离子加速器高精度通用软核数字电源调节器.pdf

本发明涉及一种离子加速器高精度通用软核数字电源调节器。一种离子加速器高精度通用软核数字电源调节器包括：高速大容量FPGA，高精度软核数字电源处理器，高速高精度ADC，高速高精度DAC，8路5ns高精度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FLASH存储器，大容量SRAM和DDR SDRAM，数字电源串行通讯口和CAN总线通讯口。本发明的优点是：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IP核的数字电源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。

1、  一种离子加速器高精度通用软核数字电源调节器，其特征在于：用大容量FPGA EP2C35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、大容量SRAM和DDR SDRAM，输出高精度PWM调节信号通道，提供同步脉冲光纤输入通道、通用电源故障保护信号输入通道、数字电源串行通讯口和CAN总线通讯口；其连接方式是：大容量FPFA通过高速数字隔离器件扩展两路高速高精度ADC模块、一路高速8通道ADC模块、两路高速高精度DAC模块，通过高速数字隔离器件扩展RS232通讯设备和CAN bus通讯设备，扩展非易失性高速大容量数据存储器和大容量SRAM、DDR SDRAM，基于软核的通用高精度数字电源调节器输出8路具有5ns高分辨率的PWM信号，输入一路通用电源故障保护信号和一路光纤同步脉冲运行信号。

2、  如权利要求1所述的一种离子加速器高精度通用软核数字电源调节器，其特征在于：上述大容量FPGA为EP2C35，所述高精度软核数字电源处理器是Verilog HDL语言描述的离子加速器通用数字电源IP核。

3、  如权利1所述的一种离子加速器高精度通用软核数字电源调节器，其特征在于：上述第一路高速高精度ADC模块通过EP2C35的一组IO管脚连接至数字隔离器件ADUM1402，隔离后连接到高速高精度ADC AD7634的SPI通讯接口；+5V电压基准源ADR435B输出基准信号送入AD7634的外部参考输入管脚；外界输入的±10V单端电压信号经ADA4922构成的单端转差分电路转化为差分电压信号输出到AD7634的模拟信号输入管脚。共有两路高速高精度ADC模块电路，第二路高速高精度ADC模块电路与第一路使用同样的ADC设计，仅仅是数字接口通讯使用FPGA不同的IO接口。两路高速高精度ADC模块的核心是AD7634。

4、  如权利1所述的一种离子加速器高精度通用软核数字电源调节器，其特征在于：上述第一路高速高精度DAC模块通过EP2C35的一组IO管脚连接至数字隔离器件ADUM1401，隔离后连接到高速高精度DAC AD5542的SPI通讯接口；+5V电压基准源ADR435B输出基准信号送入AD5542的外部参考输入管脚；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±10V。共有两路高速高精度DAC模块电路，第二路DAC模块电路与第一路使用同样的DAC设计，仅仅是数字接口通讯使用FPGA不同的IO接口。两路高速高精度DAC模块的核心是AD5542，可以同步输出高精度模拟信号。

5、  如权利1所述的一种离子加速器高精度通用软核数字电源调节器，其特征在于：上述输出高精度PWM调节信号可以用软件定义各个管脚是否使用PWM功能，其中PWM1、PWM2一组、PWM3、PWM4一组、PWM5、PWM6一组、PWM7、PWM8一组。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8路的离子加速器高精度电源。PWM3、PWM4，PWM5、PWM6和PWM7、PWM8的连接方式跟PWM1、PWM2这一组完全相同，以PWM1、PWM2为例说明。EP2C35一组IO中PWM1、PWM2管脚送入驱动器PI5C3384的3.3V信号侧，经PI5C3384驱动为5V信号输出送入高速门电路74F08的A0、A1，从74F08的O0、O1输出送入高速光藕HCPL0630输入管脚，经隔离后从HCPL063输出OUT_HS1信号和OUT_HS2信号；数字电源故障硬件连锁保护信号PWM_EN送入74F08的B0、B1在故障条件时硬件封锁PWM脉冲。

离子加速器高精度通用软核数字电源调节器
技术领域
本发明涉及一种离子加速器高精度通用软核数字电源调节器。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PWM输出等要求。
发明内容
鉴于上述，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软核数字电源调节器。通过大容量FPGA外扩高速高精度ADC实现对高精度离子加速器电源输出电流电压信号采集，经高精度软核数字电源处理器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来实现：
一种离子加速器高精度通用软核数字电源调节器，含大容量FPGA EP2C35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、大容量SRAM和DDR SDRAM，输出高精度PWM调节信号通道，提供同步脉冲光纤输入通道、通用电源故障保护信号输入通道、数字电源串行通讯口和CAN总线通讯口；大容量FPGA EP2C35通过高速数字隔离器件连接两个高速高分辨率ADC模块、一个高速8通道ADC模块、两个高速高精度DAC模块，通过高速数字隔离器件连接RS232通讯设备和CAN bus通讯设备，连接非易失性高速大容量数据存储器和大容量SRAM、DDR SDRAM，基于软核的通用高精度数字电源调节器输出8路具有5ns高分辨率的PWM信号，输入一路通用电源故障保护信号和一路光纤同步脉冲运行信号。
上述的大容量FPGA为EP2C35，高精度软核数字电源处理器为VerilogHDL语言描述的离子加速器通用数字电源IP核。
上述的第一路高速高精度ADC模块通过FPGA EP2C35的一组IO管脚连接至数字隔离器件ADUM1402，隔离后连接到高速高精度ADC AD7634的SPI通讯接口(FPGA内的SPI通讯IP核控制该组IO工作时序)；+5V电压基准源ADR435B输出基准信号送入AD7634的外部参考输入管脚；外界输入的±10V单端电压信号经ADA4922构成的单端转差分电路转化为差分电压信号输出到AD7634的模拟信号输入管脚。
本发明共有两路高速高精度ADC模块电路，第二路高速高精度ADC模块电路与第一路使用同样的ADC设计，仅仅是数字接口通讯使用FPGA不同的IO接口。两路高速高精度ADC模块的核心是AD7634，一路采集高精度电流，另一路采集高精度电压为数字电源调节器提供高精度反馈信号。
上述的第一路高速高精度DAC模块通过EP2C35的一组IO管脚连接至数字隔离器件ADUM1401，隔离后连接到高速高精度DAC AD5542的SPI通讯接口(FPGA内的SPI通讯IP核控制该组IO工作时序)；+5V电压基准源ADR435B输出基准信号送入AD5542的外部参考输入管脚；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±10V。
本发明共有两路高速高精度DAC模块电路，第二路DAC模块电路与第一路使用同样的DAC设计，仅仅是数字接口通讯使用FPGA不同的IO接口。两路高速高精度DAC模块的核心是AD5542，可以同步输出高精度模拟信号。
上述的输出8路高精度PWM调节信号可以用软件定义各个管脚是否使用PWM功能，其中PWM1、PWM2一组、PWM3、PWM4一组、PWM5、PWM6一组、PWM7、PWM8一组。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8路的离子加速器高精度电源。
PWM3、PWM4，PWM5、PWM6和PWM7、PWM8的连接方式跟PWM1、PWM2这一组完全相同，以PWM1、PWM2为例说明。EP2C35一组IO中PWM1、PWM2管脚送入驱动器PI5C3384的3.3V信号侧，经PI5C3384驱动为5V信号输出送入高速门电路74F08的A0、A1，从74F08的O0、O1输出送入高速光藕HCPL0630输入管脚，经隔离后从HCPL063输出OUT_HS1信号和OUT_HS2信号；数字电源故障硬件连锁保护信号PWM_EN送入74F08的B0、B1在故障条件时硬件封锁PWM脉冲。
本发明的优点是：
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，应用于普通离子加速器和专用离子治癌加速器，或其它类似用途；开发不同IP核的数字电源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。
附图说明
图1本发明的各部分整体连接框图。
图2本发明的第一路高速高精度ADC模块电路原理框图。
图3本发明的第一路高速高精度DAC模块电路原理框图。
图4本发明的多路高精度PWM调节信号通道示意图。
具体实施方式
一种离子加速器高精度通用软核数字电源调节器采用8层印制板结构，EP2C35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。
图1是本发明的各部分整体连接框图。大容量FPGA EP2C35通过高速数字隔离器件连接两个高速高分辨率ADC模块、一个高速8通道ADC模块、两个高速高精度DAC模块，通过高速数字隔离器件连接RS232通讯设备和CANbus通讯设备，连接非易失性高速大容量数据存储器和大容量SRAM、DDRSDRAM，基于软核的通用高精度数字电源调节器输出8路具有5ns高分辨率的PWM信号，输入一路通用电源故障保护信号和一路光纤同步脉冲运行信号。
图2是本发明的第一路高速高精度ADC模块电路原理框图。EP2C35的一组IO管脚连接至数字隔离器件ADUM1402，隔离后连接到高速高精度ADCAD7634的SPI通讯接口(FPGA内的SPI通讯IP核控制该组IO工作时序)；+5V电压基准源ADR435B输出基准信号送入AD7634的外部参考输入管脚；外界输入的±10V单端电压信号经ADA4922构成的单端转差分电路转化为差分电压信号输出到AD7634的模拟信号输入管脚。
图3是本发明的第一路高速高精度DAC模块电路原理框图。EP2C35的一组IO管脚连接至数字隔离器件ADUM1401，隔离后连接到高速高精度DACAD5542的SPI通讯接口(FPGA内的SPI通讯IP核控制该组IO工作时序)；+5V电压基准源ADR435B输出基准信号送入AD5542的外部参考输入管脚；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±10V。
见图4是本发明的多路高精度PWM调节信号通道示意图。离子加速器高精度通用软核数字电源调节器所述输出8路高精度PWM调节信号可以用软件定义各个管脚是否使用PWM功能，其中PWM1、PWM2一组、PWM3、PWM4一组、PWM5、PWM6一组、PWM7、PWM8一组。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8路的离子加速器高精度电源。
PWM3、PWM4，PWM5、PWM6和PWM7、PWM8的连接方式跟PWM1、PWM2这一组完全相同，以PWM1、PWM2为例说明。EP2C35一组IO中PWM1、PWM2管脚送入驱动器PI5C3384的3.3V信号侧，经PI5C3384驱动为5V信号输出送入高速门电路74F08的A0、A1，从74F08的O0、O1输出送入高速光藕HCPL0630输入管脚，经隔离后从HCPL063输出OUT_HS1信号和OUT_HS2信号；数字电源故障硬件连锁保护信号PWM_EN送入74F08的B0、B1在故障条件时硬件封锁PWM脉冲。