一種分布式時序觸發控制系統的製作方法
2023-06-11 08:55:56 11
一種分布式時序觸發控制系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種分布式時序觸發控制系統，包括多個時序控制器和將其連接成樹形網絡的光纖；還包括一個觸發輸入，一個時鐘輸入和一個急停輸入；每個時序控制器的所有輸出都可以向其他設備提供時鐘或觸發，或者連接到其他的時序控制器的時鐘或觸發輸入。若僅使用時序觸發的功能，而無需精確時鐘同步時，可以只將一個節點的觸發輸出和另一個節點的觸發輸入連接起來，無需連接時鐘信號。本發明採用樹形網絡和光纖實現了分布式系統結構，減小電磁幹擾的影響，減小了布線難度；可以向大型物理實驗裝置提供高精度的時序觸發以及時鐘信號。
【專利說明】一種分布式時序觸發控制系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於大型物理實驗裝置領域，更具體地，涉及一種分布式時序觸發控制系統。
【背景技術】
[0002]大型物理實驗裝置，例如大型線性加速器、託卡馬克聚變實驗裝置，它們均包含有很多子系統和儀器設備，需要精確的在不同時刻進入不同的運行狀態。因此需要一套時序控制系統，在程序預先設定時間後向其他設備發送觸發信號。目前市場上沒有專門供給大型物理實驗裝置使用的時序觸發系統。很多大型實驗裝置，採取使用模塊化儀器，如CPCI，PXI總線設備加上對應的機箱控制器，再配合上輸入輸出接口模塊組成一個集中式結構的時序觸發系統。
[0003]隨著裝置規模的增加，各種設備均分布在不同的物理位置，部分大型物理實驗裝置已經使用分布式的系統結構，如果時序觸發系統仍然採用上述集中式結構，將大量的觸發信號一一傳送到各個地方的子系統，布線難度大、成本高，系統結構複雜、維護難度大。
[0004]同時，大型物理實驗裝置進行實驗時往往會產生強烈的電磁幹擾。在現場惡劣的電磁環境中，使用上述商業通用的模塊化儀器，由於不是為這種環境專門設計，時序觸發系統穩定性會受到一定的影響。由於這些儀器結構複雜，受幹擾後容易出現無法預測的運行結果。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種能夠為大型物理實驗裝置提供高精度的時序觸發以及時鐘信號的分布式時序觸發控制系統。
[0006]本發明提供了一種分布式時序觸發控制系統，包括多個時序控制器以及將多個時序控制器連接成樹形網絡的光纖；每個時序控制器用於提供時鐘信號或觸發信號。
[0007]更進一步地，所述時序控制器還包括乙太網接口，用於與乙太網連接。
[0008]更進一步地，所述時序控制器包括:主板，與主板連接的電源模塊，設置在主板上的通訊模塊和時序產生模塊，與主板連接的第一輸入輸出板和第二輸入輸出板；電源模塊用於為所述時序控制器提供直流供電；所述通訊模塊用於將乙太網上傳輸的用於控制時序控制器運行的指令傳遞給時序產生模塊，並將所述時序產生模塊的運行狀態在乙太網上發布；所述時序產生模塊用於生成時鐘信號和觸發信號；所述第一輸入輸出板和所述第二輸入輸出板用於將外部的光信號轉換為電信號並傳遞給所述時序產生模塊，或將所述時序產生模塊輸出的電信號轉換為光信號並輸出。
[0009]更進一步地，所述時序產生模塊包括:時鐘生成模塊、串口通訊模塊、控制器、計數器陣列、輸出控制模塊和總線；所述串口通訊模塊，所述控制器和所述計數器陣列都連接在所述總線上並通過總線傳輸數據；所述控制器分別通過控制線與所述串口通訊模塊、所述計數器陣列、所述時鐘生成模塊和所述輸出控制模塊連接並對其進行控制；工作時，通過串口通訊模塊與外部通訊；當收到指令時所述串口通訊模塊將指令和時序參數配置通過所述總線傳輸給控制器，同時將控制器的運行狀態傳輸給外部的通訊模塊；所述控制器協調其他模塊的運行；所述輸出控制模塊在所述控制器的控制下打開或關閉某一個通道的輸出；所述時鐘生成模塊產生所述計數器陣列需要的時鐘信號；所述計數器陣列對所述時鐘生成模塊的時鐘進行計數，並產生所需要的觸發信號和時鐘信號。
[0010]更進一步地，所述時鐘生成模塊還包括:觸發埠，用於接收外部輸入的觸發信號；時鐘埠，用於接收外部輸入的時鐘信號，以及急停埠，用於接收外部輸入的急停控制信號。
[0011]本發明採用樹形網絡和光纖實現了分布式系統結構，減小電磁幹擾的影響，減小了布線難度；可以向大型物理實驗裝置提供高精度的時序觸發以及時鐘信號。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明實施例提供的分布式時序觸發控制系統的整體結構示意圖；
[0013]圖2是本發明實施例提供的分布式時序觸發控制系統中時序控制器內部硬體示意圖；
[0014]圖3是本發明實施例提供的時序控制器中時序產生模塊內部模塊結構示意圖；
[0015]圖4是本發明實施例提供的分布式時序觸發控制系統中輸入輸出模塊的具體電路圖。
【具體實施方式】
[0016]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
[0017]本發明實施例提供的分布式時序觸發控制系統主要用於為大型實驗裝置提供定時觸發以及時鐘同步；可以為大型物理實驗裝置(如粒子加速器、託卡馬克裝置)中各子系統中的儀器設備提供精確的時序觸發及時鐘。
[0018]圖1示出了本發明實施例提供的分布式時序觸發控制系統的整體結構，為了便於說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分，詳述如下:
[0019]分布式時序觸發控制系統包括:多個時序控制器以及將多個時序控制器連接成樹形網絡的光纖；每個時序控制器用於提供時鐘信號或觸發信號。
[0020]在本發明實施例中，分布式光纖時序觸發系統主要由多個時序控制器I和將其連接在一起的光纖組成；同時還包括一個觸發輸入，一個時鐘輸入，和一個急停輸入。每個時序控制器的所有輸出都可以向其他設備提供時鐘或觸發，或者連接到其他的時序控制器I的時鐘或觸發輸入，多個時序控制器可以組成樹形網絡。如果組建樹形網絡時，僅使用時序觸發的功能，而無需精確時鐘同步時，可以只將一個節點的觸發輸出和另一個節點的觸發輸入連接起來，無需連接時鐘信號。時序控制器I有一個乙太網接口，通過這個乙太網接口可以與乙太網2連接，操作人員通過使用計算機可以監視所有時序控制器的工作狀態、配置每個通道的時鐘和觸發參數、啟動或者停止運行。當時序控制器配置完成後，如果有觸發信號輸入到該控制器的觸發輸入端，或者收到乙太網上傳來的開始運行的指令，控制器便開始運行，並按照預設產生觸發或時鐘。當收到急停信號後立即停止輸出。一個時序控制器可以通過輸出觸發其他的時序控制器從而實現分布式系統結構。
[0021]由於本系統使用光纖實現分布式系統結構，光纖可以長距離傳輸信號不受幹擾，各個時序節點距離可以相距很遠，節點可以分布在實驗裝置各處，減小了布線難度。可以向大型物理實驗裝置提供高精度的時序觸發以及時鐘信號。本發明採用樹形網絡實現分布式結構；所有時序控制器通過光纖連接，可以減小電磁幹擾的影響。整個系統內所有時序控制器都是完全相同的，沒有主次之分。每個時序節點所有的觸發輸入輸出均採用光信號傳輸，可以直接連接光纖使用，無需轉換；能夠為大型物理實驗裝置提供高精度的時序觸發以及時鐘信號。
[0022]在本發明實施例中，時序控制器I的內部結構如圖2所示，時序控制器I包括主板10，與主板10連接的電源模塊11，設置在主板10上的通訊模塊12和時序產生模塊13，與主板10連接的第一輸入輸出板14和第二輸入輸出板15 ；電源模塊11用於為時序控制器I提供直流供電，主板10主要是用來實現安裝通訊模塊12和時序產生模塊13的，主板10上有這兩個模塊所需的輔助電路和連接其他模塊的接口。通訊模塊12是一個微處理器，用於實現網絡通信功能，把乙太網上的指令通過串口傳遞給時序產生模塊13，並且將時序產生模塊13的狀態在乙太網上發布。時序產生模塊13用於實現時鐘以及觸發輸出的生成；第一輸入輸出板14和第二輸入輸出板15通過光電轉換電路將外界的光信號轉換為電信號傳遞給時序產生模塊13或將其電信號轉換為光信號輸出。工作時，電源模塊11為時序控制器I提供直流供電，通訊模塊12將乙太網上傳輸的用於控制時序控制器運行的指令傳遞給時序產生模塊；指令包括運行參數的配置以及開始和停止運行。並將所述時序產生模塊的運行狀態在乙太網上發布，可以接受的指令包括模塊運行參數配置，啟動和停止，以及查詢運行狀態，狀態主要有是否運行以及運行模式。時序產生模塊13生成時鐘信號和觸發信號；第一輸入輸出板14和第二輸入輸出板15將外部的光信號,具體為觸發、時鐘、急停輸入信號。轉換為電信號並傳遞給所述時序產生模塊，或將時序產生模塊13輸出的電信號轉換為光信號並輸出。
[0023]每個時序控制器內部由時序產生模塊，輸入輸出模塊和通訊模塊共同構成。時序產生模塊使用可編程控制器實現，沒有運行任何軟體程序，所有功能通過硬體實現，提高了時序節點的穩定性。輸入輸出模塊，負責光纖信號輸入輸出。通信模塊負責乙太網通訊。每個節點可以同時輸出多路觸發信號，或者多路時鐘信號。可以實現脈寬可調的延時觸發輸出，也可以實現周期可調的時鐘信號輸出。一個時序控制器可以觸發預期連接的其他時序控制器，從而可以通過數顯網絡實現分布式結構。時序控制器通過通訊模塊連接乙太網，通過一臺計算機就可以監視控制所有的時序控制器，配置其時鐘域觸發參數，並且可以控制其開始、結束運行。時序節點上還有一個急停輸入，在收到急停信號後，可以在一個運行周期內停止所有的觸發輸出。時序控制器硬體設備採用的是標準19英寸機架2U機箱，便於安裝在機櫃中。
[0024]作為本發明的一個實施例，時序產生模塊13可以是一個可編程邏輯器件，如FPGA，CPLD。時序產生模塊13用於實現時鐘以及觸發輸出的生成。時序產生模塊13內部的結構如圖3所示；時序產生模塊13包括時鐘生成模塊131、串口通訊模塊132、控制器133、計數器陣列134、輸出控制模塊135和總線136 ;串口通訊模塊132，控制器133與計數器陣列134都通過總線136連接，同時控制器133通過與它們相連的控制線對他們進行控制；輸出控制模塊135與計數器陣列134連接；同時控制器133通過控制線連接時鐘生成模塊131與輸出控制模塊135。時序產生模塊13通過串口通訊模塊132與外部的通訊模塊12通訊並將指令和時序參數配置通過總線136傳給控制器133，同時將控制器133的指令通過串口傳給外部的通訊模塊12。控制器133用於協調其他模塊的運行。時鐘生成模塊131用於產生計數器陣列134需要的時鐘。輸出控制模塊135可以在控制器133的控制下打開或關閉某一個通道的輸出。計數器陣列134通過對時鐘生成模塊131的時鐘進行計數來產生所需要的觸發和時鐘。工作時，通過串口通訊模塊132與外部通訊；當收到指令時所述通訊模塊將指令和時序參數配置通過串口通訊模塊132通過所述總線傳給控制器，同時將控制器133的運行狀態通過串口通訊模塊132傳給外部的通訊模塊；控制器133協調其他模塊的運行；輸出控制模塊135在控制器133的控制下打開或關閉某一個通道的輸出；時鐘生成模塊131產生計數器陣列134需要的時鐘信號；計數器陣列134對時鐘生成模塊131產生的時鐘進行計數，並產生所需要的觸發信號和時鐘信號。
[0025]作為本發明的一個實施例，時鐘生成模塊131還包括:觸發埠，用於接收外部輸入的觸發信號；時鐘埠，用於接收外部輸入的時鐘信號，以及急停埠，用於接收外部輸入的急停控制信號。
[0026]本發明實施例提供的分布式時序觸發控制系統具有以下優點:(I)本發明系統為分布式結構，時序節點可以安放在需要觸發的設備附近，如同一機櫃內部，減小了布線難度和維護難度。(2 )本發明採用樹形結構網絡連接，每個時序控制器硬體都完全相同，每個時序控制器的輸出既可以給需要觸發和時鐘的設備使用也可以連接其他的時序節點，不需要其他的設備即可以實現聯網，使組網更加靈活。(3)本發明時序節點的輸出既可以輸出觸發，也可以輸出時鐘，同時採用雙計數器實現觸發的脈寬可調。(4)本發明時序節點的工作狀態可以通過乙太網監視，時鐘與觸發配置，工作模式可以通過乙太網進行配置。通過乙太網啟動或停止節點的運行。(5)本發明所有的輸入輸出均為光纖輸入輸出，輸出無需增加隔離或光電轉換設備，在大型實驗裝置強電氣幹擾環境下可以保證遠距離傳輸可靠，不受幹擾。(6)本發明中時序控制器接通電源與乙太網即可使用，同時硬體使用19英寸機架設計，安裝方便。本發明硬體成本極低，如果使用模塊化儀器開發同樣功能的系統，造價大約是本發明的20倍以上。(7)本發明所有時序觸發的產生均由可編程邏輯器件如FPGA產生，沒有軟體參與，保證了定時的高精度及可靠性。
[0027]為了更進一步的說明本發明實施例提供的分布式時序觸發控制系統，現結合具體實例詳述如下:
[0028]電源模塊11可以採用普通(5V，10A)開關電源模塊為時序控制器供電。主板10將其他所有模塊進行連接，提供必要的供電以及接口。通訊模塊12使用帶有乙太網接口的Cortex M4處理器模塊實現。處理器模塊上運行.NET Micro Framework程序,用於實現網絡通信功能。該模塊內部程序將乙太網上的消息通過串口傳遞給時序產生模塊13，並把時序產生模塊13通過串口發送來的消息通過乙太網傳遞給指定的計算機。時序產生模塊13可以由一個Cyclon3FPGA晶片以及其必要的外圍電路構成，如自動配置電路。時序產生模塊13安裝到主板上。時序產生模塊13FPGA內部的串口通信模塊132將對收到的消息進行校驗和檢查，對發出的消息能夠進行計算校驗和，並且擁有緩衝輸入輸出消息的能力。串口通信模塊132通過總線136與其他模塊連接。控制器133管理其他模塊的工作狀態，例如將串口通信模塊132的數據傳輸到計數器陣列134，控制時鐘生成模塊131和輸出控制模塊135。控制器通過串口通訊模塊132把自己的運行狀態發送到通訊模塊12。計數器陣列134內部有64個32位計數器，每個通道有兩個32位計數器，在正常計數工作模式下，通過計數實現觸發延時以及脈寬調節。改變工作模式，使通道內的一個計數器工作在自動重載模式下還可以產生方波，用於時鐘輸出。64個計數器以32個為一組，每16個通道共用一種工作模式。時鐘域觸發的精度可達I微秒。時鐘生成模塊131可在控制器133的控制下使用時序產生模塊13自身的時鐘，或者外部時鐘輸入信號產生計數器需要的時鐘信號。同時將外部的觸發信號和急停信號傳遞給控制器133，控制器133可以根據這些信號控制計數器陣列134的啟動與停止。輸出控制模塊135在控制器的控制下可以關閉部分輸出信號。第一輸入輸出板14和第二輸入輸出板15通過排線連接到時序節點主板上的這個接口。兩塊輸入輸出板略有不同，第一輸入輸出板14上有3路輸入信號,分別為時鐘輸入,觸發輸入,急停輸入。兩塊都有16路光輸出，每一路對應時序產生模塊13的每一個輸出通道,都可以輸出時鐘，或者觸發信號。
[0029]如圖4所示，輸入輸出板的關鍵是光輸出電路。圖4中顯示了兩個輸出通道的電路原理圖。光纖輸出採用的是HFBR-1414光纖輸出模塊。兩個HFBR-1414模塊共用一個SN75451B雙路高速大電流外設驅動器。使用SN75451B驅動HFBR-1414的好處是該晶片速度快，僅有18納秒的典型延時，滿足高精度輸出時鐘和觸發的要求。同時內置了大電流輸出極，可以直接驅動HFBR-1414內部的發光二極體，簡化了電路結構。同時我們利用SN75451B實現了同相輸出，即在高電平時輸出為有光，與HFBR-1414的典型電路正好相反，這樣設計是為了使整個系統運行更加可靠。在某些節點斷電或損壞的情況下光輸出會停止，上述設計避免了輸出無光時導致觸發有效的情況。
[0030]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種分布式時序觸發控制系統，其特徵在於，包括多個時序控制器以及將多個時序控制器連接成樹形網絡的光纖；每個時序控制器用於提供時鐘信號或觸發信號。
2.如權利要求1所述的分布式時序觸發控制系統，其特徵在於，所述時序控制器還包括乙太網接口，用於與乙太網連接。
3.如權利要求1或2所述的分布式時序觸發控制系統，其特徵在於，所述時序控制器包括:主板，與主板連接的電源模塊，設置在主板上的通訊模塊和時序產生模塊，與主板連接的第一輸入輸出板和第二輸入輸出板； 電源模塊用於為所述時序控制器提供直流供電；所述通訊模塊用於將乙太網上傳輸的用於控制時序控制器運行的指令傳遞給時序產生模塊，並將所述時序產生模塊的運行狀態在乙太網上發布；所述時序產生模塊用於生成時鐘信號和觸發信號；所述第一輸入輸出板和所述第二輸入輸出板用於將外部的光信號轉換為電信號並傳遞給所述時序產生模塊，或將所述時序產生模塊輸出的電信號轉換為光信號並輸出。
4.如權利要求3所述的分布式時序觸發控制系統，其特徵在於，所述時序產生模塊包括:時鐘生成模塊、串口通訊模塊、控制器、計數器陣列、輸出控制模塊和總線； 所述串口通訊模塊，所述控制器和所述計數器陣列都連接在所述總線上並通過總線傳輸數據；所述控制器分別通過控制線與所述串口通訊模塊、所述計數器陣列、所述時鐘生成模塊和所述輸出控制模塊連接並對其進行控制； 工作時，通過串口通訊模塊與外部通訊；當收到指令時所述串口通訊模塊將指令和時序參數配置通過所述總線傳輸給控制器，同時將控制器的運行狀態傳輸給外部的通訊模塊；所述控制器協調其他模塊的運行；所述輸出控制模塊在所述控制器的控制下打開或關閉某一個通道的輸出；所述時鐘生成模塊產生所述計數器陣列需要的時鐘信號；所述計數器陣列對所述時鐘生成模塊的時鐘進行計數，並產生所需要的觸發信號和時鐘信號。
5.如權利要求4所述的分布式時序觸發控制系統，其特徵在於，所述時鐘生成模塊還包括:觸發埠，用於接收外部輸入的觸發信號；時鐘埠，用於接收外部輸入的時鐘信號，以及急停埠，用於接收外部輸入的急停控制信號。
【文檔編號】G05B19/418GK103472782SQ201310392637
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月30日 優先權日:2013年8月30日
【發明者】張明, 鄭瑋, 趙青 申請人:華中科技大學