一、項目背景
我國第一個具有先進偏濾器位形的非圓截面的托卡馬克核聚變實驗研究裝置環(huán)流器二號A（HL-2A）1999年4月開始建設(shè)，2002年12月建成，中國從此進入了世界少數(shù)幾個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驗，并利用其獨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試驗裝置中，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)的可編程時序控制器正是為了有效的控制NBI設(shè)備的啟動、時序、停止等工作。
二、主要功能
1.控制器實現(xiàn)分別以1ms為計時單位和以1us為計時單位的編程（下面簡稱ms時序部分和us時序部分），對應(yīng)的計時時長分別為5000ms和3ms；
2.控制器使用標(biāo)準(zhǔn)的3U－19寸機箱；
3.控制器外接220V/3A交流電源；
4.控制器具備就地操作和遠程操作功能，就地和遠程操作模式通過設(shè)置機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現(xiàn)，通過該觸摸屏可以實現(xiàn)對控制器所有輸出通道的輸出脈沖進行編程；
6.控制器的遠程操作可使用modbus-rtu通訊和profibus-dp通訊，用戶在實際應(yīng)用中，可自行選擇配置；
7.ms時序部分可輸出8路脈沖信號，每一路都可根據(jù)用戶需要進行編程，包括輸出脈沖寬度和延時值；
8.ms時序部分輸出的8路脈沖信號對應(yīng)設(shè)置有8路封鎖輸入信號，封鎖信號與控制器輸出的信號進行”邏輯與”，產(chǎn)生真正的時序脈沖輸出；
9.ms時序部分設(shè)置輸出總封鎖信號一路輸入，所有輸出與該總封鎖信號進行“邏輯與”后產(chǎn)生輸出；
10.ms時序部分可實現(xiàn)就地觸發(fā)和遠程觸發(fā)，觸發(fā)方式可由用戶根據(jù)控制面板設(shè)置的觸發(fā)方式按鈕進行選擇；
11.us時序部分可輸出4路獨立脈沖信號，每一路都可根據(jù)用戶需要進行編程，包括輸出脈沖寬度和延時值，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路輸出的延時值都以一個統(tǒng)一輸入的觸發(fā)信號為基準(zhǔn)開始，以1us為計時單位計時；
12.控制器的所有輸出信號包括ms部分和us部分需要通過一個DB25接頭將各路輸出信號以TTL兼容的形式輸出，但這些輸出信號必須是獨立器件輸出，不得復(fù)用，以免對正常輸出通道造成干擾；
13.所有的輸入輸出為電信號，觸發(fā)信號為邊沿有效，封鎖信號為狀態(tài)電平信號，有效狀態(tài)用戶可以根據(jù)實際需要進行設(shè)置；
14.所有的輸出為光信號，發(fā)光有效或無光有效，可以根據(jù)用戶實際需要進行設(shè)置。
三、設(shè)計描述
1.硬件設(shè)計
控制器內(nèi)部由2塊電路板組成：控制板和接口板。控制板上包含ARM單片機和FPGA，是核心控制板，根據(jù)機箱內(nèi)空間布局，這塊電路板可分拆為2塊電路板，實現(xiàn)功能不變。接口板安裝在機箱背部，用來轉(zhuǎn)換所有的輸入輸出信號。如下圖：
1.1.ms控制器接口描述
輸入信號：遠程觸發(fā)信號，封鎖所以輸出的總封鎖信號、對應(yīng)于8路脈沖輸出的8路封鎖信號，全部為Q9接頭；
輸出信號：有8路時序脈沖輸出，全部為Q9接頭。
1.2.us控制器接口描述
輸入信號：有運行區(qū)域信號、觸發(fā)啟動信號、打火信號、故障信號，全部為Q9接頭；
輸出信號：有4路脈沖輸出信號、結(jié)束信號，全部為光纖FC接頭，型號為HFBR-1424。
2.軟件設(shè)計
2.1.控制板設(shè)計框圖
ARM單片機負責(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負責(zé)的工作有：接口信號采集、接口信號輸出、時序控制等；
2.2. ms控制器運行時序圖
2.3. us控制器運行時序圖
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