CPLD在高频发射机控制系统中的应用

文良华，张桐，王贤武

(1.宜宾学院物理与电子工程学院，四川宜宾644007；2.中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州730000)

CPLD在高频发射机控制系统中的应用

文良华1,2，张桐1，王贤武2

(1.宜宾学院物理与电子工程学院，四川宜宾644007；2.中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州730000)

介绍一种基于CPLD的同步加速器高频发射机本地控制系统.高频发射机工作频率为0.5MHz至4.2MHz，工作模式为变谐波同步触发；本地控制系统采用了ALTERA公司的新一代内嵌FLASH存储器的MAXII系列CPLD芯片，结合抗干扰硬件设计，实现了发射机的自动开关机流程和连锁保护.该系统可靠地保护了发射机TH571B大功率电子管的正常工作，具有功耗低、稳定可靠的特点，并在加速器高频系统运行中取得了良好的效果.

高频系统；发射机；本地控制；连锁保护；CPLD

在同步环型加速器中，高频系统的运行严格按照加速器触发模式工作.高频发射机的工作频率、电压幅值和相位都需按照加速文件提供的波形进行加载和运行.当加速变谐波调谐文件中的频率变化较大时，由于发射机频率调谐机构的滞后性，大功率电子管TH571B会出现较大的阳极电流[1].因此稳定可靠的发射机控制系统，对保护大功率电子管安全稳定工作至关重要.本文介绍一种基于复杂可编程器件(CPLD)的发射机控制系统.

1 发射机结构

发射机主要由大功率电子管TH571B构成，包括电源、高频功放、控制、冷却和频率调谐系统，如图1所示.高频功放采用高频1 000W前级宽频带放大器、级联大功率电子管TH571B构成的共栅极推挽放大结构[2-3].发射机的输出负载为加速器高频腔体，其高频功放主链路如图2所示.

图1 高频发射机主要结构Fig.1 The schematic diagram ofRF transmitter

TH571B是四电极真空陶瓷大功率电子管，其工作时，磁悬浮各电极电压电流参数、静态工作点、高频放大形式都有严格的工程要求.该发射机的峰值功率达70 kW，高频放大链路中有大量的热产生，所以系统采取了水冷和风冷相结合的冷却系统.为完成该发射机的多个系统协调工作，保证TH571B安全与稳定，设计了一种基于CPLD的高频发射机本地控制系统.系统的功能主要分为连锁保护和工作流程控制两部分：连锁保护主要实现发射机某些参数溢出时，关断高频放大链路和TH571B的相应电源；流程控制主要实现发射机自动开关机的顺序控制.

图2 高频功放结构Fig.2 The power link ofRF transmitter

2 硬件设计

由于加速器高频发射机工作在强磁场、高压交直流的复杂电磁环境中[4-5].长期稳定可靠工作是控制系统设计的首要问题.除采取常规电磁屏蔽，I/O接口的光电隔离技术外；系统还采用了ALTERA公司内嵌FLASH存储器MAXII新型EPM570CPLD为控制器，减少了一般可编程器件上电时需从外部存储器加载程序，增加不稳定的风险.此外结合带有施密特触发器的逻辑器件实现逻辑信号的整形，最大限度提高系统抗干扰能力.

EPM570是基于0.18μm的6层金属工艺内嵌非易失性存储器的新一代CPLD.片内具有570个可编程逻辑单元(LEs)，8 KB用户存储器(UFM)，160个用户I/O.支持3.3 V、1.8 V、1.5 V多电压工作系统，并且I/O内嵌可编程施密特触发器；具有增强型在线可编程能力(ISP)[6-7].结合现场控制特性和EPM570的特点，设计了结构如图3所示的控制核心板.

为提高系统的抗干扰设计，核心板采用了双层施密特触发器冗余结构，即EPM570CPLD可编程施密特器和接口电路芯片附带的施密特触发器.并在元件布局和走线上充分考虑EMC问题，其元件布局如图4所示.

控制系统核心板主要分为系统电源、输入接口(包括本地输入、计算机输出的遥控输入、本地连锁)，输出接口(本地LED输出、计算机远程监控输出、动作继电器输出)，接口缓冲和冗余电路，JTAG单元和定时延时单元几部分.

图3 控制系统核心板结构图Fig.3 The schematic ofkey board

图4 控制系统核心板器件布局图Fig.4 The layoutofkey board

3 软件设计

控制系统软件设计主要遵循发射机的开关机流程和工作模式，分为连锁保护模块、自动开关机模块，两大流程(工作模式、测试准备).发射机的开机流程主要分为工作和测试准备，同时又具有手动和计算机远程自动模式.测试准备模式为：发射机准备模式启动→门连锁→合风冷继电器→风冷正常检测→合灯丝电源一档→延时→合灯丝电源二档→灯丝全压检测→合偏压电源→延时→偏压全压检测→发射准备模式完成.在测试准备模式下，电子管TH571B的高压电源和帘栅极电源未加到电子管上，已备发射机测试和检修电子管的状态，高频封闭未解除，放大链路上没有高频信号.

当发射机工作模式时，其开机流程为：发射机工作模式启动→门连锁→合风冷继电器→风冷正常检测→合灯丝电源一档→延时→合灯丝电源二档→灯丝全压检测→合偏压电源→延时→偏压全压检测→合高压一档电源→延时→合高压二档电源→高压全压检测→合帘栅电源→延时→帘栅全压检测→解除高频封闭.发射机等待外部触发信号、计算机加速电压幅值、频率、调谐信号，一旦外部信号到来，发射机按照加速文件提供的电压、频率、调谐信号完成一次高频功率放大和加速.

图5 发射机测试模式开机流程图Fig.5 The flowcharts of testmode

图6 发射机工作模式开机流程图Fig.6 The flowchartsof workmode

不管哪种工作模式，流程中的每一步都需在其前面的步骤和条件满足时，才能完成相应的动作.如果工作过程中出现了过流、欠压、过压或故障，需要切断相应的电源和高频封闭，以确保发射机的连锁保护.当关机执行时，按照流程逆序和延时执行相应的动作.当然亦可以在连锁保护前提条件满足时，手动完成相应的开关机动作.相应流程如图5、6所示.

4 功能仿真与测试

在实验室环境下，对系统软硬件进行了仿真和测试.在Qartus II软件中利用信号的强制赋值，模拟工作流程中的开关量、状态量和故障信号；系统软件设计能正常完成流程的动作和连锁保护，其仿真结果如图7所示.仿真完成后，下载程序到核心控制板中，并对其进行了离线硬件测试，经现场测试，本地发射机控制系统能稳定可靠的工作.

图7 系统软件仿真结果Fig.7 The resultofsimulation in Quartus II

5 结语

本文介绍的加速器高频发射机本地控制系统已投入现场使用，在硬件设计上充分考虑了其工作环境的EMC问题，除采用常规的光电隔离和电磁屏蔽外，还利用双冗余的施密特触发器设计来提高系统的抗干扰能力.在软件设计上，也采用了连锁自保冗余设计，用以消除系统的误动作.该高频发射机本地控制系统系统设计了自动开关机、连锁保护、两种工作流程等功能，具有工作稳定可靠、抗干扰能力强等特点，得到了较为广泛的应用.

[1]许哲,王春晓,段亚娟,等.冷却存储实验环功率源的设计与计算[J].强激光与粒子束,2009(3):444-446.

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【编校：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

中国科学院战略性先导科技专项资助(XDA01020304)

文良华（1980-），男，工程师，工学硕士，研究方向为加速器高频低电平相关技术

时间：2014-06-27 15:55

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