基于SOPC架构的脉冲磁场数据采集系统

       上海同步辐射装置(SSRF,Shanghai Syn-chrotron Radiation Facility)是当今世界先进的第三代同步辐射光源之一,是我国的大科学工程项目。SSRF注入引出系统采用脉冲磁铁作为电子束的注入和引出动态偏转磁铁,共有15块脉冲磁铁,其中增强器的注入引出系统[1]共有2块冲击磁铁、4块切割磁铁和3块凸轨磁铁;储存环的注入系统[2]有4块冲击磁铁和2块切割磁铁。所有这些磁铁都要进行磁场测量以检验其场质量是否满足设计要求。SSRF脉冲磁场测量误差要求小于1‰。

　　脉冲磁铁的磁场误差将直接扰动注入束流和储存束流,从而影响注入效率。随着加速器性能的不断提高,尤其是top-up注入模式的采用,对磁场的场强、波形精度、重复性等提出了越来越高的要求。目前,国内外光源的脉冲磁场测量系统主要由磁场检测线圈、积分器和数字存储示波器组成[3-5]。由于示波器采集量化的垂直分辨率只有8bits,只能检测到3.9‰的信号改变,其测量精度不能很好的满足SSRF的要求。

　　本论文采用Altera公司先进的SOPC(可编程片上系统)解决方案,以FPGA内部32位Nios II软核CPU系统结合逻辑资源与外部A/D转换器取代目前应用于脉冲磁场测量中的以示波器为核心的数据获取和处理部分,通过灵活的Avalon总线,控制脉冲磁场信号的采集、处理、实时显示、存储等功能,实现脉冲磁场数据采集系统。Nios II系统设计以Nios II软核为核心,将全部的接口电路集成在同一片FPGA上,结构简单;同时,利用Nios II软核可在线配置的优点,通过软件编程改变FPGA的内部结构即可迅速、方便地实现系统性能的扩展、升级,大大缩短了系统的开发周期,提高了效率和性价比。

　　1　系统方案与总体架构

　　本系统要实现的功能是将脉冲磁场检测线圈获得的感应电动势信号,经过前端电子学线路后,送入A/D转换器,转换成数字信号进入FPGA的逻辑控制部分。该结构主要完成采样信号的同步触发和数据的积分处理与缓冲,然后通过硬件中断将数据以DMA的方式送入内嵌在FPGA中的Nios II处理器,Nios II系统通过以太网与本地计算机连接,接受命令并传输数据到计算机。系统结构图如图1。

　　2　系统硬件架构设计

　　系统的硬件架构主要分FPGA逻辑控制部分和SOPC硬件平台两部分。系统平台采用Altera Stratix II DSP开发板[6],板载FPGA芯片选用Stratix II系列的EP2S60。

　　2·1　FPGA逻辑控制部分

　　本系统中所有时序控制均由FPGA来完成,利用FPGA内部丰富的逻辑资源,采用Verilog HDL语言编写SOPC外围控制模块,这些时序控制模块包括:数据采集与外部触发模块、数据接口模块、数字积分器模块等。系统利用这些逻辑控制模块配合SOPC软硬件架构完成脉冲磁场的数据采集。