匀场电源讲义研究生

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,仪器研制,匀场电源篇,主讲：郑振耀,主要内容,功能描述,电路结构,串口方案,以太网方案的硬件电路,以太网方案的嵌入式系统及软件,一、功能描述,NMR,谱仪结构,主计算机,室温匀场线圈,探头驱动装置,射频频率源,控制台,射频功率放大器,脉冲梯度驱动器,室温匀场电源,气动控制单元,调谐接口,前置放大器,射频混频器,核磁共振波谱仪系统结构图,主机柜系统,磁体接口系统,超导磁体,匀场电源功能,室温匀场电源是输出恒定的电流通过匀场线圈,进行磁场矫正，也可以说匀场电源是一个高精度高稳定度的恒流源，其输出电流与负载无关。,目的是使样品体积内的磁场分布均匀,在超导匀场基础上，将磁场均匀度提高到,10,-9,保证核磁共振波谱仪获得高分辨率高稳定度的谱图。,主要技术指标,高精度：采用,16,位,DAC,转换，步长,5/65536,DAC,：单调性的,16bits,，工作温度,40,到,+85,DAC,输出电压：双极性,5.000Vdc,外部电源供应要求：单相,220V7%,，,50Hz,交流，功率,400W,反应时间：,1ms to 90%,的最大电流值,温度系数：,10,ppm,（轴向）；,20,ppm,（横向）,躁声：,5,ppm,1 kHz BW,二、电路结构,匀场电源结构,匀场电源,控制模块,串口、以太网,两种方案,PC,机,匀场电源,驱动模块,稳压电源,Z,0,Z,1,匀场电路,Z,0,Z,1,匀场线圈,其它,26,路匀场线圈,稳压电源电路,稳压电源电路的作用是为整个匀场电源提供恒定直流电源。电路可分为四部分,:,CPU side,：,+5V 1A,Axial driver side,：,+5V 300mA;+15V 200mA;,-15V 200mA;+12V 1.5A;-12V 1.5,Transverse driver side,：,+5V 600mA +15V 600mA;,-15V 600mA+9V 7.0A;-9V 7.0A,Z0/Z1 side,：,+5V 200mA +15V 100mA;,-15V 100mA +12V 1.5A;-12V 1.5A,CPU side,电路分析,因为稳压电源电路的四部分电路原理相似，所以就只对其中的,CPU side,电路进行分析。,Z0 Z1,匀场电路,Z0,和,Z1,通道被独立出来，是由于,Z0/Z1,匀场电路要求控制精度更高，电路也更复杂。,Z0,通道用于锁场控制，主要是锁环，具有采样保持,和,滤波功能，而且还可以自定义锁环时间常数，提高锁场速度,。,Z1,通道主要用于匀场，但是在某些场合，由于探头没有带梯度静磁场（,PFG),线圈单元，就只能将,Z1,线圈作为梯度场线圈来产生梯度场实现一些功能。因此，,Z1,通道还具有脉冲发生和控制电路。,Z0 Z1,电路原理图,V-C,转换电路,I,0,取决于,Vi,和,Rs,。为了获得稳定的磁场，电流,I,0,就必须恒定，即,Vi,和,Rs,不随温度的变化，因此采样电阻,Rs,必须具有高稳定度，否则磁场容易产生扰动，匀场没有意义。,匀场电源驱动模块,驱动模块由数,/,模转换和电压,/,电流转换两部分构成。,电压电流转换部分与,Z0/Z1,的,V-C,转换电路相同。,数,/,模转换模块由,7,片高精度,DAC7734,组成，每片四路。,24,位串行数据,=,路选信号,+16,位匀场数据,7,片,DAC7734,V-C,转换,电路,匀场线圈,片选（,0.6,）,时种,20ns,24,位串行数据,三、串口方案,串口模块结构,匀场电源控制模块串口通信方案由,RS232/RS485,转换电路、,CPU,控制电路、译码电路三部分组成,RS232/RS485,转换电路,CPU,控制电路,pc,机,译码电路,DAC7734,RS232/RS485,转换电路,计算机自带,RS232,接口电平值高，易损坏器件，与,TTL,电平不兼容，传输速率低，传输距离有限，搞干扰能力弱。,RS485,克服以上缺点，差分信号抗干扰，最远达,1200,米。,D9,针接口,D9,孔接口,MAX232,6N137,MAX490,接,PC,机,接,CPU,将,RS232,电平转换,为,TTL,电平,光电隔离,减小干扰,将,TTL,电平,转换为,RS485,电平,RS232/RS485,电源,光电隔离芯片,6N137,左右两边的电源应相互独立，这样才能达到减小干扰的目的。,整流电路,滤波电路,稳压电路,整流电路,滤波电路,稳压电路,变压器,AC220V,MAX232,MAX490,DC5V,DC5V,CPU,控制电路,CPU,控制电路由单片机（,STC89C58,）实现。,该电路与计算机进行,RS485,串口通信，接收来自计算机的匀场控制数据，并负责将匀场控制数据以,SPI,接口形式发送到匀场驱动板的,DAC7734,。,D9,针接口,MAX490,单片机,差分,驱动,芯片,接,RS485,接,DAC7734,将,RS485,电平转换,为,TTL,电平,CPU,差分信号,抗干扰强,RX,TX,2X8,接口,SDI,CLCK,SDO,RESET,A0,A1,A2,A3,CPU,控制电路,A0-A3,对,7,片,DAC7734,及,EEPROM,片选。,SDI SDO,完成串行数据收发。,译码模块由,CPU,中软件实现。,CPU,软件设计,开始,发送复位信号,初始化,接收数据包,AAH?,EEH?,CCH?,回复,11H,回复,DDH,回复,DDH,回复,FFH,接收数据包,2EH?,写入,EEPROM,读,EEPROM,将数据发给,PC,机,接收匀场数据,写,DAC7734,回复,02H,Y,Y,Y,Y,N,N,N,N,四、以太网方案硬件电路,以太网模块结构,FPGA,电源,电路,复位,电路,时钟,电路,以太网,控制器,PC,机,JTAG,EPCS,LED,FLASH8M*16,SDRAM4M*16,稳压电源板,3.3V,转,5V,缓,存,DAC7734,ETH,部分模块说明,以太网控制器采用,DM9000AE,，自适应,10/100M,以太网芯片。,JTAG,接口用于在线调试，数据直接进入,FPGA,，掉电后数据丢失。,EPCS,用于存储,FPGA,的硬件配置文件，,FLASH,用于存储软件，,FPGA,上电后自动从这两芯片中读取数据，完成配置。,SDRAM,作为嵌入式系统运行时的内存。,FPGA,管脚电压,3.3V,，,DAC7734,要求,5V,，故有,3.3,转,5V,电路。,电源电路是单板调试时的电源。装机后，由稳压电源板供电。,FPGA,内部硬件结构,以太网,模块,NIOS II,软核,（,CPU,）,FIFO,FLASH,编程器,SDRAM,控制器,PLL,时钟模块,片内,RAM,片内,ROM,AVALON,总线,timer,译码,模块,CONTROL,总线,片选,时钟,复位,串行,数据,DAC7734,DAC7734,DAC7734,DAC7734,电源保护电路,部分模块说明,译码模块，将存储于,FIFO,中的,16,位并行匀场数据转换为串行数据，并将路选信号加在前面，补满,24,位传入,DAC7734,，同时输出相匹配的串行时钟和片选信号。,电源保护电路在检测到电源电压异常时，以,LED,闪烁发出警报。,以太网模块，,FLASH,编程器，,SDRAM,控制器分别是对应外部芯片的接口模块。,FPGA,配置电路,配置模式由,MSEL1,，,MSEL0,管脚设定。,配置方式,MSEL1,MSEL0,主动串行（,AS,）（,20M,）,0,0,被动串行（,PS,）,0,1,快速主动串行,(40M),1,0,JTAG,任意,任意,匀场电源采用了,AS,和,JTAG,两种模式。,JTAG,模式配置电路,AS,模式配置电路,电源保护模块,CPU,与电源板之间有四根线：地线（,GND,）,检测信号线,1,，检测信号线,2,继电器控制线。,当,DAC7734,的供电电压不足时，电源板通过两根检测信号线同时向,CPU,发送低电平。,CPU,检测到信号线上的低电平信号后，通过继电器控制线传送高电平给工作电源板，断开工作电源板中的继电器，同时系统复位。,五、以太网方案的嵌入式系统及软件,软件系统组成,操作系统选用,C,/OS-,系统。,TCP/IP,协议选用,LwIP,轻型,TCP/IP,协议。,针对本系统所使用的网络芯片,DM9000AE,开发相应的,LwIP,驱动程序。,利用,LwIP,的,API,函数,编写实现具体通信的网络应用程序（,Socket,编程）。,关于,C,/OS-,系统,选用原因：,C,/OS-,的内核是完全免费的，属于抢占式内核，实时性强，可靠性高，对资源的要求相对较低。,移植：,C,/OS-,的内核包含与处理器无关代码，与处理器有关代码，系统配置文件三部分。移植重点要修改的是与处理器有关代码部分。,与处理器无关代码,（任务管理、,时间管理、,内存管理,等系统服务）,系统配置文件,（设定系统运行,时的一些参数）,与处理器有关代码,（向内核提供一些基本的功能如任务现场保护、,中断接口等，这部分代码必需根据不同的,CPU,的特点而编写，是移植的重点。）,关于,LwIP,轻型,TCP/IP,协议,LwIP,是瑞士计算机科学院的,Adam,Dunkels,等开发的一套用于嵌入式系统的开放源码的轻型,TCP/IP,协议栈。,选用原因：功能较完备，占用资源少，适合,C,/OS-,这样的小型操作系统。,BSD SOCKET API,LwIP,API,IP,UDP,TCP,ICMP,ARP,网络接口驱动层,操作系统模拟层,编写,DM9000AE,的驱动程序,利用,API,函数编写,用户应用程序,LwIP,结构,匀场电源以太网模块的软件结构层,UC0S/II,LWIP,软件组件,与应用相关的初始化程序,HAL API,设备驱动软件,应用程序,Nioss,II,处理器系统硬件,包含在,FPGA,内部实现的软核和硬件外设,管理以太网和其他硬件外设的软件函数，包,含外设的物理细节，并将之抽象出来。,对设备驱动程序提供标准化的接口。,对,LWIP,以入顶层应用程序提供多任务和任务,间的通信服务。,通过套接字,API,为应用层和应用系统初始化层提供网络服务。,激活,UCOS,和,LWIP,的初始化函数，也包含任务,，信号量，队列，事件，标志等资源的创建,套接字服务器，数据译码处理等顶层应用程序,以太网模块的数据流图,LWIP Rx,Ether Task,LWIP TCP/,IP Task,NETUTILS,DHCP,Timeout,Task,Socket,Server,Task,Number,Management,匀场,重启,告别,改,IP,查询,上位机,OSSemPost,Attained IP Address,Sem,Event Flag,重写,Flash,触发重启命令,Socket client,Socket client,数据译码传送,以太网模块的软件流程图,开始,初始化,DAC7734,初始化,LwIP,初始化网络口，获取,MAC,地址和,IP,地址,启动任务,任务,1,任务,2,扫描以太网接口，,等待接收以太网数据包,判别命令字，,启动相应事件,匀场,重启,告别,改,IP,查询,EVENT,创建任务,改进,如何进一提高通信速率。,考虑采用精度更高的电阻。,小型化，集成化。考虑将锁场合并在一起,谢谢大家！,