一种用于粒子加速器电源的数字化监控装置

技术领域

本发明涉及快脉冲电源控制技术领域，特别是关于一种用于粒子加速器电源的数字化监控装置。

背景技术

Kicker电源是兰州重离子加速器冷却存储环(HIRFL)主环实现快速引出的关键设备之一，其主要功能是为踢轨磁铁提供励磁电流以产生快速脉冲磁场，实现粒子束团的快速引出。

Kicker电源由6个模块组成，每个模块由高压充电电源、储能系统、闸流管、辅助电源、高压同轴电缆和匹配电阻箱五部分组成。为了实现6个模块同步输出准矩形电流脉冲，要求严格控制每个模块的充电和放电信号。

然而，本申请的发明人在研究中发现，现有技术对Kicker电源的监控，暴露出以下不足：

第一，现有的监控方式，无法对每个模块的高压充电电源、闸流管灯丝进行远程控制，只能在现场手动进行开关机操作，给调试和运维带来不便。同时，在某个模块发生故障时，也不能及时精确排查，导致工作效率低下；

第二，现有的Kicker电源控制装置通过内置的TEK示波器完成对电源输出波形的监测，只能输出波形的示意图，无法准确监测波形的上升时间、平顶宽度、下降时间、同步性等关键指标；

第三，对电源的定时输出功能，数据及状态量变化时间的记录的功能还有待进一步提高。

发明内容

针对上述问题，本申请的目的是提供一种用于粒子加速器电源的数字化监控装置，实现对Kicker电源各个模块的高压充电电源、灯丝及氢压电源、闸流管触发器的全数字化控制，实现对快脉冲输出电流波形的高速采集和动态显示，并利用定时系统的时间信息实现电源的同步定时输出，并记录数据采集和状态变化的准确时间，进一步提升电源的自动化、数字化和智能化管理水平。

为实现上述目的，本申请采取以下技术方案：

第一方面，本申请提供一种用于粒子加速器电源的数字化监控装置，所述装置包括：主控核心板、核心背板、光纤发送板、光纤接收板、高速DAC子板和高速ADC子板；所述主控核心板连接所述核心背板；所述核心背板，分别与所述光纤发送板、所述光纤接收板、所述高速DAC子板和所述高速ADC子板相连接；

所述核心控制板，具有与远程控制系统通信连接的网络接口和光纤接口，用于将远程控制系统的电源控制信息通过所述光纤发送板下发至所述粒子加速器电源，并根据所述电源控制信息，产生所述粒子加速器电源充放电操作的触发信号，并通过所述高速DAC子板产生所述粒子加速器电源的预设电压给定信号；所述核心控制板，还通过所述光纤接收板，接收所述粒子加速器电源反馈的状态信息，以及通过所述高速ADC子板采集所述粒子加速器电源的电流信号，并通过所述网络接口反馈给所述远程控制系统；

所述核心控制板，还具有与外部定时系统相连接的FMC接口，以接收所述外部定时系统下发的时间信息数据，并基于所述时间信息数据对所述粒子加速器电源进行充放电控制以及状态信息的记录。

在本申请的一种实现方式中，所述网络接口为千兆网口，用于供所述核心控制板与所述远程控制系统进行以太网通讯，完成对所述粒子加速器电源的命令下发以及电源状态信息的回传工作。

在本申请的一种实现方式中，所述核心控制板基于UDP协议与所述远程控制系统进行通信。

在本申请的一种实现方式中，所述主控核心板通过光纤接口接收并解析所述远程控制系统下发的触发事例码，判断接收到的触发事例码与预存的粒子加速器电源的工作事例码一致时，再检测通过光纤接口输入的高频信号的频率，当检测到符合要求的频率时，产生充放电的触发信号。

在本申请的一种实现方式中，所述核心控制板通过所述FMC接口接收白兔定时系统下发的时间信息数据。

在本申请的一种实现方式中，所述核心控制板，还具有JTAG接口，用于对所述粒子加速器电源进行调试。

在本申请的一种实现方式中，所述高速DAC子板通过板载的16位高速数模转换器件DAC，完成粒子加速器电源预设电压的给定工作。

在本申请的一种实现方式中，所述高速ADC子板基于支持JESD204B接口、2.5Gsps采样率的12位ADC芯片采集粒子加速器电源的输出波形。

在本申请的一种实现方式中，所述核心控制板，基于定时系统的时间信息数据，为所述高速ADC子板采集的数据增加时间戳。

在本申请的一种实现方式中，所述远程控制系统，针对增加时间戳的数据进行进一步的存储、分析和图形化显示。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)实现了对高压充电电源、闸流管及辅助灯丝及氢压电源的全数字化控制和全方位监控，调试人员可远程操作粒子加速器电源，并实时获取电源的运行状态，电源调试更加方便，故障排除更加快捷有效，提高了调试和运维的工作效率。

(2)实现了对输出电流波形的高速数字化采集，无需借用示波器便可全面精确监控电源的输出波形，且能够知悉输出波形的上升时间、平顶宽度、下降时间等关键信息，实时了解到电源的运行状态，并依据采集到的输出波形数据建立数据库。

(3)可接收定时系统的时间信息，用于实现电流的定时输出，也可作为高速采集数据和状态变化量的准确时间。数据具备时间信息后，不仅可以减小数据实时上传的压力，也可以通过时间来分割数据，提高后期数据库数据检索、挖掘和分析的工作效率。

附图说明

图1为本申请实施例中的用于粒子加速器电源的数字化监控装置的系统框架示意图；

图2为本申请实施例中的用于粒子加速器电源的数字化监控装置的软件功能模块框图；

图3为本申请实施例中的高速ADC数据采集的工作流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术中的电源控制装置的监控能力不足的问题。本申请相应提供一种用于粒子加速器电源的数字化监控装置，包括：主控核心板、核心背板、光纤发送板、光纤接收板、高速DAC子板和高速ADC子板；所述主控核心板连接所述核心背板；所述核心背板，分别与所述光纤发送板、所述光纤接收板、所述高速DAC子板和所述高速ADC子板相连接；所述核心控制板，具有与远程控制系统通信连接的网络接口和光纤接口，用于将远程控制系统的电源控制信息通过所述光纤发送板下发至所述粒子加速器电源，并根据所述电源控制信息，产生所述粒子加速器电源充放电操作的触发信号，并通过所述高速DAC子板产生所述粒子加速器电源的预设电压给定信号；所述核心控制板，还通过所述光纤接收板，接收所述粒子加速器电源反馈的状态信息，以及通过所述高速ADC子板采集所述粒子加速器电源的电流信号，并通过所述网络接口反馈给所述远程控制系统；所述核心控制板，还具有与外部定时系统相连接的FMC接口，以接收所述外部定时系统下发的时间信息数据，并基于所述时间信息数据对所述粒子加速器电源进行充放电控制以及状态信息的记录。本申请实现对Kicker电源各个模块的高压充电电源、灯丝及氢压电源、闸流管触发器的全数字化控制，实现对快脉冲输出电流波形的高速采集和动态显示，并利用定时系统的时间信息实现电源的同步定时输出，并记录数据采集和状态变化的准确时间，进一步提升电源的自动化、数字化和智能化管理水平。

请结合本申请的更多附图，在本申请实施例的一个方面中，提供了一种用于粒子加速器电源的数字化监控装置。

如图1所示，本申请的用于粒子加速器电源(Kicker电源)的数字化监控装置由主控核心板、核心背板、光纤发送板、光纤接收板、高速DAC子板、高速ADC子板构成。主控核心板与光纤发送板、光纤接收板、高速DAC子板、高速ADC子板通过核心背板相连接，并从核心背板取电。

其中，主控核心板采用Xilinx Kintex-7 FPGA作为核心处理单元，搭载高速FMC接口、千兆网口、光纤接口、JTAG调试接口以满足Kicker电源控制系统的控制需求，各接口的功能如下：

1)为完成与远程控制系统快速稳定的数据交互，主控核心板通过千兆网口与远程控制系统进行以太网通讯，完成Kicker电源的命令下发以及电源状态数据回传工作。

2)主控核心板通过光纤接口接收并解析远程控制系统下发的32位触发事例码，判断接收到的触发事例码与Kicker电源的工作事例码一致时，检测通过光纤接口输入的高频信号的频率，当检测到符合要求的高频顶点频率时，产生充放电触发信号对Kicker电源进行充放电操作。

3)主控核心板通过高速FMC接口接收白兔定时系统下发的时间信息数据，使Kicker电源控制系统在时间信息系统下进行电源操作和电源状态数据的监测。

4)主控核心板通过JTAG接口完成Kicker电源控制系统开发过程中的代码调试工作。

Kicker电源模块数量多，主控核心板需要产生多路控制信号以完成多模块Kicker电源的控制工作。核心背板负责将主控核心板产生的信号引出到对应的光纤发送板进行信号输出。此外核心背板还负责将光纤接收板采集得到的信号传输给主控核心板进行数据的分析和处理工作。

为了应对Kicker电源间的强电磁干扰，并保障远程通讯的稳定性，光纤发送板通过发送主控核心板产生的光控制信号至模块电源，实现对高压充电电源、闸流管灯丝及氢压电源的远程控制。光纤接收板接收高压充电电源、闸流管灯丝及氢压电源返回至电源控制系统的串行电源状态数据。

在本申请实施例中，高速DAC子板通过板载的16位高速模拟转换器件DAC，完成高压充电电源高精度预设电压的给定工作。

更进一步的，高速ADC子板基于支持JESD204B接口、2.5Gsps高采样率的12位ADC芯片采集Kicker电源的输出波形，为每一个数据增加来自定时系统的时间戳后，将波形数据传递给主控核心板，主控核心板负责接收并上传数据至控制系统做进一步的存储、显示和分析等处理。

在本申请实施例中，为实现远程监控Kicker电源的运行状态，制定了自定义的Kicker电源控制系统网络通讯协议、Kicker电源控制系统与高压充电电源的通讯协议、Kicker电源控制系统与灯丝电源及氢压电源的通讯协议。

远程控制系统基于UDP的网络数据传输协议与Kicker电源控制系统进行数据交互，UDP协议中的用户层数据使用自定义的数据格式，如表1所示，网络协议每一帧由八部分组成，每部分代表的具体含义如表2所示，通过ADR来区分不同的模块，通过设备标识码CID1来区分高压充电电源、灯丝电源和氢压电源，通过定义不同的命令码CID2来实现对电源的开机、关机、复位、使能操作开关、远控开关、单次触发、多次触发开关、电流给定、事例给定、高频频率信号给定、电压给定、充放电触发信号参数设置和输出状态回读等功能。

表1

表2

Kicker电源控制系统通过基于光纤的用户自定义串行协议与高压充电电源、灯丝及氢压电源进行数据交互，协议帧格式如表3所示，每帧数据由六部分组成，每部分代表的含义如表4所示。通过设备标识码CID1来区分高压充电电源、灯丝电源和氢压电源，通过定义不同的命令码CID2来实现对电源的开机、关机、复位、使能操作开关、远控开关、单次触发、多次触发开关、电流给定、事例给定、高频频率信号给定、电压给定、充放电触发信号参数设置和输出状态回读等功能。

表3

表4

图2为Kicker电源控制系统软件功能模块框图，所有模块均基于纯硬件描述语言verilog进行开发，模块的功能和数据处理流程见下文描述。

A1、时间处理模块接收来自白兔定时系统的时间信息，将其作为控制系统的标准时间，在采集数据、状态数据等后面添加该时间。

A2、网络数据接收与发送模块通过千兆网口接收来自远程控制系统的命令和数据，经网络数据解析模块对命令数据进行解析和校验，对获取的有效命令及数据进行如A3的处理，同时会按照网络通讯协议的格式形成响应报文并回传给远程控制系统，完成一收一发的任务。

A3、高速采集模块根据图3的工作流程采集电源负载输出波形。首先完成前端电压衰减倍数、采样时钟频率、数字可控增益放大倍数的ADC前端参数的配置，随后FPGA与ADC之间建立JESD204B传输链路，链路建立完成后，利用FPGA的JESD204 IP核接收ADC的采样数据。IP核输出的数据为多个采样数据混合交织而成，需对采样数据进行解映射。为了获取高速负载输出波形的有效段，高速采集模块利用放电信号作为触发信号，根据需求设置好波形数据的存储长度，当放电信号到来之后，将负载输出波形的有效段数据缓存至BRAM中，随后网络数据解析模块读取BRAM中的波形数据，网络数据接收与发送模块完成波形数据回传工作。

A4、远程控制系统下发的命令和数据经过网络数据解析之后，根据ADR、CID1、CID2和INFO的具体内容对目标对象分类进行操作。

B1、若目标是高压充电电源，则将命令和数据传递给高压充电电源数据解析模块进行处理。处理大致分为两类，将预设电压给定值发送给高精度DAC电压给定模块，该模块根据DAC工作时序控制其将数字电压给定值转换为模拟量，并通过BNC接口与高压充电电源对接。将其余开机、关机、复位、使能操作开关、远控开关、单次触发、多次触发开关等命令传递给高压充电电源光纤串行通讯模块，将命令按照协议格式打包后通过光纤发送至高压充电电源去执行。

B2、若目标是灯丝及氢压电源，则将所有命令和数据传递给灯丝及氢压电源数据解析模块进行解析后，再传递给灯丝及氢压电源光纤串行通讯模块按照协议格式进行打包，最后通过光纤发送至灯丝及氢压电源去执行。

B3、若目标是设置充放电参数，则将解析获取的充放电关键参数(包扩充电脉冲的脉宽，充电信号与放电信号的延时，放电信号的脉宽，放电信号的精密延时值，以及充放电信号的周期)发送给充放电时序控制模块。在充电、放电使能信号有效的情况下，充放电时序控制模块根据参数产生符合严格时序要求的的充放电触发脉冲，通过多路光纤分别接入六个模块的高压充电电源和闸流管开关，触发充放电动作以产生需要的电流值。

B4、若目标是设置触发事例码，网络数据解析模块将解析得到的32bit位宽的触发事例码发送给事例码检测模块。事例码检测模块接收并检测外部光纤输入的触发事例码，当外部输入的触发事例码与控制系统下发的32bit位宽的触发事例码一致时，产生一个充电使能信号，触发充放电时序控制模块生成符合要求的充电触发信号。充电触发信号通过光纤传输至高压充电电源，控制高压电源进行输出，从而完成Kicker电源的充电动作。

B5、若目标是设置放电频率值，网络数据解析模块将解析得到的32bit位宽的放电频率值发送给频率监测模块。频率检测模块接收并检测外部光纤输入的高频方波信号，使用直接测频法计算高频扫频信号的频率。当检测到的高频方波频率值与控制系统下发的放电频率值一致时，根据控制系统下发的充放电参数，产生一个放电使能信号，并以该信号的上升沿作为延时基准，输出六路脉宽、延时、周期可调的放电触发信号，放电触发信号通过光纤传输至闸流管开关，使得闸流管开关打开，从而完成Kicker电源的放电动作。

B6、若目标是设置预设输出时间，网络数据解析模块将解析得到的64bit位宽的预设输出时间值发送给定时输出模块。定时输出模块接收定时系统的时间作为当前时间，根据预设输出时间值计算并定时产生充电和放电使能信号，两个信号触发充放电时序控制模块生成符合要求的充电和放电触发信号。

B7、若目标是查询电源的运行状态，分以下三种情况进行处理。

C1、有关高压充电电源的运行状态，光纤串口通讯模块通过串口光纤接收高压充电电源返回的电源状态数据，高压充电电源数据解析模块根据自定义的Kicker电源控制系统与高压充电电源的通讯协议，解析高压充电电源返回的状态数据，并将解析得到的高压充电电源的输出电压值、输出电流值、预设电压值、预设频率值、预设脉宽值、电源自身状态值发送给网络数据解析模块，网络数据解析模块根据自定义的网络通讯协议进行数据重组。重组好的高压充电电源状态数据通过网络数据接收与发送模块，基于UDP以太网通讯协议、千兆网口回传给远程控制系统。

C2、有关灯丝及氢压电源的运行状态，灯丝及氢压电源光纤串口通讯模块通过串口光纤接收灯丝及氢压电源返回的电源状态数据，灯丝及氢压电源数据解析模块根据自定义的Kicker电源控制系统与灯丝及氢压电源的通讯协议，解析灯丝及氢压电源返回的状态数据，并将解析得到的灯丝及氢压电源的输出电压值、输出电流值、电源自身状态值发送给网络数据解析模块，网络数据解析模块根据自定义的网络通讯协议进行数据重组。重组好的灯丝及氢压电源数据通过网络数据接收与发送模块，基于UDP以太网通讯协议、千兆网口回传给远程控制系统。

C3、有关电源的输出电流波形数据，高速ADC采集模块利用高速ADC对输入的负载输出波形进行采集量化，按照特定的格式组成数据帧并通过JESD204B接口发送到FPGA上。FPGA对混合数据进行解映射，并基于白兔定时系统给数据打上时间戳，并将处理好的输出波形数据存储至BRAM中。随后网络数据解析模块读取BRAM中的数据，并根据自定义的网络通讯协议进行数据重组。重组好的负载输出电流波形数据通过网络数据接收与发送模块，基于UDP以太网通讯协议、千兆网口回传给远程控制系统。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)实现了对高压充电电源、闸流管及辅助灯丝及氢压电源的全数字化控制和全方位监控，调试人员可远程操作粒子加速器电源，并实时获取电源的运行状态，电源调试更加方便，故障排除更加快捷有效，提高了调试和运维的工作效率。

(2)实现了对输出电流波形的高速数字化采集，无需借用示波器便可全面精确监控电源的输出波形，且能够知悉输出波形的上升时间、平顶宽度、下降时间等关键信息，实时了解到电源的运行状态，并依据采集到的输出波形数据建立数据库。

(3)可接收定时系统的时间信息，用于实现电流的定时输出，也可作为高速采集数据和状态变化量的准确时间。数据具备时间信息后，不仅可以减小数据实时上传的压力，也可以通过时间来分割数据，提高后期数据库数据检索、挖掘和分析的工作效率。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的实施例仅仅是示意性的。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，服务器，或者网络装置等)或处理器(Processor)执行本发明各个实施例上述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上上述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。