重離子加速器磁鐵電源控制系統研制

劉伍豐，喬衛民，敬 嵐，郭玉輝，張世杰，陳天飛，劉楠嶓

（1.河南工業大學電氣工程學院，河南鄭州 450001；2.中國科學院近代物理研究所，甘肅蘭州 730000）

重離子加速器磁鐵電源控制系統研制

劉伍豐1，喬衛民2，敬 嵐2，郭玉輝2，張世杰1，陳天飛1，劉楠嶓1

（1.河南工業大學電氣工程學院，河南鄭州 450001；2.中國科學院近代物理研究所，甘肅蘭州 730000）

重離子加速器通過一定周期的磁場對帶電粒子進行約束，磁鐵電源是產生所需磁場的關鍵部件，因此，要求磁鐵電源控制系統具備高效性、穩定性、精確性。磁鐵電源需按加速器運行周期進行響應運行。重離子加速器磁鐵電源的時序必須嚴格按重離子加速器控制系統的控制時序進行控制。本工作研制了重離子加速器磁鐵電源控制系統，通過磁鐵電源控制器與同步時鐘系統的通信進行控制時序的運行；通過與中央數據庫的數據通信獲取磁鐵電源控制器所需的全部數據（如同步事例數據、波形數據等）。同步時鐘信號一旦觸發，磁鐵電源控制器進行相應的數據獲取并進行插值運算輸出至磁鐵電源進行控制。重離子加速器磁鐵電源控制系統同步精度為1μs，實驗平臺測試控制器平臺紋波精度為100ppm，能滿足重離子加速器實驗運行的要求。

重離子加速器；磁鐵電源；控制系統

磁鐵電源控制系統是重離子加速器控制系統的關鍵子系統。磁鐵電源控制系統通過控制磁鐵電流來控制磁場從而對粒子進行約束，以達到加速器設計目標。重離子加速器控制系統［1－9］有控制運行周期，每個控制子系統均需嚴格按照控制周期進行響應運行。磁鐵電源控制系統需符合重離子加速器控制系統的控制要求并滿足其控制時序。因此，重離子加速器磁鐵電源控制系統的研究工作在于磁鐵電源控制器的設計。磁鐵電源控制系統需預先進行波形數據與同步事例數據的分發與存儲。同步事例數據存儲于中央數據庫中，并直接存儲至磁鐵電源控制器的寄存器中；波形數據存儲于中央數據庫與ARM控制器SQLite嵌入式數據庫中，等待同步時鐘系統的同步觸發。當同步事例觸發時磁鐵電源控制系統的DSP波形發生器產生所需的控制波形輸出，以完成這個控制周期的整個控制過程。本文將介紹重離子加速器磁鐵電源控制系統的研制工作。

1 總體設計

磁鐵電源控制系統作為重離子加速器控制系統的關鍵子系統，其中的ARM控制器需與加速器總體控制系統的中央Oracle數據庫以及前端服務器的前端Oracle數據庫進行數據通信。ARM控制器運行嵌入式數據庫SQLite，通過中央數據庫Oracle、前端數據庫Oracle、嵌入式數據庫SQLite 3層數據庫同步更新系統實現數據的快速更新。DSP波形發生器根據控制數據經插值算法產生相應的控制波形。ARM控制器通過HPI接口實現與DSP波形發生器的快速數據交互。磁鐵電源控制系統結構如圖1所示。

1.1 前端ARM控制器

前端ARM控制器的主要功能是傳輸控制數據和負責磁鐵電源所需的控制波形等數據的傳輸以及電源狀態的采集存儲，并利用ARM控制器上的DataFlash空間，存儲需永久保存或反復使用的波形等數據，盡量減少與上層數據庫的數據交換，它還驅動VME總線控制器，通過DSP提供的HPI接口管理訪問和分配DSP的存儲空間，因此，數據的存儲地址對DSP是透明的。

圖1 磁鐵電源控制系統結構Fig.1 Structure of magnet power supply control system

前端ARM控制器連接至重離子加速器控制系統的控制局域網，實際即連接至前端服務器與集群服務器，并通過VME背板與DSP波形發生器相連接，實現前端ARM控制器與DSP波形發生器的數據交互。

1.2 DSP波形發生器

DSP波形發生器根據從存儲空間中得到的當前控制周期所需的波形數據，通過二次插值算法向FPGA輸出控制電源的波形數據，再經過DA轉換，間接控制磁鐵電源的輸出，從而產生約束束流所需的磁場，滿足加速器運行的需要。同時通過波形發生器的AD模塊轉換，采集并返回磁鐵電源各時刻的狀態值，供調試人員查詢和檢測。

DSP波形發生器與前端ARM控制器通過VME背板總線進行數據通信，且DSP波形發生器與FPGA同步事例發生器以及FPGA計數板（深層重離子治癌主動掃描中的掃描磁鐵）通過光纖連接，從而實現同步實時。DSP波形發生器接收FPGA同步事例發生器或FPGA計數板發出的事例信號或脈沖，從而進行相應工作。

2 數據交互

重離子加速器總體控制系統預先對磁鐵電源控制子系統進行波形數據與同步事例數據的分發與存儲。總體控制系統將同步事例數據存儲于中央數據庫中，并存儲于磁鐵電源控制器的寄存器中。波形數據存儲于中央數據庫與ARM控制器中，DSP波形發生器等待同步時鐘系統的同步事例觸發。當同步事例觸發時，磁鐵電源控制系統的DSP波形發生器產生所需的控制波形輸出，以完成控制周期的整個控制過程。

在蘭州重離子加速器冷卻儲存環控制系統中，提出虛擬加速器的控制機制。從重離子加速器同步磁鐵電源控制系統中的波形數據切換機制來進行闡述：當控制系統事例控制界面將同步事例發生器事例數據存入其RAM空間并使其發出切換數據的同步事例（如C05A2001）時，DSP波形發生器對接收到的同步事例信息進行接收與分析對比。FPGA判斷同步事例的功能碼位是否為切換波形數據。若是切換波形的同步事例，則DSP波形發生器中斷前端ARM控制器，前端ARM控制器隨后立即讀出要切換的數據波形號（前端ARM控制器保存了各波形數據在DSP內存空間中的存儲地址和長度），這時前端ARM控制器觸發DSP波形發生器并傳輸該波形數據的存儲首地址及長度使DSP讀取波形數據，并通過插值算法進行插值。當第16～23位數據（功能碼位）不是從同步時鐘系統中的同步事例發生器上發出的同步事例信號（如C05A2001）時，DSP波形發生器收到該同步事例信號，打開DAC，并輸出上次已切換好的波形數據。磁鐵電源控制系統數據傳輸如圖2所示。

圖2 磁鐵電源控制系統數據傳輸Fig.2 Data transmission of magnet power supply control system

3 運行測試

運行測試磁鐵電源控制系統時需先錄入1個二進制的波形文件數據。波形文件數據是在0～＋10V區間內對電壓進行16位轉換后的0～65 536的數據，每間隔64ms錄入1個數據（重離子加速器磁鐵電源控制系統波形數據格式）。該波形文件數據為1個梯形波形數據，平頂電壓為1V。測試的波形數據如圖3a所示，實際測得的控制電源波形如圖3b所示。

圖3 磁鐵電源控制系統測試結果Fig.3 Test result of magnet power supply control system

4 小結

重離子加速器磁鐵電源控制系統同步精度為1μs，實驗平臺測試控制器平臺紋波的精度為100ppm，能滿足當前重離子加速器核物理實驗的要求。但隨著重離子加速器一些研究的產業化（如重離子治癌），需對系統進行優化升級，優化工作已開展。重離子加速器磁鐵電源控制系統缺乏快速連鎖系統的接口并需提高控制的同步精度至ns量級；減少控制系統數據傳輸環節以及提高數據傳輸的速率至≥1Gb／s；優化完善快速數據獲取系統以實現高速的磁鐵電源控制閉環。總之，重離子加速器已通過長時間的運行，證明磁鐵電源控制系統能滿足當前實驗及運行需求。

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Development of Magnet Power Supply Control System for Heavy Ion Accelerator

LIU Wu－feng1，QIAO Wei－min2，JING Lan2，GUO Yu－hui2，ZHANG Shi－jie1，CHEN Tian－fei1，LIU Nan－bo1
（1.College of Electrical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou450001，China；2.Institute of Modern Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou730000，China）

The heavy ion accelerator constrains particles by magnetic field，and the magnet power supply is the important part for making magnetic field.Therefore，the magnet power supply control system needs high efficiency，high stability and high accuracy.The magnet power supply response operated according to accelerator’s cycle.The magnet power supply control system for heavy ion accelerator was developed.The magnet power supply control timing of heavy ion accelerator is consistent with the control cycle of heavy ion accelerator control system.And the synchronous timing system triggers magnet power supply.All control data of magnet power supply（such as synchronous event data and waveform data）are obtained from center oracle database of heavy ionaccelerator.Once the synchronous timing system triggers magnet power supply，the magnet power supply controller will read control data from RAM of ARM controller and process it by interpolation to control power supply.The precision of control system synchronization is 1μs，and ripple is 100ppm.It can meet requirement of heavy ion accelerator experiments.

heavy ion accelerator；magnet power supply；control system

TL503.6；TL56；TP23

A

1000－6931（2015）02－0362－04

10.7538／yzk.2015.49.02.0362

2013－11－19；

2014－02－06

國家自然科學基金資助項目（11005136）；國家星火計劃資助項目（2013GA750006）；中國科學院西部之光人才培養計劃資助項目（Y107130XBB）；河南工業大學高層次人才基金資助項目（2012BS036）

劉伍豐（1983—），男，湖南邵陽人，高級工程師，博士，從事加速器控制、控制工程、數據獲取等研究