ICRH远程调配系统前端控制器的毕业设计论文.doc

1 目 录 中文 摘要 3 英文摘要. .4 1 离子回旋共振加热（icrh)简介 6 1.1 icrh 系统组成与原理 6 1.1.1 高频发射机 6 1.1.2 射频传输和阻抗匹配系统 7 1.1.3 icrh 天线 7 1.2 icrh 系统控制要求 .8 1.2.1 icrh 电容调配系统的特点 8 1.2.2 系统的控制要求 8 1.2.3 本课题的主要工作 .9 2 icrh 前端控制器电路设计 .10 2.1 中央处理器电路 10 2.1.1 控制结构 .10 2.1.2 芯片选择 .11 2.1.3 电路功能与结构分析 .12 2.2 伺服驱动器的控制逻辑 13 2.2.1 驱动器输入输出信号端子 .13 2.2.2 电机运行驱动控制逻辑 .13 2.3 cpld 内部逻辑的实现 14 2.4 伺服驱动器接口电路 16 2.5 编码器信号的返回与处理 17 2.6 状态信号的返回与处理 .18 2.7 控制单元的电压设计 19 3 前端控制器固件设计 .20 3.1 通信协议的定义 20 3.2 固件设计 23 3.3 脉冲命令的执行处理 .25 3.4 停转命令的执行处理 27 3.5 电容校准命令处理 27 4 实验测试及结果 .29 4.1 icrh 系统操作界面 29 4.2 测试内容与测试方法 30 4.3 测试结果及结果分析 32 2 结束语 .34 参考文献 .35 附录 1 单片机程序 36 附录 2 cpld 程序 .50 附录 3 电路图及 pcb 版图 .53 3 icrh 远程天线调配系统前端控制器的设计 摘要：icrh 天线调配系统的工作环境和工作要求对电容调配控制系统的设计 与实现提出了很高的要求，因此，构建一个可靠的、精准的、易操控控 制系统是非常重要的。本课题要设计的前端控制器是 icrh 天线远程电 容调配系统的一个关键控制模块。前端控制器直接接收远程控制终端的 控制命令，按命令执行规定的操作，并检测执行结果和当前状态返回给 远程控制终端。 本文在充分分析了 icrh 系统工作原理和控制要求的基础上，对前端控 制器的功能需求进行了深刻分析，完成了前端控制器的硬件电路和固件 设计、调试工作和实验测试工作，给出了测试结果，并对测试结果进行 了分析。电路设计时充分考虑了特定的工作环境、功能需求以及可扩展 性，采用 cpu+cpld 的控制结构。cpu 主要用于通信控制、数据处理 以及伺服系统工作状态配置，cpld 则用于实现电机运行的控制逻辑并 对返回信号进行处理，二者之间采用总线交换数据。cpu 和 cpld 等 主要芯片选用工业级芯片，对输入输出采用严格的隔离、退耦和电磁屏 蔽措施，保证电路的可靠性。固件设计时充分考虑了可能出现的精确定 位、电容安全、误差消除以及可靠性等关键问题。固件中自定义了 rs485 应用层协议，其特点是精简、多种差错控制，从而保障了执行效 率和通信的可靠性。为了进一步保证控制精度，在固件设计时对发出的 脉冲指令和实际返回编码器指令进行实时监视，并对偏差自动校正，另 外协议设置了校准命令可以消除误差积累。实验测试着重对控制器的可 靠性、响应速度、误差校准以及定位精度进行了反复实验和分析，结论 是达到了预期的设计要求。 关键词：icrh 天线远程调配系统，电容调配，前端控制器，硬件，固件 4 abstract: the icrh antenna mixed systems work conditions and requirement set high request to the design and realization of remote control system of vacuum tuning capacitor, therefore, constructing one reliably, accurate control system easy to control is very important. the front controller designed in this topic is a key control module of the icrh antenna long- distance electric capacity system, which receives control command directly from the remote control terminal, executives commands according to the order, examines the result, returns the result and the current condition to the remote control terminal. on the basees of analyzing the work principle and control request of the icrh system, this article has carried profound analysis on the front controllers function and demand, and completed the hardware circuit and firmware design, the debugging work and test-work of the front controller. the article also has given the test result, and carried on analysis to it. think of the specific working conditions, the function demand as well as the extendibility, the article uses the control structure of cpu+cpld. cpu mainly be used in corresponding control, data processing as well as server active status disposition, cpld is used in realizing the control logic of the electrical machine and processing tthe inverse signal, between the two uses the main line to exchange data. cpu and cpld and other main chips select the technical chips, which use strict isolation, decoupling and electromagnetic screen to guarantee circuits reliability in input and output. it had considered fully on key questions in the firmware design which possibly appear such as pinpointing, electric capacity security, error cancelling as well as reliable and so on. it defines agreement on the rs485 application layer in firmware, whose character is simplification, many kinds of error controls, thus guarantees the efficiency and the correspondence reliability. to further guarantee the control precision，there are real-time examination to pulse instruction and actual bridging orders, automatic correction to deviation. the agreement established calibration order to eliminate the accumulation error. the 5 experiment tested emphatically the controllers reliability, the speed of response, the erroneous calibration as well as the pointing accuracy, the conclusion has achieved the anticipated design requirements. keyword: the icrh antenna long-distance mixed system, the electric capacity mixes, front controller, hardware, firmware 6 1 离子回旋共振加热（icrh)简介 1.1 icrh 系统组成与原理 离子回旋共振加热(ion cyclotron resonance heating，简称 icrh)是等 离子体加热的方法之一。它采用的是处于离子回旋频段的电磁波（频率为 10mhz-200mhz）对等离子体进行辐射，使等离子体的温度升高至发生核聚变反 应所需的温度。整个离子回旋共振加热系统主要由高频发射机、射频传输和阻 抗匹配系统、天线三个主要部分组成。由于离子回旋加热所使用的射频波处于 10200mhz 范围，与此相关的技术比较成熟，可以比较容易地获得高功率的射 频源，系统的造价也相对较低，并且此种加热方式可获得较好的加热效果。离 子回旋共振加热的加热功率主要是被共振离子所吸收，通过控制纵场的大小或 选择适当的快波加热效率，使共振吸收在等离子体中心区域附近，这样，可以 将快波加热能量有效的耦合到等离子体中心区域。理论分析及实验结果表明， 采用少数离子加热时，适当地控制少数离子的浓度，可以进一步改善加热效果。 1.1.1 高频发射机 ht-7 装置 icrh 系统可输出 300 千瓦的 rf 功率，可在连续波或脉冲波两种 模式下工作，主要用于对托卡马克等离子体进行射频加热实验和壁处理。在 east 超导托卡马克实验装置中，新系统具有 1.5 兆瓦的射频输出能力，脉冲宽 度大于 1000 秒。 1.1.2 射频传输和阻抗匹配系统 射频传输系统负责将发射机产生的高频电磁波传输至加热天线。传输线采 用同轴线，其特性阻抗为 50 欧姆。由于波在传输过程中会不可避免地发生反射， 而阻抗匹配是使微波电路或系统无反射、载行波尽量接近行波状态的技术措施， 所以它是微波电路和系统（包括天线）设计时必须考虑的重要问题之一，其重 要性主要体现在以下几个方面： 7 1. 阻抗匹配时天线负载吸收的功率最大，从而发射机的输出功率通过天 线负载能有效地耦合到等离子体中，且此时馈线中的功率损耗最小； 2. 阻抗失配时传输大功率容易导致击穿； 3. 阻抗失配时的反射波会对信号源产生频率牵引作用，使信号源工作不 稳定，甚至不能正常工作。 基于上述原因，在传输系统中，必须辅以阻抗匹配系统才可以尽可能的把 波由发射机传输至天线辐射给等离子体。east 装置中有两套不同的阻抗调配系 统，一套是紧贴天线的真空调配电容系统，另一套是原 ht-7 装置中使用的支节 调配器，它是三根终端短路或开路的传输线段,在可变电容调节天线输入阻抗匹 配不理想时，辅助匹配。 east-icrh 射频传输和阻抗匹配系统大体如图 1.1 所示： 图 1.1 east-icrh 射频传输和阻抗匹配系统 1.1.3 icrh 天线 icrh 天线是射频功率传输系统中与等离子体直接耦合的器件，可看作终端 短路的 tem 传输线。east 装置中使用的天线是一种新型 icrh 天线，在它与馈 线之间装有真空调配电容，以调节天线的输入阻抗与馈线阻抗匹配，提高天线 的辐射能力。对离子回旋共振加热系统天线真空调配电容的调节，是实现阻抗 匹配的一个比较快速、高效的办法。 1.2 icrh 系统控制要求 定向耦合器 电压探针 可变电容 相移器支节调配器 8 1.2.1 icrh 电容调配系统的特点 在 icrh 系统中，高频发射机的输出阻抗为 50 欧姆，而天线的输入阻抗是 未知的，它随等离子体和放电参数的变化而变化。一般情况下，在放电期间阻 抗实部的值通常在 0.52 欧姆的范围内变化。为了实现传输线阻抗与天线负载 阻抗的匹配，在天线与高频发射机之间必须接入可调的阻抗匹配装置。 新型天线的真空调配电容共有 4 个，在调配过程中每个电容在调阻抗匹配 时是独立工作的，所以需要四套控制设备分别进行控制，控制系统中的通信采 用点对多的通信方式。 天线电容调配靠近 east 装置，工作环境恶劣，工作控制室与被控对象距离 大于 200 米以上，适宜采用远程控制方式。 考虑到系统天线台需要移动、同轴开关需要换向、支节匹配器的控制以及 被控对象的备用等因素，系统要具备扩展能力。 由于真空调节电容是非线性多圈平板电容，厂家只给出了几个有限点的参 考值，其它点的电容值需要拟合得到，它的非线性也需要通过控制系统进行校 正。 在进行实验研究时，等离子体放电时间在几秒至几百秒之间，天线调配希 望在尽可能短的时间内完成，这就需要控制系统有足够快的相应速度。 1.2.2 系统的控制要求 综合 icrh 阻抗调配系统的特点以及调配电容本身的特性，同时考虑到系 统的扩展性，针对实际情况提出以下控制要求： 1要有较高的定位精度，就是电机转动是严格按照上位机的指令进行的。 比如说：当电容从 54.3pf 调到 70.3pf 的时候，需要转动的圈数是 5 圈，对应 2500 个脉冲，那么这时，就要求电机能完全执行 2500 个脉冲，即不能多转也 不能少转；同时转动方向也能保持绝对准确，这就是精确定位。 2要有较快的动态响应，在本系统中，主要是看系统的响应时间符不符合 放电的要求。针对放电要求，系统的响应时间不能太长，但又要确保控制命令 以及反馈数据被正确的发送和接收，这是远程控制功能稳定准确实现的又一关 9 键所在。系统响应时间定义：在发出脉冲指令后到定位完成的平均时间，响应 时间应不大于 100ms。 3电容安全：电容可在 15pf 与 150pf 之间进行调整，若电容的调节超过 这个范围，这必然会导致电容被损坏。当电容的可动部分（螺杆）转到头（15 或 150pf）的时候，电机是应能及时停止转动的，这样电容才不会被损坏。所 以要保证在这样的情况下电机能及时停转。 4本系统将运行于 east 装置，系统的可靠性和抗干扰能力十分重要。要 对强磁场进行屏蔽以保障电机工作正常，也要隔离可能存在的高压干扰信号。 同时，要确保实验人员和上位工控机的安全，使系统具有很好的可操作性。 另外，随着 east 试验的进行，天线电容调配系统也需要不断的进行改进， 所以本系统需要有较好的扩展性，可以根据新的需要加入新的功能。 1.2.3 本课题的主要工作 本课题要设计的前端控制器是 icrh 调配系统中的控制部分，主要功能是 通过远程控制方式控制电机转动，进而用电机驱动真空电容达到天线阻抗匹配 调节。具体工作包括控制器控制方案设计、电路设计、程序编写、实验调试， 给出实验测试结果。主要设计内容包括控制器硬件电路设计和控制器固件设计， 电路设计拟采用 protel99s 电路设计工具，软件采用 c51 编写，另需要 c8051f 系列单片机调试与编程工具。 10 2 icrh 前端控制器电路设计 前端控制器是整个控制系统中一个智能控制电路模块，负责接收远端控制 终端的控制命令，按照控制命令控制伺服电机运行，带动电容外部螺杆旋转， 实现调配电容的准确定位，并将执行结果和控制器当前的执行状态返回给控制 终端。前端控制器的设计内容包括控制结构、中央处理器电路、伺服系统控制 逻辑以及接口电路等若干部分。 2.1 中央处理器电路 2.1.1 控制结构 中央处理器负责与控制终端通信，接受控制终端发送的命令数据并对命令 数据进行解析处理，转换为脉冲数和方向发送给电机驱动器，同时把电机情况 反馈给控制终端。控制终端为一台工控 pc 机，它负责根据操作人员的意愿生 成控制指令，向前端控制器发送控制命令，接收处理返回信息，实现有用数据 更新与保存。在实际工作中，离子回旋系统的控制室和真空调配电容间的距离 超过 200 米，根据实际情况需要采用远程控制。由于 rs485 接口适合较远距离 通信，传输线采用差动接收和平衡发送的方式传送数据，有较高的通信速率 （波特率可高达 10mb 以上）和较强的抑制共模干扰能力，通信可靠，同时它 还是一种总线通信协议，总线上可以挂接多个通信终端，便于扩展。综合 rs485 接口的上述特点，中央处理器与远程控制终端的通信采用 rs485 通信接 口 1。 icrh 系统中采用的调配电容是多圈平板电容，调配时要求用电机驱动， 因此要实现电机转动严格按照上位机的指令进行，即准确定位，还要使电容能 在某一范围内平滑可调且保证电容安全使用，并能消除电容调节系统长时间工 作后形成的累积误差，同时保证设备不受强磁场的干扰。根据系统要求，中央 处理器拟采用工业级微控制器+cpld 的方式来实现，其中单片机主要实现与控 11 制终端的通信控制、命令解析、数据处理与指令分配，电容调节指令经过相应 的处理发送给 cpld ，由 cpld 完成电机脉冲的进给和方向控制，达到调节天 线输入阻抗的有效调节，同时对编码器返回信号进行处理。 2.1.2 芯片选择 c8051f 系列单片机除具有一般单片机的共同特点外，它与 80c51 系列单 片机的主要相同点是其内核与 8051 基本相同，指令系统完全兼容。此外，还具 有许多显著的优点和特点，具体如下： 1 i/o 端口功能采用软件配置实现 多数单片机的 i/o 端口都是某个单功能或多功能的固定输入输出引脚，而 在 c8051fxxx 单片机中，虽然 i/o 的通用基本输入输出特性与标准 8051 是兼容 的，但 i/o 端口的其他特殊功能是由软件配置实现的，这样极大地提高了端口 设置的灵活性。 2. 时钟系统更加完善 早期的单片机都是采用一个时钟控制时序，而 c8051fxxx 采用了一个更加完善 和先进的时钟系统，可以采用多种时钟源。mcu 内部有一个独立工作的时钟发 生器，在复位后被默认为系统时钟，其时钟震荡频率是可编程的；还可同时选 择外部时钟震荡器。如有需要，可以实现时钟的内外切换。 3可实现通过 jtag 接口的在系统调试 jtag 接口对外有 4 个引脚，分别是 tms、tck、tdi 和 tdo。它使 8 位单片 机传统的仿真调试产生质的变化，在 pc 机软件支持下，通过片内 jtag 接口可 直接对安装在最终应用系统上的产品 mcu 进行非侵入士、实时在系统仿真调试。 4. 有多种复位方式 迄今为止，80c51 系列单片机通常只有通过 rst 引脚进行复位这样一种复位方 法，而 c8051f 提高了多达 7 个复位源：一个片内 vdd 监视器、一个看门狗定时 器、一个时钟失效检测器、一个由比较器 0 提供的电压检测器、一个软件强制 复位、cnvstr 引脚及/rst 引脚。除了 vdd 监视器和复位输入引脚以外，每个复 位均可以用软件禁止。 此外,c8051fxxx 单片机还有指令运行速度高、降低系统功耗等优点。基于 12 c8051fxxx 的上述特点，本设计中的工业级微控制器采用 c8051f022。c8051f022 以 8051 内核为核心，通过 sfr 总线、外部数据存储器 总线、系统时钟线、复位线等与 64kb 闪存、4kb xram、数字功能模块、模拟功 能模块、片上时钟系统和 jtag 逻辑电路等相连。这是一个完整的单片机片上系 统，可以用它作为一个闭环测量控制系统 2。 cpld 模块采用 xc95144xl 系列 cpld。该系列 cpld 具有 3.3v 先进 isp，144 个宏单元，先进高速 i/o 标准，100 个 pintqfp 封装，81 个可用 i/o 口，足以满足一般的开发实验的需要。 另外， c8051f 和 xc95144xl 都是 工业级芯片，具有很好的抗干扰能力和稳定性，适用于 east 装置的强磁场环 境。 2.1.3 电路功能与结构分析 前端控制器接收控制终端指令直接控制、驱动电机运行。它主要包括 rs232-485 转换器、 c8051f 系列单片机、xc95144xl 系列 cpld、数字光耦这 些器件。rs232-485 转换器实现上位机和控制器间的通信协议的转换，把普通 串口转换成 rs-485 总线接口； 单片机接收控制终端命令，经过解析处理后将执 行参数传给 cpld，由 cpld 控制发送的脉冲数和方向给伺服驱动器,同时接收 cpld 的反馈数据传送给控制终端；cpld 主要就是发送脉冲和转动方向,并对编 码器的反馈信号进行计数，将计数值发送给单片机；数字光耦用于电平转换和 提高控制器抗干扰能力。 由电路功能并结合调配系统的控制要求，控制模块电路结构如图 2.1 示 图 2.1 控制模块电路结构图 控制模块 驱动电路 c8051f 系列 单片机 xc95144xl cpld rs485 口 驱动电路 安川伺服电机驱动器 控制命令接口 反馈信号接口 控 制 命 令 数 据 包 13 图 2.1 控制模块的电路结构图 2.2 伺服驱动器的控制逻辑 2.2.1 驱动器输入输出信号端子 本系统选用安川伺服系统，安川伺服电机驱动器与控制器的接口信号分两 组，输入和输出信号端子分别与控制器的控制命令接口和反馈信号接口相连， 用到驱动器的输入输出端子的意义及其功能分别如表 2.1 和表 2.2 所示 3： 表2.1 驱动器输入信号端子的意义及其功能 端子号 标识 功能 端子号 标识 功能 40 /s-on 伺服 on 输入 41 p-con p 动作输入 43 n-ot 反转侧超程输入 42 p-ot 正转侧超程输入 46 /n-cl 反转侧电流限制 on 输入 45 /p-cl 正转侧电流限制 on 输入 7 puls 指令脉冲输入 8 /puls 指令脉冲输入 11 sign 指令符号输入 12 /sign 指令符号输入 15 clr 清除输入 14 /clr 清除输入 44 /alm-rst 警报清除输入 47 +24v- in 外部输入电源 表 2.2 驱动器输出信号端子的意义及其功能 端子号 标识 功能 端子号 标识 功能 33 pao pg 分频输出 a 相 34 /pao pg 分频输出 a 相 35 pbo pg 分频输出 b 相 36 /pbo pg 分频输出 b 相 19 pco pg 分频输出 c 相 20 /pco pg 分频输出 c 相 25 /coin+ 定位完成输出 26 /coin- 定位完成输出 29 /s-rdy+ 伺服准备就绪输出 30 /s- rdy- 伺服准备就绪输出 31 alm+ 伺服警报输出 32 alm- 伺服警报输出 37 alo1 警报编码输出 38 alo2 警报编码输出 39 alo3 警报编码输出 2.2.2 电机运行驱动控制逻辑 电机运行驱动控制逻辑如图 2.2，接口信号包括 2 组：与处理器的总线接口， 14 控制 器总 线接 口 方向和暂 停控制 脉冲指令 寄存器 数据比较 器 脉冲 产生 电路 编码器计数器 实际发 出脉冲 计数器 方向 向 脉冲 所有控制指令、返回数据、信号通过此端口，返回给处理器。另一组为与伺服 驱动器的接口信号，主要的有方向信号，方向限制信号，伺服器使能、脉冲信 号、编码器返回信号等。控制器通过总线端口写入方向、启停、脉冲指令到方 向、脉冲指令寄存器，方向信号直接给伺服电机，当启停标志有效且脉冲指令 寄存器内容不为零时，分频器启动工作产生驱动电机运转的脉冲，脉冲一路送 给伺服驱动器，另一路返回给计数器，对实际发出的脉冲计数，正常工作时当 实际脉冲计数等于脉冲指令寄存器时由比较器产生控制信号清除，脉冲指令寄 存器封锁脉冲产生电路，同时报告给控制器。 当正在发送脉冲的过程中接收到控制器停止指令时，停止标志失效，此时 脉冲产生电路不工作，停止产生脉冲输出，同时控制器从实际脉冲计数器中读 回发出的实际脉冲数，与原定脉冲数相减，即得到剩余脉冲数，返回给控制终 端作为更新当前电容值的根据。 图 2.2 电机运行驱动控制逻辑图 2.3 cpld 内部逻辑的实现 cpld 主要用以接收单片机的脉冲数及转动方向的命令，然后再将命令执 行，产生脉冲、转动方向以及速度信号发送给电机驱动，从而驱动电机工作， 同时采集电机驱动器中的编码器反馈信号。 伺 服 驱 动 器 15 电机的转动速度是 cpld 脉冲频率给定的 4，cpld 中的脉冲产生电路， 包括一个分频器，改变分频系数，可以改变脉冲频率。当语句为“plusout =0x10) b1 =b1 +1; recibuf15 = recibuf15 - 0x10; else if(recibuf15 =0x10) b3 =b3 +1; recibuf14 = recibuf14 - 0x10; else if(recibuf148); delay(50); else goto recheck; break; default: break; switch(recibuf4) case 0x00: p_0tc = 1; /禁止正转驱动 n_otc = 1; /使能反转驱动 break; case 0x01: p_0tc = 1; /使能正转驱动 42 n_otc = 1; /禁止反转驱动 break; default: break; switch(recibuf3) case 0x03: /三个字节数据,脉冲数 19 temp =recibuf6+1; lbyte = temp; hbyte = (unsigned char)(temp8); delay(50); break; case 0x04: /四字节数据,脉冲数 1099 temp =recibuf6*10+recibuf7+1; lbyte = temp; hbyte = (unsigned char)(temp8); delay(50); break; case 0x05: /五个字节数据,脉冲数 100999 temp =recibuf6*100+recibuf7*10+recibuf8+1; lbyte = temp; hbyte = (unsigned char)(temp8); delay(50); break; case 0x06: /六个字节数据 ,脉冲数 10009999 43 temp =recibuf6*1000+recibuf7*100+recibuf8*10+recibuf9+1; lbyte = temp; hbyte = (unsigned char)(temp8); delay(50); break; case 0x07: /七个字节数据 ,脉冲数 1000099999 temp =recibuf6*10000+recibuf7*1000