加速器用无人值守数字示波器设计.pdfVIP

第25卷第8期 强 激 光 与 粒 子 束 V01．25，No．8 2013年8月 HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS Aug．，2013 文章编号： 1001—4322(2013)08—2080—05 加速器用无人值守数字示波器设计+ 陈 栋1， 杜洁茹2， 周银贵1， 李 格2 (1．中国科学技术大学国家同步辐射实验室，合肥230029；2．中国科学院等离子体物理研究所，合肥230031) 摘要：为监测离子源加速器故障短路电流和电压波形，给出了一种无人值守数字示波器的方案，其硬 件上基于FPGA和单片机，软件上基于LABVIEW。相比于使用泰克示波器的传统方法，该方案有性价比高、 轻便、抗强电磁干扰、基于PC远距离监控故障、自动存储故障波形等优点，能良好地模拟数字示波器波形，达 到无人值守的效果。 关键词： 离子源加速器； 故障检测； 数字示波器； FPGA；LABVIEW 中图分类号：TP277 文献标志码： A doi：10．3788／HPLP2080 ITER等离子体加热需约120MW(1 h)长脉冲负离子源加速器，而在约1h脉冲时间内，1MV高电压下， 故障短路时常发生。为发展该加速器故障保护技术，需自动测量并存储故障短路电流和电压波形n]，记录时间 长度1～200 2024B，带宽200MHz，实时采样率2．0 Fs。通常使用的是泰克(Tektronix)示波器，型号TPS ITER1 MV下故障短路，工作环境恶劣，电磁干扰强，示波器多次打坏，不能长期稳定安全工作；三是需要人在 现场全天候值守，效率低。因此，自行设计了一种无人值守数字示波器，以替代泰克示波器在该场合的应用；其 监控故障和自动存储故障波形等特点，已在中科院等离子体物理研究所使用。该示波器实时检测高压电路故 障短路下的电流和电压波形，测试故障短路电压已达到50kV。 l 系统硬件设计 系统硬件部分包括电路控制板和PC机，电路控制板由电源模块、信号采集模块、FPGA数字信号处理模 如图1所示。电路控制板装入屏蔽铝盒，放置在现场，位于电流传感器、电压传感器的旁边，PC机则放置在控 制室。 hardwareblock Fig．1System diagram 图1系统硬件框图 *收稿日期：2013-02—26；修订日期：2013-04—02 基金项目：国家973计划项目；国家磁约束聚变课题(2010GBl08003) 作者简介：陈栋(1989一)，女，硕士研究生，从事嵌人式系统设计研究；chenanne@mail．ustc．edu．cn。 通信作者：周银贵(1965一)，男，高级工程师，从事加速器控制、自由电子激光同步与控制研究；zy8．@ustc．edu．cn。 万方数据 第8期 陈 栋等：加速器用无人值守数字示波器设计 因现场的电磁干扰强，在设计中采取了以下措施来提高系统的安全性和可靠性：一是尽可能将电路控制板 设计小巧以减少天线效应，其体积相对于泰克示波器大为减小；二是电路控制板布局时将信号输入端器件与信 号处理器件远离；三是将电路控制板装入屏蔽铝盒。 1．1电源模块 根据电路板各个模块的不同供电要求来设计电源，外接电源为12V，加入自恢复保险丝，产生数字电源 5．0，3．3，一5．0，1．2 V，模拟电源2．5V。FPGA供电电源为3．3，2．5，1．2V，单片机、光纤模块的供电电源为 3．3V，模数转换器ADS830的数字电源为3．3V，模拟电源为5V。根据现场输入信号的实际情况，运算放大 器OPA2677需正负双电源供电，电压为±5V。 1．2信号采集模块 信号采集模块由电压传感器、电流传感器、运放模块和模数转换模块组成，其结构框图如图2所示。