一、       項(xiàng)目背景

我國(guó)第一個(gè)具有先進(jìn)偏濾器位形的非圓截面的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置環(huán)流器二號(hào)A（HL-2A）1999年4月開始建設(shè)，2002年12月建成，中國(guó)從此進(jìn)入了世界少數(shù)幾個(gè)中型托卡馬克裝置之列。HL-2A 的大半徑1.65米、小半徑0.4米、環(huán)向磁場(chǎng)2.8T、環(huán)向等離子體電流480kA，主要目標(biāo)是開展高參數(shù)等離子體條件下的改善約束實(shí)驗(yàn)，并利用其獨(dú)特的大體積封閉偏濾器結(jié)構(gòu)，開展核聚變領(lǐng)域許多前沿物理課題以及相關(guān)工程技術(shù)的研究，為我國(guó)下一步聚變堆研究與發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)。

在磁約束受控核聚變?cè)囼?yàn)裝置中，中性束注入（NBI）加熱是提高等離子體溫度、等離子體電流驅(qū)動(dòng)及改變等離子體約束性能控制的最有效方法之一。北京微硬創(chuàng)新科技有限公司研發(fā)的可編程時(shí)序控制器正是為了有效的控制NBI設(shè)備的啟動(dòng)、時(shí)序、停止等工作。

二、       主要功能

1.      控制器實(shí)現(xiàn)分別以1ms為計(jì)時(shí)單位和以1us為計(jì)時(shí)單位的編程（下面簡(jiǎn)稱ms時(shí)序部分和us時(shí)序部分），對(duì)應(yīng)的計(jì)時(shí)時(shí)長(zhǎng)分別為5000ms和3ms；

2.      控制器使用標(biāo)準(zhǔn)的3U－19寸機(jī)箱；

3.      控制器外接220V/3A交流電源；

4.      控制器具備就地操作和遠(yuǎn)程操作功能，就地和遠(yuǎn)程操作模式通過(guò)設(shè)置機(jī)箱面板上的功能切換按鈕設(shè)置；

5.      控制器的就地操作使用觸摸屏實(shí)現(xiàn)，通過(guò)該觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器所有輸出通道的輸出脈沖進(jìn)行編程；

6.      控制器的遠(yuǎn)程操作可使用modbus-rtu通訊和profibus-dp通訊，用戶在實(shí)際應(yīng)用中，可自行選擇配置；

7.      ms時(shí)序部分可輸出8路脈沖信號(hào)，每一路都可根據(jù)用戶需要進(jìn)行編程，包括輸出脈沖寬度和延時(shí)值；

8.      ms時(shí)序部分輸出的8路脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)設(shè)置有8路封鎖輸入信號(hào)，封鎖信號(hào)與控制器輸出的信號(hào)進(jìn)行”邏輯與”，產(chǎn)生真正的時(shí)序脈沖輸出；

9.      ms時(shí)序部分設(shè)置輸出總封鎖信號(hào)一路輸入，所有輸出與該總封鎖信號(hào)進(jìn)行“邏輯與”后產(chǎn)生輸出；

10. ms時(shí)序部分可實(shí)現(xiàn)就地觸發(fā)和遠(yuǎn)程觸發(fā)，觸發(fā)方式可由用戶根據(jù)控制面板設(shè)置的觸發(fā)方式按鈕進(jìn)行選擇；

11. us時(shí)序部分可輸出4路獨(dú)立脈沖信號(hào)，每一路都可根據(jù)用戶需要進(jìn)行編程，包括輸出脈沖寬度和延時(shí)值，且各路的初始輸出狀態(tài)可以編程設(shè)置，所有us控制的4路輸出的延時(shí)值都以一個(gè)統(tǒng)一輸入的觸發(fā)信號(hào)為基準(zhǔn)開始，以1us為計(jì)時(shí)單位計(jì)時(shí)；

12. 控制器的所有輸出信號(hào)包括ms部分和us部分需要通過(guò)一個(gè)DB25接頭將各路輸出信號(hào)以TTL兼容的形式輸出，但這些輸出信號(hào)必須是獨(dú)立器件輸出，不得復(fù)用，以免對(duì)正常輸出通道造成干擾；

13. 所有的輸入輸出為電信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)為邊沿有效，封鎖信號(hào)為狀態(tài)電平信號(hào)，有效狀態(tài)用戶可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置；

14. 所有的輸出為光信號(hào)，發(fā)光有效或無(wú)光有效，可以根據(jù)用戶實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。

三、       設(shè)計(jì)描述

1.        硬件設(shè)計(jì)

控制器內(nèi)部由2塊電路板組成：控制板和接口板?？刂瓢迳习?/span>ARM單片機(jī)和FPGA，是核心控制板，根據(jù)機(jī)箱內(nèi)空間布局，這塊電路板可分拆為2塊電路板，實(shí)現(xiàn)功能不變。接口板安裝在機(jī)箱背部，用來(lái)轉(zhuǎn)換所有的輸入輸出信號(hào)。如下圖：

1.1.      ms控制器接口描述

輸入信號(hào)：遠(yuǎn)程觸發(fā)信號(hào)，封鎖所以輸出的總封鎖信號(hào)、對(duì)應(yīng)于8路脈沖輸出的8路封鎖信號(hào)，全部為Q9接頭；

輸出信號(hào)：有8路時(shí)序脈沖輸出，全部為Q9接頭。

1.2.      us控制器接口描述

輸入信號(hào)：有運(yùn)行區(qū)域信號(hào)、觸發(fā)啟動(dòng)信號(hào)、打火信號(hào)、故障信號(hào)，全部為Q9接頭；

輸出信號(hào)：有4路脈沖輸出信號(hào)、結(jié)束信號(hào)，全部為光纖FC接頭，型號(hào)為HFBR-1424。

2.        軟件設(shè)計(jì)

2.1.      控制板設(shè)計(jì)框圖

ARM單片機(jī)負(fù)責(zé)的工作有：與觸摸屏通訊、與外部總線通訊、參數(shù)讀寫等；

FPGA負(fù)責(zé)的工作有：接口信號(hào)采集、接口信號(hào)輸出、時(shí)序控制等；

2.2.      ms控制器運(yùn)行時(shí)序圖

2.3.      us控制器運(yùn)行時(shí)序圖

北京微硬創(chuàng)新科技有限公司是專業(yè)從事PROFIBUS、PROFINET工業(yè)通訊技術(shù)的研發(fā)單位，針對(duì)特殊的控制要求和工藝要求，我們提供專用的可編程控制器的定制與研發(fā)。公司詳細(xì)信息參考www.profibus-dp.com