一、項目背景

　　我國第一個具有先進偏濾器位形的非圓截面的托卡馬克核聚變實驗研究裝置環流器二號A（HL-2A）1999年4月開始建設，2002年12月建成，中國從此進入了世界少數幾個中型托卡馬克裝置之列。HL-2A 的大半徑1.65米、小半徑0.4米、環向磁場2.8T、環向等離子體電流480kA，主要目標是開展高參數等離子體條件下的改善約束實驗，并利用其獨特的大體積封閉偏濾器結構，開展核聚變領域許多前沿物理課題以及相關工程技術的研究，為我國下一步聚變堆研究與發展提供技術基礎。

　　在磁約束受控核聚變試驗裝置中，中性束注入（NBI）加熱是提高等離子體溫度、等離子體電流驅動及改變等離子體約束性能控制的最有效方法之一。北京微硬創新科技有限公司研發的可編程時序控制器正是為了有效的控制NBI設備的啟動、時序、停止等工作。

　　二、主要功能

　　1.控制器實現分別以1ms為計時單位和以1us為計時單位的編程（下面簡稱ms時序部分和us時序部分），對應的計時時長分別為5000ms和3ms；

　　2.控制器使用標準的3U－19寸機箱；

　　3.控制器外接220V/3A交流電源；

　　4.控制器具備就地操作和遠程操作功能，就地和遠程操作模式通過設置機箱面板上的功能切換按鈕設置；

　　5.控制器的就地操作使用觸摸屏實現，通過該觸摸屏可以實現對控制器所有輸出通道的輸出脈沖進行編程；

　　6.控制器的遠程操作可使用modbus-rtu通訊和profibus-dp通訊，用戶在實際應用中，可自行選擇配置；

　　7.ms時序部分可輸出8路脈沖信號，每一路都可根據用戶需要進行編程，包括輸出脈沖寬度和延時值；

　　8.ms時序部分輸出的8路脈沖信號對應設置有8路封鎖輸入信號，封鎖信號與控制器輸出的信號進行”邏輯與”，產生真正的時序脈沖輸出；

　　9.ms時序部分設置輸出總封鎖信號一路輸入，所有輸出與該總封鎖信號進行“邏輯與”后產生輸出；

　　10.ms時序部分可實現就地觸發和遠程觸發，觸發方式可由用戶根據控制面板設置的觸發方式按鈕進行選擇；

　　11.us時序部分可輸出4路獨立脈沖信號，每一路都可根據用戶需要進行編程，包括輸出脈沖寬度和延時值，且各路的初始輸出狀態可以編程設置，所有us控制的4路輸出的延時值都以一個統一輸入的觸發信號為基準開始，以1us為計時單位計時；

　　12.控制器的所有輸出信號包括ms部分和us部分需要通過一個DB25接頭將各路輸出信號以TTL兼容的形式輸出，但這些輸出信號必須是獨立器件輸出，不得復用，以免對正常輸出通道造成干擾；

　　13.所有的輸入輸出為電信號，觸發信號為邊沿有效，封鎖信號為狀態電平信號，有效狀態用戶可以根據實際需要進行設置；

　　14.所有的輸出為光信號，發光有效或無光有效，可以根據用戶實際需要進行設置。

　　三、設計描述

　　1.硬件設計

　　控制器內部由2塊電路板組成：控制板和接口板。控制板上包含ARM單片機和FPGA，是核心控制板，根據機箱內空間布局，這塊電路板可分拆為2塊電路板，實現功能不變。接口板安裝在機箱背部，用來轉換所有的輸入輸出信號。如下圖：

　　1.1.ms控制器接口描述

　　輸入信號：遠程觸發信號，封鎖所以輸出的總封鎖信號、對應于8路脈沖輸出的8路封鎖信號，全部為Q9接頭；

　　輸出信號：有8路時序脈沖輸出，全部為Q9接頭。

　　1.2.us控制器接口描述

　　輸入信號：有運行區域信號、觸發啟動信號、打火信號、故障信號，全部為Q9接頭；

　　輸出信號：有4路脈沖輸出信號、結束信號，全部為光纖FC接頭，型號為HFBR-1424。

　　2.軟件設計

　　2.1.控制板設計框圖

　　ARM單片機負責的工作有：與觸摸屏通訊、與外部總線通訊、參數讀寫等；

　　FPGA負責的工作有：接口信號采集、接口信號輸出、時序控制等；

　　2.2.ms控制器運行時序圖

　　2.3.us控制器運行時序圖

　　北京微硬創新科技有限公司是專業從事PROFIBUS、PROFINET工業通訊技術的研發單位，針對特殊的控制要求和工藝要求，我們提供專用的可編程控制器的定制與研發。公司詳細信息參考www.profibus-dp.com