CPLD在高頻發射機控制系統中的應用

文良華，張桐，王賢武

(1.宜賓學院物理與電子工程學院，四川宜賓644007；2.中國科學院近代物理研究所，甘肅蘭州730000)

CPLD在高頻發射機控制系統中的應用

文良華1,2，張桐1，王賢武2

(1.宜賓學院物理與電子工程學院，四川宜賓644007；2.中國科學院近代物理研究所，甘肅蘭州730000)

介紹一種基于CPLD的同步加速器高頻發射機本地控制系統.高頻發射機工作頻率為0.5MHz至4.2MHz，工作模式為變諧波同步觸發；本地控制系統采用了ALTERA公司的新一代內嵌FLASH存儲器的MAXII系列CPLD芯片，結合抗干擾硬件設計，實現了發射機的自動開關機流程和連鎖保護.該系統可靠地保護了發射機TH571B大功率電子管的正常工作，具有功耗低、穩定可靠的特點，并在加速器高頻系統運行中取得了良好的效果.

高頻系統；發射機；本地控制；連鎖保護；CPLD

在同步環型加速器中，高頻系統的運行嚴格按照加速器觸發模式工作.高頻發射機的工作頻率、電壓幅值和相位都需按照加速文件提供的波形進行加載和運行.當加速變諧波調諧文件中的頻率變化較大時，由于發射機頻率調諧機構的滯后性，大功率電子管TH571B會出現較大的陽極電流[1].因此穩定可靠的發射機控制系統，對保護大功率電子管安全穩定工作至關重要.本文介紹一種基于復雜可編程器件(CPLD)的發射機控制系統.

1 發射機結構

發射機主要由大功率電子管TH571B構成，包括電源、高頻功放、控制、冷卻和頻率調諧系統，如圖1所示.高頻功放采用高頻1 000W前級寬頻帶放大器、級聯大功率電子管TH571B構成的共柵極推挽放大結構[2-3].發射機的輸出負載為加速器高頻腔體，其高頻功放主鏈路如圖2所示.

圖1 高頻發射機主要結構Fig.1 The schematic diagram ofRF transmitter

TH571B是四電極真空陶瓷大功率電子管，其工作時，磁懸浮各電極電壓電流參數、靜態工作點、高頻放大形式都有嚴格的工程要求.該發射機的峰值功率達70 kW，高頻放大鏈路中有大量的熱產生，所以系統采取了水冷和風冷相結合的冷卻系統.為完成該發射機的多個系統協調工作，保證TH571B安全與穩定，設計了一種基于CPLD的高頻發射機本地控制系統.系統的功能主要分為連鎖保護和工作流程控制兩部分：連鎖保護主要實現發射機某些參數溢出時，關斷高頻放大鏈路和TH571B的相應電源；流程控制主要實現發射機自動開關機的順序控制.

圖2 高頻功放結構Fig.2 The power link ofRF transmitter

2 硬件設計

由于加速器高頻發射機工作在強磁場、高壓交直流的復雜電磁環境中[4-5].長期穩定可靠工作是控制系統設計的首要問題.除采取常規電磁屏蔽，I/O接口的光電隔離技術外；系統還采用了ALTERA公司內嵌FLASH存儲器MAXII新型EPM570CPLD為控制器，減少了一般可編程器件上電時需從外部存儲器加載程序，增加不穩定的風險.此外結合帶有施密特觸發器的邏輯器件實現邏輯信號的整形，最大限度提高系統抗干擾能力.

EPM570是基于0.18μm的6層金屬工藝內嵌非易失性存儲器的新一代CPLD.片內具有570個可編程邏輯單元(LEs)，8 KB用戶存儲器(UFM)，160個用戶I/O.支持3.3 V、1.8 V、1.5 V多電壓工作系統，并且I/O內嵌可編程施密特觸發器；具有增強型在線可編程能力(ISP)[6-7].結合現場控制特性和EPM570的特點，設計了結構如圖3所示的控制核心板.

為提高系統的抗干擾設計，核心板采用了雙層施密特觸發器冗余結構，即EPM570CPLD可編程施密特器和接口電路芯片附帶的施密特觸發器.并在元件布局和走線上充分考慮EMC問題，其元件布局如圖4所示.

控制系統核心板主要分為系統電源、輸入接口(包括本地輸入、計算機輸出的遙控輸入、本地連鎖)，輸出接口(本地LED輸出、計算機遠程監控輸出、動作繼電器輸出)，接口緩沖和冗余電路，JTAG單元和定時延時單元幾部分.

圖3 控制系統核心板結構圖Fig.3 The schematic ofkey board

圖4 控制系統核心板器件布局圖Fig.4 The layoutofkey board

3 軟件設計

控制系統軟件設計主要遵循發射機的開關機流程和工作模式，分為連鎖保護模塊、自動開關機模塊，兩大流程(工作模式、測試準備).發射機的開機流程主要分為工作和測試準備，同時又具有手動和計算機遠程自動模式.測試準備模式為：發射機準備模式啟動→門連鎖→合風冷繼電器→風冷正常檢測→合燈絲電源一檔→延時→合燈絲電源二檔→燈絲全壓檢測→合偏壓電源→延時→偏壓全壓檢測→發射準備模式完成.在測試準備模式下，電子管TH571B的高壓電源和簾柵極電源未加到電子管上，已備發射機測試和檢修電子管的狀態，高頻封閉未解除，放大鏈路上沒有高頻信號.

當發射機工作模式時，其開機流程為：發射機工作模式啟動→門連鎖→合風冷繼電器→風冷正常檢測→合燈絲電源一檔→延時→合燈絲電源二檔→燈絲全壓檢測→合偏壓電源→延時→偏壓全壓檢測→合高壓一檔電源→延時→合高壓二檔電源→高壓全壓檢測→合簾柵電源→延時→簾柵全壓檢測→解除高頻封閉.發射機等待外部觸發信號、計算機加速電壓幅值、頻率、調諧信號，一旦外部信號到來，發射機按照加速文件提供的電壓、頻率、調諧信號完成一次高頻功率放大和加速.

圖5 發射機測試模式開機流程圖Fig.5 The flowcharts of testmode

圖6 發射機工作模式開機流程圖Fig.6 The flowchartsof workmode

不管哪種工作模式，流程中的每一步都需在其前面的步驟和條件滿足時，才能完成相應的動作.如果工作過程中出現了過流、欠壓、過壓或故障，需要切斷相應的電源和高頻封閉，以確保發射機的連鎖保護.當關機執行時，按照流程逆序和延時執行相應的動作.當然亦可以在連鎖保護前提條件滿足時，手動完成相應的開關機動作.相應流程如圖5、6所示.

4 功能仿真與測試

在實驗室環境下，對系統軟硬件進行了仿真和測試.在Qartus II軟件中利用信號的強制賦值，模擬工作流程中的開關量、狀態量和故障信號；系統軟件設計能正常完成流程的動作和連鎖保護，其仿真結果如圖7所示.仿真完成后，下載程序到核心控制板中，并對其進行了離線硬件測試，經現場測試，本地發射機控制系統能穩定可靠的工作.

圖7 系統軟件仿真結果Fig.7 The resultofsimulation in Quartus II

5 結語

本文介紹的加速器高頻發射機本地控制系統已投入現場使用，在硬件設計上充分考慮了其工作環境的EMC問題，除采用常規的光電隔離和電磁屏蔽外，還利用雙冗余的施密特觸發器設計來提高系統的抗干擾能力.在軟件設計上，也采用了連鎖自保冗余設計，用以消除系統的誤動作.該高頻發射機本地控制系統系統設計了自動開關機、連鎖保護、兩種工作流程等功能，具有工作穩定可靠、抗干擾能力強等特點，得到了較為廣泛的應用.

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【編校：王露】

App lication of CPLD in LocalControl System Design of HFTransm itter

WEN Lianghua1,2,ZHANGTong1,WANGXianwu2
(1.School ofPhysics and Electronic Engineering,Yibin University,Yibin,Sichuan 644007,China;2.Institute ofModern Physics,Chinese Academy ofSciences,Lanzhou,Gansu 730000,China)

A local control system ofhigh frequency transmitter of synchronous acceleratorwhose transmitter operating frequency ranged from 0.5 MHz to 4.2 MHz was designed.The new low power cost Complex Programmable Logic Device (CPLD)embedded with flashmemorywas adopted in this local control system.This control system is successfully implemented in thework flow and interlock ofhigh frequency transmitter,which guarantees high power vacuum tube TH 571B towork reliably and stably.The local controlsystem iseffectively applied in acceleratorhigh frequency system.

high frequency;transmitter;local control;interlock;CPLD

TN838

A

1671-5365(2014)12-0050-03

2014-05-23修回：2014-06-24

中國科學院戰略性先導科技專項資助(XDA01020304)

文良華（1980-），男，工程師，工學碩士，研究方向為加速器高頻低電平相關技術

時間：2014-06-27 15:55

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20140627.1555.004.htm l