托卡马克程控积分器系统的研制

吴一纯，王灵芝，舒双宝

(1.厦门大学 能源学院，福建 厦门 361102；2.闽南师范大学 物理与信息工程学院，福建 漳州 363000；3.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009)

积分器是托卡马克装置放电实验中的一种重要的信号调理仪器，主要用于电磁测量诊断，如等离子体电流和位移的测量等[1]。由于实际集成运算放大器并非理想器件，积分电容存在泄漏电阻，使得实际积分电路与理想状况存在误差[2]。积分漂移和积分输出饱和是制约积分电路长时间工作的两个重要因素[3]。积分漂移作为误差信号会降低信号的测量精度，作为等离子体控制信号会给等离子体控制带来误差。积分漂移主要是由运算放大器的失调电压和失调电流产生，而非线性误差和泄漏的根源在于积分电容存在泄漏电阻。目前，模拟积分器仍是电磁诊断中实现积分功能的最佳方式，但由于单一运算放大器和积分电容组成的模拟积分器的误差不能满足长时间等离子体放电的测量要求，因此，积分器设计必须对积分误差进行补偿[4-6]。

J-TEXT是一部中型的、具有铁芯变压器的托卡马克装置。为满足其电磁诊断的需求，本文为其研制积分器系统。为提高积分器输出信号的动态范围，该积分器系统所有积分器通道均具有4种可选的积分时间常数。每种积分时间常数电路均具有独立的调零电路，以保证在切换积分时间常数的情况下，积分器仍能获得最佳的积分漂移特性。

1 系统技术指标

该积分器系统采用5U标准机箱设计，由32路积分器通道组成。每路积分器通道具有4种积分时间常数：1、5、10和50 ms；积分器通道的输出电压范围为-10～10 V；输出噪声≤5 mV；在4种积分时间常数条件下，100 s内的积分输出漂移均小于5 mV。由LED就地指示各通道的当前积分时间常数以及积分器工作状态；同时，基于TCP/IP的Socket网络通信实现了系统控制、参数设置、状态信息获取以及控制器网络参数的远程设置。

2 系统硬件设计

积分器系统的硬件组成包括8块积分器板卡(每块积分器板卡由4路积分器通道组成)、1块控制器板卡、1块线性电源板卡、8块BNC接口板卡(每块接口板卡有4路通道)及1块机箱背板。

2.1 积分器板卡电路

如图1所示，积分器板卡由±12 V低噪声稳压电源单元、4路积分器通道单元(图1中仅示出其中1路积分器通道，其余3路积分器通道结构均相同)、CPLD指令解析单元、±2.5 V参考电源单元、继电器驱动单元和LED指示单元等组成。

图1 积分器板卡原理图

每路积分器通道又由4个子单元电路构成，包括可变积分时间常数积分器电路1、漂移调节电路2、有源滤波电路3和相位变换电路4。

可变积分时间常数积分器电路中，电磁诊断信号从VI端输入，电容C1为积分电容，电阻R1～R4为积分电阻，继电器触点S1_1～S4_1用于选择控制积分电阻R1～R4的导通状态。R6为C1的泄放电阻，继电器触点S5用于控制积分器的充放电状态。运算放大器A1与C1、R1/R2/R3/R4、平衡电阻R7及调零电路组成有源积分电路。在积分器调零电路中，继电器触点S1_2～S4_2用于程控选择积分调零支路。4路积分调零支路分别通过继电器触点S1_2、S2_2、S3_2或S4_2，经由限流电阻R5与运算放大器A1的反相输入端相连，为积分器输入端提供补偿信号，抑制积分器的漂移。滤波电容C6可降低调零电路电位器可调端信号的噪声。

在任意时刻，继电器触点S1_1～S4_1中仅有1个触点是闭合的，S1_2～S4_2中也仅有1个触点是闭合的，其余均断开。S1_1和S1_2是双刀双掷继电器S1的两个常开触点，S2、S3、S4及S6与此相同。如在任意时刻，S1_1和S1_2闭合，则其余触点均断开，即每种积分时间常数均对应一路独立的积分调零支路，确保各积分时间常数电路均有独立的补偿信号，从而保证积分时间常数切换后积分器仍可获得稳定的积分漂移特性。

±2.5 V参考电源单元为积分器调零电路提供参考电压，退耦电容C4和C5为参考电压提供滤波。由RC网络和运算放大器A2构建的有源滤波器对积分器输出信号滤波，从而抑制高频噪声。此外，为便于输出信号的相位选择，在有源滤波器电路输出端设置了相位变换电路，该电路由继电器S6及反相放大器电路A3组成。VO为积分器单元电路的信号输出端。

电源噪声，运算放大器A1的输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流等，积分电容的泄漏电阻及积分电阻的精度均与积分器的性能有关。低噪声线性稳压器TPS7A3001(-12 V，-200 mA)和TPS7A4901(+12 V，+150 mA)具有良好的噪声特性和电源纹波抑制能力。运算放大器A1的性能是确保积分器品质的关键，系统选用双±15 V零漂移运算放大器LTC1151，其动态范围可满足积分器输出电压±10 V的要求，且在25 ℃条件下，其输入失调电压典型值为± 0.5 μV、输入失调电流典型值为±20 pA、输入偏置电流典型值为±15 pA、输入失调电压漂移典型值为±0.01 μV/℃。LTC1151的参数指标高出OP07 1～2个数量级，适于作为低漂移积分器使用。此外，LTC1151积分电容选用苯乙烯(即CBB)电容，其绝缘电阻高、介质损耗小且泄漏电流低；积分电阻选用精度0.1%的金属膜电阻。

由于积分器板卡上使用了较多的继电器，为了节约布板面积，电路中选用了小尺寸、双刀双掷、表面安装型继电器G6K-2F-Y。滤波器电路和相位变换电路中的运算放大器A2和A3则采用OP07精密运算放大器。

CPLD指令解析单元负责积分器板卡及积分器通道地址译码、指令解析、指令锁存和积分器运行控制等。由EPM240T100型CPLD实现该单元功能，从而减少了布板面积和走线数量，并简化了电路设计。CPLD的I/O端口通过ULN2003驱动单元对继电器进行驱动控制。此外，在积分器板卡上布置了LED指示单元，以便就地指示各积分器通道当前的积分时间常数和运行状态。

2.2 控制器板卡电路

控制器板卡以ARM Cortex-M3微控制器LM3S8962为核心，构建网络通信控制电路，通过以太网接收上位机控制程序的指令，实现积分器系统工作状态控制、积分时间常数参数设置、积分器系统状态信息获取及控制器网络参数的远程设置等功能。

LM3S8962是集成媒体访问控制器(MAC)和网络物理(PHY)接口的32位微控制器，遵循IEEE 802.3规范。与网络变压器(如HR601680)及RJ45接口连接后，即可实现以太网通信，大幅简化了以太网通信的硬件设计。

为简化机箱背板设计，减少电路板走线的数量，将LM3S8962的输出端口设置为4 mA驱动能力，并以SPI串行方式向8块积分器板卡上的CPLD指令解析单元发送控制指令和参数。为了在系统关机断电期间保存积分器的网络和积分时间常数等参数，由EEPROM存储器AT24C08作为非易失性存储器保存上述参数。

系统提供了3种积分器控制方式：就地手动控制、远程触发控制和远程网络控制。就地手动控制方式在积分器的现场调试阶段使用，利用手动开关的闭合/断开控制积分器的充电/放电。远程触发控制方式在积分器的现场应用阶段使用，由托卡马克的中央控制系统提供触发/电平信号控制积分器的充电/放电。远程网络控制方式在积分器远程调试阶段使用，由上位机控制程序向积分器发送网络指令，从而控制积分器的充电/放电。控制器板卡上有1个就地积分器控制开关和1个BNC积分器远程控制端口。

2.3 其他板卡电路

1) 线性电源板卡

线性电源虽效率较低、较笨重，但稳定度较高、输出纹波电压小、无高频开关噪声，适合积分器系统使用。系统采用三端稳压器LM7815、LM7915和LM1084-5.0V分别提供+15 V/0.3 A、-15 V/0.3 A和+5 V/3 A电源。±15 V电源为积分器提供模拟电源，+5 V电源为继电器驱动、控制器板卡及LED指示灯供电。

2) BNC接口板卡

积分器输入和输出通道经由BNC接口板卡和机箱背板与积分器板卡连接，BNC接口板卡位于机箱背面以便信号线的统一布置。

3) 机箱背板

机箱背板为各积分器板卡、BNC接口板卡、控制器板卡和电源板卡提供物理接口，并布置各种电源、控制信号等PCB走线。机箱背板设计充分考虑了电磁兼容、散热及机械强度。

3 系统软件设计

3.1 控制器嵌入式软件设计

基于LwIP(轻量级IP)协议栈，在LM3S8962控制器的嵌入式应用程序中构建了TCP/IP服务器端。应用程序任务功能为：调用LwIP协议栈实现TCP/IP Socket通信；由TCP/IP Socket通信传输指令和参数；解析TCP/IP Socket通信指令并控制积分器；积分器参数设置；积分器运行状态网络控制；3种积分器运行方式控制；控制各积分器通道的当前积分时间常数和积分器工作状态的LED就地指示。

嵌入式软件在系统开机或重启后，首先初始化系统并配置端口，从AT24C08存储器中获取各积分器通道的参数及TCP/IP服务器端的物理地址、IP地址、子网掩码和网关等参数。此后，由LwIP协议栈构建TCP/IP服务器端，并启动网络侦听，一旦接收到客户端程序(即上位机控制程序)发送的指令，如网络参数设置、积分时间常数设置和积分器控制等，则执行相应的指令动作。

3.2 上位机控制程序设计

在J-TEXT的现场使用中，仅由1台安装有上位机控制程序的计算机对积分器系统进行控制管理。上位机控制程序的功能主要分为4部分：网络参数设置、参数校验与更新、积分器参数设置、积分器远程网络控制。控制程序界面如图2所示。

图2 控制程序界面

网络参数设置功能可修改设置积分器系统控制器板卡的网络参数(包括IP地址、子网掩码地址、网关地址)等信息。参数校验与更新功能有3个子功能：校验上位机控制软件数据库中的参数与控制器板卡非易失性存储器中的参数是否一致；从上位机控制软件数据库向积分器系统批量更新设置参数；从当前积分器系统向上位机控制软件数据库批量更新设置参数。积分器参数设置功能可设置积分器通道的积分时间常数(1、5、10或50 ms)和输出信号的相位(正相或反相)。积分器远程网络控制功能可控制指定积分器系统所有积分器通道的运行状态(充电/放电)。

4 系统测试及J-TEXT现场应用

4.1 系统测试

各通道积分电容均选取1 μF，对应4种积分时间常数(1、5、10和50 ms)的积分电阻分别为1、5、10和50 kΩ。由于积分漂移与积分电阻呈反比，对于一路积分时间常数确定的积分器通道，其积分漂移的量级也随之确定，积分电阻的大小不会对积分漂移引起的误差比例造成影响[5]。积分时间常数为1 ms的积分器，具有较其他3种积分时间常数小的积分电阻。所以，在其他条件不变的情况下，1 ms积分时间常数的积分器较其他3种积分时间常数的积分器具有更大的积分漂移。

在前端电磁探针无信号的情况下，两路积分器通道(取1 ms的积分时间常数)输入端短路并积分100 s，力科混合信号示波器(LeCroy WaveSurfer 42MXs-B)测量获得的积分漂移和噪声特性如图3所示。由图3可看出，在10 ms的积分时间常数下，两路积分器累计积分100 s的漂移小于5 mV，输出噪声≤5 mV。

图3 10 ms 积分时间常数下的积分漂移和噪声特性

4.2 J-TEXT现场应用

J-TEXT托卡马克矩形磁探针阵列共有26个探针，每个探针骨架上有测量切向和法向的线圈，共52路信号。正常放电情况下，选用1 ms积分时间常数的积分器还原得到的极向矩形磁探针阵列06号法向探针信号(图4)。该积分器的积分时间常数RC=1 ms，积分器输出Vout为：

现场信号质量满足J-TEXT的实验要求。

5 结论

本文研制的积分器系统所有积分器通道均具有4种积分时间常数，网络化和模块化设计提高了系统的易用性和使用效率。经实验室和J-TEXT现场的充分测试表明：各积分器通道的输出电压范围为-10～10 V；输出噪声≤5 mV；在4种积分时间常数下，积分器累计积分100 s的输出漂移均小于5 mV。该积分器系统已投入J-TEXT托卡马克实验中，具有良好的稳定性和运行效果。

图4 J-TEXT探针信号

参考文献：

[1] 沈飙. EAST电磁测量诊断研究[D]. 合肥：中国科学院合肥物质科学研究院，2007.

[2] JUNG W G. 集成运算放大器应用手册[M]. 北京：世界图书出版公司，1990：383-393.

[3] 徐四九，苏弘，李勇，等. 长时间无零漂积分器中的单元积分电路[J]. 核技术，2006，29(6)：463-465.

XU Sijiu, SU Hong, LI Yong, et al. An integration cell of long pulse integrator with ultra-low drift[J]. Nuclear Techniques, 2006, 29(6): 463-465(in Chinese).

[4] LIU D M, WAN B N, WANG Y, et al. A new low drift integrator system for the Experiment Advanced Superconductor Tokamak[J]. Review of Scientific Instruments, 2009, 80: 053506.

[5] 刘冬梅. 托卡马克装置中长时间低漂移积分器系统的设计与实现[D]. 合肥：中国科学院合肥物质科学研究院，2009.

[6] 吴一纯，王勇，刘冬梅，等. EAST积分器系统的设计[J]. 原子能科学技术，2009，43(12)：1 133-1 137.

WU Yichun, WANG Yong, LIU Dongmei, et al. Design of integrator system on Experiment Advance Superconductor Tokamak[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2009, 43(12): 1 133-1 137(in Chinese).