嵌入式发射度测量系统的硬件平台设计与实现

丁 健程 健

（1 合肥学院，安徽 合肥 230601）

（2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230027）

1 引言

离子束的品质和离子源的性能，一般用两个相关的物理量“发射度”和“亮度”来表征[1]。发射度常用来表征粒子束的品质。在束传输系统中，描述粒子束运动规律的方法有很多，比较常用的是六维相空间法。六维相空间就是坐标为位置x，y，z和动量Px，Py，Pz的空间，由一组六维变量表示某一粒子的运动状态。根据刘维尔定理，我们将六维相空间简化到两维相平面去研究粒子运动。相空间中的粒子不是一个，而是一群，它们以集体的形式存在，形成集体的运动规律，便是我们所说的粒子束。发射度相面积便是对这一群粒子集体在相平面内选取的代表点组成的面积。用π去除发射度相面积，所得量便是通常所说的束的发射度。有人用束流的相面积作为发射度的定义，而两种定义的发射度数值是相同的[2]。

本设计是按测量精度2%～8%、法拉第筒输出电流范围0～2000 nA等要求，在对等离子体测量技术研制工作的基础上，通过研究等离子体发射度测量理论及关键性技术，根据等离子体发射度特点，结合微弱电流信号测量技术，研发一种侧重于抗干扰、低噪声、高精度的嵌入式发射度测量装置。

2 系统硬件总体设计

系统的硬件电路根据功能分为多个模块，系统硬件总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

3 系统硬件设计

3.1 电源供电模块

测量系统供电方式主要分控制板板内电源和板外电源两种。

（1）控制板板内电源主要为数字隔离芯片提供电能。为数字隔离芯片提供电能的是控制板上的DC-DC芯片，即DCP021205和DCP022405。为实现测量系统输入输出端抗干扰隔离，输入部分采用光电隔离芯片进行隔离，而输出端则采用数字隔离芯片进行隔离。

（2）测控系统测量控制板所需的+12 V/-12 V/5 V等电压，主要由自制的电源板提供电能，电源板的220 V正弦交流电经过滤波器、隔离屏蔽变压器和稳压电路后输出提供。

此外，发射度电源系统还配备+24 V开关电源，实现对ZD-6209-V2C型号的步进电机驱动器的供电，除此之外，+24 V开关电源还将为控制板上的DC-DC芯片DCP022405提供电能。

3.2 微弱信号放大模块

在测量系统设计中，要实现对等离子体束流的准确采样，先要对束流检测器检测到的微弱电流信号进行检测，检测到小电流信号后通过电阻采样方式实现I/V转换后的信号依旧不能满足A/D转换的要求，所以还要将小电压信号进行放大。ADC采样电压范围是0～5 V，而转换后的小电压信号在10～50 mV之间，这就需要检测电路将该信号放大100倍数以上。该系统检测电路先采用高精度仪表放大器INA111将小电压信号进行90倍放大，然后根据INA111输出电压信号大小选择运算放大器MAX4132的放大倍数，具体倍数选择由软件进行设置。小电压信号经过INA111和MAX4132两级放大器放大以后，方可被ADC进行准确采样。

为了使测量器件不影响测量结果，以提高发射度测量的精度，第一级放大选用高速、FET输入型高精度仪表放大器INA111，它具有高共模抑制比（106dB min），特殊的放大器结构使得它的增益可通过一个外部电阻配置为1到1000之间的任意值，见公式（1）。

INA111的增益是通过连接一个外部电阻RG（单位为kΩ）来设定的。式（1）中INA111的增益值用G表示。设置INA111增益为90，计算得到RG=561.7 Ω，但是实际电路中没有这样的电阻值，只能尽量接近该电阻值，通过实际测量最终选择值为564 Ω金属膜电阻，之所以选用金属膜电阻的原因是此类电阻的精度为1%。两级放大电路的实际电路图见图2。根据INA111的数据手册，能够使用R/C输入滤波器全靠其FET输入特性。为抑制带外噪声进入放大器，设置一个低通R/C滤波器在滤在INA111输入级，低通滤波器的截止频率如公式（2）

式（2）中的电容值 C53要远远大于 C54，C55，约为 10倍 C54，C55，系统中设置 200 kHz的截止频率，结合实际电容值需要，设置C54=C55=10 pF，则C53为100 pF。计算得到R52，R53的阻值均为3.83 kΩ。为满足低噪声系统设计要求，采用高精度元器件，电容采用聚苯乙烯电容，因为此类电容的漏电小[3]。

图2 信号放大电路图

在应用电路中，取样电阻及放大倍数的选取是通过继电器组合的通道选择来实现切换的，设计采用汇科公司提供的HK4100-DC5V-SHG继电器，由微控制器C8051F500管脚进行控制。一个C8051F500管脚控制一个继电器，实现放大电阻选择。具体实际电路图如图3所示。而图4是实际电路实验室测试结果。图中黄色曲线为信号发生器模拟100 kHz，峰峰50 mV INA111输入信号图像，图4a蓝色曲线为经过INA111放大90倍后的输出图像，图4b蓝色曲线为经过INA111放大90倍后又经MAX4132放大1倍输出图像。

图3 MAX4132放大倍数选择电路图

图4a INA111电路测试图

图4b MAX4132电路测试图

3.3 模拟信号滤波隔离模块

由图4b可以看出运算放大器MAX4132的输出电压信号有毛刺，需要经过隔离及滤波电路后，才能进行A/D转换。下面从50 Hz滤波器、线性隔离电路和巴特沃斯二阶细滤波详方面阐述模拟信号的滤波隔离处理。

3.3.1 50 Hz滤波器

采用交流电网为测量系统供电。虽然有隔离屏蔽变压器抑制正弦交流电干扰，但是测量系统依旧会引入50 Hz工频干扰。故此采用UAF42搭建了50 Hz陷波器。测试结果如下：

（1）50 Hz

如图5a所示，模拟输入±2.5 V正弦波信号，输出为峰峰值不超过100 mV的畸变正弦波，信号衰减达50倍。

（2）40 Hz和 60 Hz

图5b和图5c分别是模拟输入信号频率为40 Hz和60 Hz波形图，由图可知，在40、60 Hz时，对波形还有一点衰减。

（3）20 Hz和 100 Hz

图5d和图5e是模拟输入信号频率为20 Hz和100 Hz波形图，由图可知，在20、100 Hz时，对波形无衰减。输入输出信号反向，相位差180°。

（4）结论

在使用UAF42构建50 Hz滤波器时，输入信号需大于100 Hz或小于20 Hz，可以确保信号不失真。50 Hz陷波器由内部集成高精度电容的设计UAF42，具有对元件精度要求不高、调试方便的优点[4]。

图5a 50 Hz波形

图5b 40 Hz波形

图5c 60 Hz波形

图5d 20 Hz波形

图5e 100 Hz波形

3.3.2 线性隔离电路

为了将测量控制板的模拟电路与微控制器电路完全隔离开，在电压电流调理电路末端加光耦隔离电路以减少系统干扰。系统选用由美国Avago公司生产的高线性度光耦器件HCNR201，其非线性度0.01%，带宽范围为0—1 MHz。LED的低线性度和漂移特性由于其输出光强度有输入光电二极管监控并稳定而得到确保。输出光电二极管线性输出相应的光电流。隔离电路如图6所示，光耦两边分别使用完全隔离的5 V电源供电，设计光耦增益为1。由于后端ADC采样率最高可达200 KSPS，为了最大限度的提高系统的带宽，这里采用HCNR201的高速电路。

图6 HCNR201隔离电路图

3.3.3 巴特沃斯二阶滤波

原始信号要想在被采样后恢复出来，就要滤除掉频率高于fs/2的噪声信号，本设计的抗混叠滤波器采用二阶巴特沃兹低通滤波器，如图7是抗混叠滤波器的实际电路图。

图7 抗混叠滤波器电路图

本设计中的ADC采样率为200 KSPS，即fs的值为200 kHz。依据香农采样定理的需要，要选用100 kHz截止频率的二阶巴特沃兹低通滤波器。原则上R81=R12，但是为了实际电路测试需要，这里选用可调电阻R12来实现电阻电容匹配，使得二阶巴特沃兹低通滤波器在应用中实现实际电路情况的最优化配置。这里的二阶巴特沃兹低通滤波器属于是有源滤波器，而有源滤波器在实际应用时其幅频响应可能会在高频处的翘起，故此常在其后跟随有无源低通滤波器来抑制此高频翘。图7中的R16和C44便是完成此功能的R/C无源滤波器。因此，无源滤波器截止频率的设置要由前级有源低通滤波器的实际幅频响应特性决定[5]。本设计采用电阻R16=100 Ω，C44=200 pF构成8 MHz截止频率的无源低通滤波器，以满足在10 MHz时衰减特性下降的二阶巴特沃兹滤波器的需要。

3.4 同步脉冲触发模块

图8 系统同步脉冲测试图

依据系统技术要求，测量系统测量的强流离子束采用脉冲方式工作，其输出脉冲宽度为400 μS，频率是1～5 Hz，脉冲电压峰值15 V。测量系统采用ECR离子源的高压直流脉冲电源进行信号同步，图8中①号曲线为高压直流同步脉冲，②号线是实际需要测量的曲线。在测量时，需要同步脉冲信号与测量曲线同步，实现对测量曲线峰值部分的数据测量。具体实现过程是PC机数据处理软件将命令下发给数据采集系统，数据采集系统将命令进行判定解析，解析完成后按照命令内容对系统进行一系列参数设置，同时控制步进电机运行到设定位置，等待同步脉冲触发信号的到来。若信号到来系统开始采样，否则系统继续等待。

由于外界高压直流脉冲电源属于高压大电流系统，在系统硬件设计过程中采用TOSHIBA（东芝）公司的光耦隔离芯片TLP521将其与微控制器进行隔离。具体光隔电路实现见图9，系统除将同步脉冲Trigger信号进行隔离外，还在光耦芯片两端采用过压保护电路，意在保护微弱信号采集系统不受高压脉冲电源干扰，实现发射度测量系统安全可靠持久运行。

图9 同步脉冲光耦隔离电路图

3.5 ADC采样模块

运算放大器MAX4132的输出电压信号经过滤波及隔离电路后利用ADC转换电路进行A/D转换。在该电压信号进入ADC转换电路之前，必须限制使其带宽及信号幅度满足ADC转换器的安全使用条件，系统中该信号的截止频率为100 kHz，信号幅值为0～5 V，利用微控制器C8051F500集成的ADC转换器实现A/D转换[6]。

3.6 步进电机驱动模块

采用高性能恒流斩波步进驱动器ZD-6209-V2C实现对步进电机39BYG250-34的驱动控制，驱动电源与单片机及电机驱动器接线图如图10所示。

图10 驱动器电源与单片机及电机接线图

3.7 RS232通信接口模块

系统通过RS232接口实现PC主机和测量仪之间进行控制命令传递和数据的通信传输。

为实现测量系统输入输出端抗干扰隔离，采用ADI的数字隔离器ADUM1402用来隔离控制器信号线TXD0和RXD0以防外部瞬态电平对器件产生破坏影响，起到瞬态保护和系统输入输出端抗干扰隔离作用。

4 系统电路板设计

本测量系统的电路板主要有两大部分组成，一是系统的电源板，另一个是测量控制板。系统电路板制作均采用Altium Designer软件。系统电路板的设计主要是布局布线设计，遵循一些关键的原则[7]。

（1）要明确设计目标。根据测量系统的原理图，电路板的设计采用2层PCB板，有浮地信号及微弱信号部分的设计。浮地信号和微弱信号很容易受其他强信号的干扰，所以在PCB设计中采取隔离及屏蔽措施，来降低噪声的影响及信号线的相互影响，提高系统的安全性。

（2）合理的元器件布局。元件的布局与走线对产品的寿命、稳定性、电磁兼容都有很大的影响，是应该特别注意的地方。

（3）完成电路板布线设计。布线设计关键点有：①设置合适的平行信号走线间距，减少串扰现象。②信号传输线拐弯处尽量采用圆弧线。③为防止电路板走线互相感应产生串扰，双面板走线时，顶层和底层走线尽量垂直。④电路板上设计有微弱信号，在放大前的微弱信号线要远离强信号线，为屏蔽信号干扰，常用采用地线将其包围。⑤电路板要分开单独走大电流器件的地线。

5 总结

通过对发射度测量方法的研究分析，针对ECR离子源的特点和使用要求，选取了多缝单丝的测量方法，以C8051F500为核心芯片，进行了嵌入式发射度测量系统的硬件设计。针对测量环境存在高压脉冲放电、接地比较复杂及电磁干扰等问题，通过采取隔离、滤波、屏蔽、单点接地等一系列抗干扰措施，保证了系统工作的可靠性；通过采用浮地+输入输出端隔离的方法，对法拉第筒电流信号进行检测，解决了在高压及脉冲电磁环境中低噪声测量的问题；通过设计过压保护及电机限位开关电路，避免了因电机卡死而造成的故障。整个发射度测量仪系统，经过实验调试、应用现场测试及初步改进，基本实现了设计目标，满足了一些用户的使用要求。