字调零功能。多片0PA608芯片组成巴特沃斯有源滤波器滤除信号的噪声，模拟信号处理电路完成微弱信号放大、电路调零、信号补偿功能，同时为模拟转换芯片的参考电压信号。模拟信号通道选择电路主要由芯片⑶4051BCM实现，以实现模拟信号输入到模数转换通道的选择。由光电隔离芯片ILQ55实现FPGA控制模块信号到模拟通道选择芯片的电气隔离，SS8050实现FPGA控制模块的控制信号的驱动放大，以满足隔离芯片的电流驱动要求。模拟信号采集模块主要由12位模数转换芯片ADS5520以及晶振和外围驱动电路实现。模数转换芯片将选择的模拟通道信号经过模数转换成12位的数字信号传输给FPGA控制模块，晶振电路工作在50MHz，模数转换的数据传输速率根据FPGA控制模块的控制信号进行。转换芯片的工作模式和工作流程由FPGA控制模块进行控制。FPGA控制模块主要由芯片EP3C25Q240C8N及其外围电路实现。外围电路主要包括50MHz时钟驱动电路、复位电路、配置电路和电源供电电路组成。复位电路采用MP812T实现，同时可以实现对FPGA控制模块的远程复位。配置电路主要由配置芯片EPCSl实现。FPGA芯片的供电电源主要包括核心模块电源1.2V、接口电源3.3V、PLL模块电源2.5V。FPGA控制模块实时控制程序存储在FLASH芯片AT45DB161D-SU中，系统启动后由嵌入式操作系统进行加载。FPGA控制模块的软件包括两个部分:VHDL程序和实时监控程序。VHDL程序主要由用户逻辑程序和IP内核程序组成，实现对数据采集的控制、数据传输的控制等工作。实时监控程序运行在ARM内核中，主要完成采集数据的压缩、传输、控制接口的扫描和系统控制的调度和执行，实现对模拟信号采集芯片的控制，以及与总线控制器的通讯。FPGA控制模块运行实时控制程序，实现对模拟信号采集模块的数据采集控制，光发送模块发送的光信号的调制，接收与执行总线通讯模块传输的控制命令和数据处理命令，实现模块的智能化控制。光发送模块主要由芯片74ACT11000D和HFBR-1414实现。通过对光驱动电路的配置可以实现100米到2.5千米光传输的要求及光发射强度的调节优化，从而获得更加可靠的驱动能力，以及更长的光器件运行寿命。光发送模块可以实现IMHz到80MHz的光信号的调制发送，从而满足注入器系统微弱信号检测及变送模块的数据传输要求和不同时间响应的要求。总线通讯模块由数据缓冲器芯片IS61LV51216AL和总线控制器芯片SN74ALVC164245组成。通过对总线控制器芯片的不同配置可以实现FPGA控制模块与总线控制器的不同数据传输要求，以满足数据大小、数据通讯速率和数据传输方向的要求。数据缓冲器芯片可以将总线控制器传输的数据或者FPGA传输的数据缓存，以便满足不同应用的通讯速率的要求。以上所述的注入器系统微弱信号检测及变送模块，仅为发明专利较佳的具体实施方式
与具有代表性的具体实施方式
，同时所述的中性束注入器控制系统的系统微弱信号检测及变送模块的结构也仅是有代表性的结构；但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明专利的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本发明的有益效果是:
本发明专利设计了一种智能调节、高速传输和高电压隔离的中性束注入器控制系统的系统微弱信号检测变送模块。通过应用FPGA和光电耦合技术，该模块可以根据总线的命令智能调节微弱信号检测和变送过程，实现微弱信号的高速传输和高电压隔离。可广泛用于聚变行业等具有高压隔离和微弱信号探测的领域。
图1中性束注入器控制系统微弱信号检测及变送模块电路原理框图。图2微弱信号处理模块电路原理框图。图3模拟信号采集模块电路原理框图。图4 FPGA控制模块、总线通讯模块和光发送模块电路原理框图。
具体实施例方式如图1所示，中性束注入器控制系统微弱信号检测与变送模块由微弱信号处理模块1、模拟信号采集模块2、FPGA控制模块3、光发送模块4和总线通讯模块5组成。FPGA控制模块3控制连接有微弱信号处理模块1、模拟信号采集模块2、总线通信模块5，微弱信号处理模块I信号输出端接入模拟信号采集模块2信号输入端，FPGA控制模块3通过总线通讯模块5与系统总线通讯连接；
如图2所示，微弱信号处理模块由限幅保护电路、前置可调放大电路、滤波电路、可调增益放大电路和数字调零电路实现。通过选择合适的TVS系列保护二极管实现对输入电压的控制，从而保证系统的安全。高精度高速运放器用于实现输入信号的初级放大，放大倍数可通过FPGA控制选择。通过设计巴特沃斯有源滤波器将初步放大信号噪声滤去。可调增益放大电路实现将初步放大和滤波后的信号放大和形成差分标准信号输出给模拟信号采集模块2。数字调零电路实现对初级放大电路和可调增益放大电路的偏置调节，以实现系统的调零校准功能，输出模拟信号参考信号。 如图3所示，模拟信号采集模块主要由A/D芯片电路、参考电压电路和数字信号电平转换电路组成，A/D芯片芯片电路根据参考电压设置的信号范围把差分模拟信号转换为数字信号，由数字信号电平转换电路转换为FPGA芯片的数字信号电平范围。根据微弱信号处理模块I输出的参考信号参考电压电路由数字信号选择并输出所需的参考电压。如图4所示，FPGA控制模块3是微弱信号检测及变送模块的智能控制中心，主要由配置电路、FPGA配置芯片、FLASH和SRAM等组成。编写的VHDL代码编译后存储在FPGA配置芯片中，智能实时控制程序存储在FLASH上。系统启动时将硬件配置代码和设计好的智能控制IP模块装载到FPGA配置芯片中，等智能控制IP内核工作后将存储在FLASH的实时控制程序装载进内核申请的存储器中，控制过程的控制命令、状态数据、运算结果等数据存储在SRAM上。实时控制程序完成对模块的资源管理、数据采集、光信号发送、总线数据通讯等功能。光发送模块可以实现IMHz到80MHz的光信号的频率调制，以满足不同数据传输速率的应用。
权利要求
1.一种中性束注入器控制系统微弱信号检测与变送模块，其特征在于:包括有FPGA控制模块、光发送模块，所述的FPGA控制模块控制连接有微弱信号处理模块、模拟信号采集模块、总线通信模块，微弱信号处理模块信号输出端接入模拟信号采集模块信号输入端，FPGA控制模块通过总线通讯模块与系统总线通讯连接；中性束注入器控制系统所监控到的系统微弱电压和电流信号经过微弱信号处理模块依次连接的限幅保护电路、前置放大电路、滤波电路、可调增益放大电路形成差分标准模拟信号输出给模拟信号采集模块；所述的模拟信号采集模块包括有AD变换芯片电路、数字信号电平变换电路、参考电压电路；微弱信号处理模块还包括有数字调零电路，数字调零电路控制连接前置放大电路以及可调增益放大电路，实现对初级放大电路和可调增益放大电路的偏置调节；所述的AD变换芯片电路根据参考电压电路输出的参考电压设置的信号范围把微弱信号处理模块可调增益放大电路输出的差分标准模拟信号转换为数字信号，再由数字信号电平转换电路将该数字信号转换至FPGA芯片的数字信号电平范围内，再传输至FPGA控制模块； 所述的FPGA控制模块将模拟信号采集模块的数字信号电平变换电路输出的数字信号同时传送至光发送模块与总线通讯模块，信号通过光发送模块被转换为光信号发送至外部系统；所述的总线通讯模块包括有总线控制器和数据缓冲器，所述的总线控制器接受FPGA控制模块的数据，并将数据存储到数据缓冲器，根据控制命令将数据发送至系统总线；同时总线控制器还可以接收系统总线的数据并存储到数据缓冲器中，通过中断信号通知FPGA控制模块存取数据缓冲器中的数据。
2.根据权利要求1所述的一种中性束注入器控制系统微弱信号检测与变送模块，其特征在于:所述的微弱信号处理模块主要由运放芯片0PA608和二极管SMBJ5.0A组成，所述的模拟信号采集模块主要由12位模数转换芯片ADS5520以及晶振和外围驱动电路组成，所述的FPGA控制模块主要由FPGA芯片、配置电路、芯片EP3C25Q240C8N、FLASH和SRAM组成，所述的光发送模块主要由芯片74ACT11000D和HFBR-1414组成，所述的总线通讯模块由数据缓冲器芯片IS61LV51216AL和总线驱动器芯片SN74ALVC164245组成。
3.根据权利要求1所述的一种中性束注入器控制系统微弱信号检测与变送模块，其特征在于:所述的光发送模块可以实现IMHz到80MHz的光信号的频率调制。
全文摘要
本发明公开了一种中性束注入器控制系统微弱信号检测与变送模块，包括有FPGA控制模块、光发电模块，所述的FPGA控制模块控制连接有微弱信号处理模块、模拟信号采集模块、总线通信模块，所述的微弱信号处理模块信号输出端接入模拟信号采集模块信号输入端，FPGA控制模块通过总线通讯模块与系统总线通讯连接；该模块可以根据总线的命令智能调节微弱信号检测和变送过程，实现微弱信号的高速传输和高电压隔离。
文档编号G05B19/418GK103197626SQ20131007332
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月7日 优先权日2013年3月7日
发明者盛鹏, 胡纯栋, 宋士花, 许永建, 谢远来, 李军, 崔庆龙 申请人:中国科学院等离子体物理研究所