高频低电平控制器的网络通讯

　　上海同步辐射装置是第三代光源,它包括150MeV的直线加速器,从150MeV到3.5GeV的增能的增强器以及3.5GeV电子储存环。在储存环高频系统中,包括三个500MHz的超导高频腔和三套能提供300kW的发射机以及三套数字化高频低电平反馈控制器。

　　数字化低电平控制器的核心部件是FP-GA,包含了一个软核NIOS II[1],它是RISC处理器核,其等效于微控制器或者片上计算机,它包括CPU和相关外围设备以及内部存储器和外部存储器的接口,所有这些功能都包含在单个的Altera现场可编程门阵列(FPGA)芯片中。整个固件(Firmware)系统的集成需要用到SOPC Builder[2],在SOPC Builder的图形用户界面中,可以很方便的根据需要剪裁所用到的固件,各固件系统之间通过采用Avalon接口进行物理连接,而软件系统由MicroC/OS-II[3]实时操作系统和轻量级的TCP/IP协议(LwIP)构成。MicroC/OS-II是一种基于优先级的可抢先的硬实时内核,可以运行在从8位到64位的各种系统之上。它性能优异,可以运行在对安全要求极为苛刻的系统中。LwIP是TCP/IP协议栈的一种实现,主要目的是减少存储器的利用量和代码尺寸,使LwIP适合应用于小的、资源有限的处理器,如嵌入式系统。软件系统的开发在NIOS II IDE中完成,它是基于GUN C/C++编译器和Eclipse IDE,为软件开发者提供了一个容易的、已建立好的软件开发环境,在其中可以进行编译、调试和运行。

　　1　高频低电平控制器

　　高频低电平控制器实现高频腔腔压的幅度和相位稳定,以及实现正确的调谐,确保高频腔的功率能够有效地传递给束流。当采用模拟技术实现低电平反馈控制时[4],使用的主要是检波器、鉴相器、电控衰减、电控移相器、模拟比例积分控制器等分离模拟器件,腔压幅度和相位的调节是通过调节模拟电压表来实现,比例积分控制器的增益通过调节比例积分控制器面板上按钮实现,因此整个高频低电平不需要通讯接口就可以运行。但是当采用数字技术实现高频低电平反馈控制时[5],没有检波器、鉴相器等模拟器件,而是用混频器、数模转换器、模数转换器和FPGA等来实现。所有的比较、鉴相、比例积分控制算法都在FPGA中完成,还有一些开关按钮也是在FPGA中实现,高频腔幅度设置、相位设置、比例积分增益设置都需要通过通讯接口写入,因而离开了通讯接口,数字化的高频低电平反馈控制器是无法运行的。

　　如图1所示为采用数字技术方式实现的高频低电平反馈控制器实物图,共分为三层。其中,最上层实现混频、放大器和本振信号分配等功能,中间层包括数字信号处理、数模和模数转换器以及时钟分配功能,最底层为电源层,为放大器和数字信号处理器提供电能。