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1、仪器研制匀场电源篇主讲：郑振耀匀场电源讲义研究生课件主要内容1功能描述2电路结构3串口方案4以太网方案的硬件电路5以太网方案的嵌入式系统及软件匀场电源讲义研究生课件一、功能描述匀场电源讲义研究生课件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讲义研究生课件匀场电源功能v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。v目的是使样品体积内的磁场分布均匀,在超导匀场
2、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。匀场电源讲义研究生课件主要技术指标v高精度：采用16位DAC转换，步长5/65536vDAC：单调性的16bits，工作温度40到+85vDAC输出电压：双极性5.000Vdcv外部电源供应要求：单相220V7%，50Hz交流，功率400Wv反应时间：1msto90%的最大电流值v温度系数：10ppm（轴向）；20ppm（横向）v躁声：5ppm1kHzBW匀场电源讲义研究生课件二、电路结构匀场电源讲义研究生课件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Z0Z1匀场电路Z0Z1匀
3、场线圈其它26路匀场线圈匀场电源讲义研究生课件稳压电源电路v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:vCPUside：+5V1AvAxialdriverside：+5V300mA;+15V200mA;-15V200mA;+12V1.5A;-12V1.5vTransverse driver side：+5V600mA+15V600mA;-15V600mA+9V7.0A;-9V7.0AvZ0/Z1 side：+5V200mA+15V100mA;-15V100mA+12V1.5A;-12V1.5A匀场电源讲义研究生课件CPUside电路分析因为稳压电源电路的四部分电路原
4、理相似，所以就只对其中的CPUside电路进行分析。匀场电源讲义研究生课件Z0Z1匀场电路vZ0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。vZ0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。vZ1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。匀场电源讲义研究生课件Z0Z1电路原理图匀场电源讲义研究生课件V-C转换电路I0取决于Vi和Rs。为了获得稳定的磁场，电流I0就必须恒定，即V
5、i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。匀场电源讲义研究生课件匀场电源驱动模块v驱动模块由数/模转换和电压/电流转换两部分构成。v电压电流转换部分与Z0/Z1的V-C转换电路相同。v数/模转换模块由7片高精度DAC7734组成，每片四路。v24位串行数据=路选信号+16位匀场数据7片DAC7734V-C转换电路匀场线圈片选（0.6）时种20ns24位串行数据匀场电源讲义研究生课件三、串口方案匀场电源讲义研究生课件串口模块结构v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/RS48
6、5转换电路CPU控制电路pc机译码电路DAC7734匀场电源讲义研究生课件RS232/RS485转换电路v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。vRS485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MAX2326N137MAX490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电平匀场电源讲义研究生课件RS232/RS485电源v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
7、器AC220VMAX232MAX490DC5VDC5V匀场电源讲义研究生课件CPU控制电路vCPU控制电路由单片机（STC89C58）实现。v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RXTX2X8接口SDICLCKSDORESETA0A1A2A3匀场电源讲义研究生课件CPU控制电路vA0-A3对7片DAC7734及EEPROM片选。vSDISDO完成串行数据收发。v译码模块由C
8、PU中软件实现。匀场电源讲义研究生课件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02HYYYYNNNN匀场电源讲义研究生课件四、以太网方案硬件电路匀场电源讲义研究生课件以太网模块结构FPGA电源电路复位电路时钟电路以太网控制器PC机JTAGEPCSLEDFLASH8M*16SDRAM4M*16稳压电源板3.3V转5V缓存DAC7734ETH匀场电源讲义研究生课件部分模块说明v以太网控制器采用DM9000AE，自适应10/100M以太
9、网芯片。vJTAG接口用于在线调试，数据直接进入FPGA，掉电后数据丢失。vEPCS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。vSDRAM作为嵌入式系统运行时的内存。vFPGA管脚电压3.3V，DAC7734要求5V，故有3.3转5V电路。v电源电路是单板调试时的电源。装机后，由稳压电源板供电。匀场电源讲义研究生课件FPGA内部硬件结构以太网模块NIOSII软核（CPU）FIFOFLASH编程器SDRAM控制器PLL时钟模块片内RAM片内ROMAVALON总线timer译码模块CONTROL总线片选时钟复位串行数据DAC7734D
10、AC7734DAC7734DAC7734电源保护电路匀场电源讲义研究生课件部分模块说明v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。v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。v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。匀场电源讲义研究生课件FPGA配置电路v配置模式由MSEL1，MSEL0管脚设定。配置方式MSEL1MSEL0主动串行（AS）（20M） 00被动串行（PS）01快速主动串行(40M)10JTAG任意任意匀场电源采用了AS
11、和JTAG两种模式。匀场电源讲义研究生课件JTAG模式配置电路匀场电源讲义研究生课件AS模式配置电路匀场电源讲义研究生课件电源保护模块vCPU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。v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。vCPU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。匀场电源讲义研究生课件五、以太网方案的嵌入式系统及软件匀场电源讲义研究生课件软件系统组成v操作系统选用C/OS-系统。vTCP/IP协议选用LwIP轻型TCP/IP协议。v针对
12、本系统所使用的网络芯片DM9000AE,开发相应的LwIP驱动程序。v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）。匀场电源讲义研究生课件关于C/OS-系统v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。v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
13、同的CPU的特点而编写，是移植的重点。）匀场电源讲义研究生课件关于LwIP轻型TCP/IP协议vLwIP是瑞士计算机科学院的AdamDunkels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。v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。BSDSOCKETAPILwIPAPIIP,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结构匀场电源讲义研究生课件匀场电源以太网模块的软件结构层UC0S/IILWIP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Nios
14、s 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匀场电源讲义研究生课件以太网模块的数据流图LWIP Rx Ether TaskLWIP TCP/ IP TaskNETUTILSDHCPTimeoutTaskSocket ServerTaskNum
15、berManagement匀场重启告别改IP查询上位机OSSemPostAttained IP Address SemEvent Flag重写Flash触发重启命令Socket clientSocket client数据译码传送匀场电源讲义研究生课件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创建任务匀场电源讲义研究生课件改进v如何进一提高通信速率。v考虑采用精度更高的电阻。v小型化，集成化。考虑将锁场合并在一起匀场电源讲义研究生课件匀场电源讲义研究生课件
