分布式粒子探测器集群高压电源系统设计

雷瑞庭, 胡 胜, 李 君, 余炽业

(东莞理工学院 a. 电子工程学院； b. 计算机学院, 广东, 东莞 523808)

分布式粒子探测器集群高压电源系统设计

雷瑞庭a, 胡 胜a, 李 君b, 余炽业a

(东莞理工学院 a. 电子工程学院； b. 计算机学院, 广东, 东莞 523808)

设计了一种分布式粒子探测器集群高压电源系统，阐述了系统总体构架，重点介绍高压电源控制柜的设计方案。分析了多个模块设计的关键技术环节。该系统基于Nios II和ARM双核控制，设计了AC/DC 变换器、高压电源阵列、CAN 路由器、触摸屏及集群电源主控制器等模块，实验结果表明，本系统具有功率因数高、精度高、纹波小、实时性好、设备的兼容性和抗干扰能力强等优点。

集群电源主控制器; 分布式； 粒子探测器； 控制器局域网络; 调理电路

0 引 言

在粒子物理和核物理科学领域中，粒子探测器是关键的部件，是探测信息的源头[1]。粒子探测器要求电源具有高电压、低电流、稳定、故障率低的特点。粒子探测器工作时一般都需要高压电源，而电源的性能监测至关重要。为保证数据探测的准确性，每个点对电源不但有监控功能，而且各个探测点电源工作状况以及与时间的对应都要准确[2-3]。研究分布式、网络化的集群电源及监控系统至关重要，也势在必行。因此本文设计了一种分布式粒子探测器集群高压电源系统，它集电力电子技术、嵌入式系统、计算机通信技术、网络技术、分布式参数测量与控制等技术于一体，将提高区域和国家科技创新能力。

1 分布式离子探测器集群高压电源系统分布式总体架构

分布式离子探测器集群高压电源系统总体架构，由数据中心服务器、高压电源控制柜经TCP/IP网络互联构成，如图1所示，高压电源控制柜接收GPS时间源，供数据采集时间同步。每个高压电源控制柜可以提供768路高压输出，供PMT阵列工作。高压电源控制柜通过TCP/IP网络接收来自数据中心服务器的指令，实时传送每路高压输出监控信息。

2 高压电源控制柜

高压电源控制柜由AC/DC变换器、集群电源主控制器、CAN路由器和16个高压电源阵列组成，如图2所示。AC/DC变换器将AC380V三相电源变换为48V直流电源，构成系统供电的母线电压，系统内所有电源均由母线提供或经母线电压变换后提供。每个高压电源阵列输出48路高压，供PMT工作，实时采集每个高压单元工作状态，具有CAN通信接口，能够与集群电源主控制器通信，接收集群电源主控器的指令，实时传送高压输出监控信息。CAN路由器将16个高压电源阵列的CAN通信串行数据转换为并行数据与集群电源主控器通信，有效提高CAN通信速率和通信节点数。集群电源主控器是高压电源控制柜的控制核心，接收GPS时间源，供数据采集时间同步；具有TCP/IP接口，通过TCP/IP网络接收来自数据中心服务器的指令，实时向数据中心服务器传送每路高压输出监控信息；通过CAN路由器控制每路高压单元输出、采集每路高压单元状态；通过CAN总线采集AC/DC变换器状态；实时存储采集数据。

2.1 AC/DC 变换器

AC/DC变换器为整个设备的电子系统供电，同时也作为高压源驱动电源和散热风扇的动力电源[4-5]。整个系统提供768路高压源，每路高压输出3 kV/1 mA功率，高压部分功率需求将达到2 304 W；由于高压部分由两级DC/DC变换构成，假设两级的变换效率为90%，其总体效率约为81%，因此，AC/DC变换器的输出功率应在2 844 W以上；同时考虑其他电子系统消耗、散热风扇消耗，以及系统可靠性的冗余，AC/DC 变换器按6 kW设计。AC/DC变换器，采用N+1模块冗余并联组合方式供电，即如果N个模块的输出电流能满足供电需要，则采用N+1模块平均分配，因此，可提高系统运行可靠性。每个整流器单元具有CAN总线通信功能，用于实现整流模块之间的均流和上位机之间的通信[6-8]。48V AC/DC 变换器框图如图3所示。

整流模块分为两个部分。前级由三相三线交流输入，输入经过输入保护、经过三相IGBT高频整流进行有源功率因数校正(PFC)，转换成直流电。后级将直流电再经过LLC谐振变换器把整流好的直流电转换成高频脉冲，然后高频脉冲再通过高频桥式整流平滑滤波后通过输出保护得到所需的48V直流电源。AC/DC与DC/DC两部分内部用RS-485实时通信，模块输出端用CAN总线实现整流模块之间的均流和上位机之间的通信。

2.2 高压电源阵列

高压电源阵列由管理单元、48路+2路高压单元、开关矩阵单元三部分组成,如图4所示。

(1) 管理单元完成以下功能：采集高压电源阵列温度；存储每一路高压单元ID信息；高压电源阵列接入检测和开关矩阵协同完成高压输出自动投切功能；具有CAN总线接口，接收来自集群电源主控器指令,上传采集及控制数据。温度传感器采用MAXIM公司DS18B20数字温度传感器，仅需一条接口线就可实现多点温度测量；在使用中不需要任何外围元件。

(2) 管理单元控制48路高压单元的投切，其指令来源于集群电源主控器；当48路高压单元任一路有故障时，备用的高压单元投入工作，提高电源系统的可靠性。

(3) 高压单元由DC/DC变换器、微控制器、ADC、DAC、高压模块等部分组成(见图5)，具有CAN总线接口，接收来自集群电源主控器指令，上传采集数据。DC/DC 变换器将48V母线电压变换为高压模块适合的输入电压，同时具有隔离作用，任何一路高压单元从电气上互相隔离。高压模块输出电压、电流经调理电路放大后，传送给ADC，微控制器从ADC上采集高压模块输出电压、电流数字化后的信息。高压模块的输出电压高低由DAC控制。

在输出电压的控制上，本系统充分利用了输出参数数字化功能，对输出电压进行双闭环数字化输出控制。其内环控制由高压模块内硬件完成，基准由DAC产生。外环控制如图6所示，由高压单元的MCU完成，控制算法采用经典数字PID算法，根据输出电压与设定间的差异，改变DAC输出，从而进一步控制高压模块。外环数字化控制可进一步降低参数离散、温度漂移、负载波动等对输出电压的影响。

电压、电流采样的调理电路结构图如图7所示，增益调节由增益芯片AD624和DAC7512组成。DAC转换器选用DAC7512，它是TI公司生产的具有内置缓冲放大器的12 bit D/A转换器。通过FPGA实现ADC控制模块。

FPGA控制模块控制模数转换芯片的启动与转换，FPGA的特点适合处理多路并行数据，系统利用状态机设计了A/D采样控制模块。它根据AD的转换时序图，发现相应的时序控制信号，使AD完成各种操作。

A/D转换初始化端口函数initpio( )。

Void initpio( )

{IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(ADC_PIO_BASE,ADC_CON&(～DATA));

}

unsigned char ADC(void)

{unsigned char i;

unsigned char adcdata=0;

PIOCLR(CLK); //初始化CLK =0

PIOCLR(nCS); //初始化nCS=0

for(i=0;i<8;i++)

{ PIOSET(CLK);

……

PIOCLR(CLK);

}

2.3 CAN 路由器

高压电源控制柜中AC/DC变换器、16个高压电源阵列通过CAN总线与集群电源主控器通信，系统中CAN设备节点包括768路高压单元、32路备份高压单元、AC/DC交换器，共801个CAN设备节点。系统中需要17路CAN控制器。为了避免各路CAN总线通信干扰，需要对CAN通信接口进行隔离，隔离方案用ADI公司的CAN隔离专用器件ADM3053BRWZ，内部集成了隔离式控制器区域网络(CAN)物理层收发器、隔离DC/DC转换器和双通道隔离器，最高1 Mb/s的数据速率，并具有限流和热关断特性，可防止输出短路[9-12]。

MCP2510是Microchip公司生产的CAN协议控制器，它通过SPI接口与微控制器相连，CAN SPI接口函数：CAN_SPI_CMD()；

CAN报文发送函数：

MCP2510_TX(intTxbuf,int Idtype,unsigned int*id,int datalen,char*data)；

CAN报文接收函数：

MCP2510_RX(intRxbuf,int *Idtype,unsigned int *id,int *datalen,char *data)。

通过触摸操作,可以实现系统人机交互[13-14]。系统采用ADS7483控制触摸屏。

函数ADS7843_ Read()实现ADS7843的读函数,完成读触摸点值并返回num位测量结果。

Void ADS7843_Read(uint8 num)

{uint32go,I,j;

go=0; //go保存读取数据

CS_Low();

DIN_Low(); // DIN输出低电平

不过即使到现在，我们仍然会发现许多款劳力士机心都是采用KIF防震器。我们在其子品牌帝舵表的机心中也会发现大量采用KIF防震器的机心。

DCLK_Low();

For(i=0;i

{ go<<=1; //左移一位

DCLK_High(); //从DOUT引脚读出数据

For(j=0;j<2;j++)

If(DOUT&IO0PIN)

go++;

DCLK_Low()

}

……

2.5 集群电源主控制器

集群电源主控制器是高压电源控制柜的控制核心，接收GPS时间源，供数据采集时间同步；具有TCP/IP接口，通过TCP/IP网络接收来自数据中心服务器的指令，实时向数据中心服务器传送每路高压输出监控信息；通过CAN路由器控制每路高压单元输出、采集每路高压单元状态；通过CAN总线采集AC/DC变换器状态；实时存储采集数据；提供用于人机交互的显示液晶屏控制和用户信息输入接口。

高压电源终端程序设计主要包括控制模块Linux操作系统移植、Linux系统驱动程序编写、DIM函数库移植、Web应用程序开发、主控程序开发、FPGA程序设计；高压控制模块管理单元单片机程序设计、高压控制模块高压单元单片机程序设计[15]。

Linux系统通过使用数据结构struct file_operations为所有的设备文件都提供统一的操作函数接口，包含了open()、close()、release()、read()、write()、ioctl()等函数。Linux系统通过使用register_chrdev向系统注册设备驱动程序，通过调用kmalloc()和kfree()函数实现设备驱动程序的申请和释放。

Int register_chrdev(unsigned int major,const char *name,structfile_operations fops)

3 结 语

系统实现了对768路高压电源实时监控、故障记录、备份高压电源自动投切等功能；具有网络互联功能，服务器系统通过网络能控制上万路的高压电源。实现了系统的微型化、网络化。系统采用了EMC措施，高压电源阵列中各路电源完全隔离，具有阵列电路板接触状态检测和温度检测功能，具有备份高压源自动投切功能，提高了系统可靠性和可维护性。

集群高压电源主控器17路CAN总线接口。AC/DC变换器功率因数：>0.99，谐波电流：<5%，稳压精度：≤0.5%，负载电压纹波系数：≤0.1%，并机均流度：≤±5%；高压电源阵列电压精度≤0.1%；纹波≤30 mV。

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Design of High Voltage Power Supply System for Distributed Particle Detector Cluster

LEIRuitinga,HUShenga，LIJunb，YUChiyea

(a. College of Electronics Engineering; b. College of Computer，Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, Guangdong, China)

A sort of design technique of high voltage power supply system for distributed particle detector cluster was presented. The overall framework of system was expounded. Design scheme of high voltage power supply control cabinet was introduced. Key techniques for many modules design were analyzed. This system was based on Nios II and ARM control, AC/DC converter, high voltage power array, CAN router, touch screen and cluster power supply controller module. Experiments showed that this system had advantages of high power factor, high precision, small ripple, good real-time, strong compatibility of the equipment and anti-interference capability.

cluster power controller; distributed; particle detector; controller area network (CAN); regulate circuit

2016-06-23

广东省科技计划项目)(2015A020214024)；广东省科技计划项目(2013B091500010)

雷瑞庭(1980-)，男，湖南郴州人，学士，实验师，研究方向为嵌入式系统、计算机软件。

Tel.： 15920616880； E-mail：750928993@qq.com

TM 83; TP 274

A

1006-7167(2017)04-0069-04