HIMM数字电源远程调试软件系统的设计

张华剑，李晓辉，张帅，吴凤军，黄玉珍，高大庆

（1.中国科学院大学物理科学学院，北京100049；2.中国科学院近代物理研究所，兰州730000）

HIMM数字电源远程调试软件系统的设计

张华剑1，2，李晓辉2，张帅2，吴凤军1，2，黄玉珍2，高大庆2

（1.中国科学院大学物理科学学院，北京100049；2.中国科学院近代物理研究所，兰州730000）

中科院近代物理研究所自主研发了用于医用重离子加速器HIMM（heavy ion medical machine）的数字电源。数字电源在研发生产的过程中，必需配套的上位机调试软件进行全方位的调试。首先介绍了用于远程调试HIMM数字电源的软件系统的设计；着重讨论了上位机软件系统的结构设计，并对上位机-下位机工作流程以及专门定制的数据通信协议进行了介绍；然后远程调试软件通过Ethernet与电源的数字控制器通信，依照通信协议规定，可以全方位操作、监控不同硬件拓扑类型的数字电源；再通过对数字调节器进行参数配置、给定脉冲波形、读取调试数据等来达到调试电源、验收电源的目的；最后在甘肃武威、兰州在建的2台重离子加速器所用全部数字电源均使用本调试软件系统进行调试和验收。

数字电源；数字调节器；远程调试

基于中科院近代物理研究所在兰州重离子研究装置HIRFL（heavy ion research facility in lanzhou）上治癌实验的基础与经验［1］，近代物理研究所从2011年起开始设计建造新型的小型化医用重离子加速器HIMM（heavy ion medical machine）。作为特种电源，加速器电源的主要作用是为磁铁提供特定的励磁电流以产生加速器需要的磁场，是医用重离子加速器的关键组成部分。近年来，数字电源技术蓬勃发展［2］。近代物理研究所研制的具有自主知识产权的数字电源［3］将大范围取代模拟电源，并应用于HIMM项目。在数字电源的研发与验收过程中，本地监控与远程调试软件系统必不可少。以触摸屏和单片机为基础的本地监控软件［4］由于资源有限，不能提供全面的调试功能，调试任务很大程度上是由远程调试软件系统承担的。

远程调试软件通过Ethernet与数字电源核心控制板的网络接口进行通信。依照专门制定的基于TCP/IP的数据通信协议，实现PC上位机与电源下位机的数据传输，从而实现开关机复位、电流给定、直流脉冲模式切换、参数设置、波形发送、波形启停、参数回读、状态监测等功能，完成对电源的调试与控制。

1　HIMM数字电源系统概述

近代物理研究所研制的基于软件的数字调节器方案为：Nios II处理器得到电流给定数字量、负载端采样得到电流和电压反馈数字量，进行调节计算后输出调节控制量到PWM生成器。PWM生成器产生对应占空比的PWM波形控制电源功率器件的导通与关断，最终实现对电源输出电流的控制［5］。方案如图1所示。

HIMM数字电源核心控制板搭建了基于FPGA嵌入式软核的SOPC系统，核心控制板主要负责电源数字调节器算法的实现，通过Ethernet、RS485现场总线与PC上位机、触摸屏、类PLC板通信［6］。电源系统连接如图2所示。

图1　数字调节器方案Fig.1 Scheme of digital regulator

图2　数字电源系统连接Fig.2 The system connection of digital power supply

2　HIMM数字电源数据通讯协议

为了规范HIMM数字电源设计和加工，提高电源通用性和互换性，制定了统一的数据通信协议“重离子治疗加速器电源系统控制接口协议”。它属于应用层协议，底层数据通过TCP/IP协议传输，硬件连接器为RJ45，多字节数据按照小端模式传输。数据通信协议规定了上位机调试软件与下位机程序之间传输数据的格式与规范，设定了允许的功能和命令。TCP/IP报文包括Ethernet帧头、IP头部、TCP头部、上层数据和FCS，事实上，数据通信协议规定了TCP/IP报文中“上层数据”的格式。重离子治疗加速器电源系统控制接口协议规定的数据帧格式如表1所示。

表1　HIMM数字电源数据通讯协议数据帧格式Tab.1 Data frame format of HIMM digital power supply communication protocol

3　HIMM数字电源远程调试软件系统设计

3.1调试软件功能划分

根据HIMM数字电源数据通信协议设定的功能命令，为满足调试需求，调试软件应提供所有协议功能，使电源生产、验收人员能通过调试界面调试、验收电源，以使电源指标达到设计需求。分析所有功能命令后将调试软件功能划分为4大类，分别为基本操作、高级操作、波形设置及参数设置，每类用一个标签页容纳，方便切换。功能划分见表2。

表2　调试软件功能划分Tab.2 Functional partitioning of the debugging software

3.2调试软件设计模式

调试软件系统主线程通过建立非阻塞Socket连接下位机FPGA核心通信程序，用户点击界面功能按钮实现命令下传，子线程接收并分析处理来自下位机的响应命令，同时有定时器每隔设定时间询问电源运行状态及均流环输出电流。此种多线程设计模式可以保证用户界面操作的顺畅，不至因为上下位机之间的通信延时而使界面产生阻滞。通过网络连接，调试软件可以调试多台电源。调试软件系统程序流程见图3和图4。

图3　调试软件主线程流程Fig.3 Main flow chart of the debugging software

图4　调试软件数据接收子线程流程Fig.4 Flow chart of data receiving thread

不同电源主回路硬件拓扑不尽相同，因此其上的数字控制器控制策略与参数设置等有所差别，产生了不同的下位机控制程序版本，为了标识这些不同的版本，下位机控制程序将类型码存储在非易失存储器中。调试软件可以在连接下位机后，获取其类型码，并按类型码初始化界面，包括使能或禁止某些功能，从数据库中加载不同的参数表，加载不同的控制策略图，加载不同的波形设置标签等。具体初始化内容如表3所示。

3.3调试软件数据共享

调试软件最基本最重要的功能当属数字调节器参数配置。调试数字电源的过程就是配置参数的过程。电源生产设计人员通过设置不同的调节器参数，测试电源性能指标，当性能指标达到或超过预期设计需求时的配置参数非常珍贵。调试相同型号电源时，复用参数非常方便。但是对于调试人员来讲，上百个参数的记忆与共享是有难度的。调试软件的数据共享功能应运而生。调试软件提供参数方案保存功能，并可以上传方案至中心数据库。调试电源前，从中心数据库下载方案后，即可通过调试软件方案提取功能提取保存过的方案并发送给电源。图5为数据共享示意。

表3　根据不同电源类型码初始化调试界面Tab.3 GUI initialization according to different types of power supplies

图5　数据共享示意Fig.5 Sketch map of data sharing scheme

4　结语

HIMM数字电源远程调试软件系统功能完善，可以完成对HIMM数字电源的操控、调试与监控。HIMM项目的300余台数字电源全部由该调试软件系统调试、验收。长期广泛的使用，验证了该调试软件系统的可用性、易用性与稳定性。HIMM数字电源远程调试软件是近代物理研究所自主研发的数字电源系统必不可少的一部分，具有很高的工业应用价值，必将在医用重离子数字电源系统的推广中得到更为广泛的应用。

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Design of Remote Debugging Software System for HIMM Digital Power Supplies

ZHANG Huajian1，2，LI Xiaohui2，ZHANG Shuai2，WU Fengjun1，2，HUANG Yuzhen2，GAO Daqing2
（1.School of Physical Sciences，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；2.Institute of Modern Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China）

Institute of modern physics，Chinese Academy of Sciences independently developed digital power supplies for heavy ion medical machine（HIMM）.First，the design of software system for remote debugging HIMM digital power supplie is introduces in this paper.The structure of the upper computer software system is mainly discussed，the work flow between the upper computer and the digital power supply controller and the data communication protocol is introduced.Then，the remote debugging software all-roundly controls and monitors the power supply by communicating with its digital controller through the Ethernet in accordance with the protocol.The digital controller can be debugged with the functions of parameter setting，waveform setting，and debugging data getting.Finally，All digital power supplies of heavy ion accelerators under construction both in Wuwei an Lanzhou are debugged and accepted by this software system.

digital power supplies；digital power supply controller；remote debugging software

张华剑

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.5.38

TM 910

A

张华剑（1984-），女，通信作者，博士研究生，工程师，研究方向：加速器电源技术，E-mail：zhanghj@impcas.ac.cn。

李晓辉（1983-），男，硕士，助理工程师，研究方向：加速器电源技术，E-mail：lixiaohui@impcas.ac.cn。

张帅（1984-），男，硕士，工程师，研究方向：加速器电源技术，E-mail：shuaizhang@impcas.ac.cn。

吴凤军（1983-），男，博士研究生，工程师，研究方向：加速器电源技术，E-mail：wufengjun@impcas.ac.cn。

黄玉珍（1983-），女，博士，高级工程师，研究方向：加速器电源技术，E-mail：yuzhenhuang@impcas.ac.cn。

高大庆（1969-），男，博士，研究员，研究方向：加速器电源技术，E-mail：gaodq@impcas.ac.cn。

2015-11-19

国家自然科学基金资助项目（11405239）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（11405239）