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《中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)》 2020年
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基于开源平台的通用电源控制器研究

李海荣  
【摘要】:本文所述基于开源平台的通用电源控制器的研究是根据质子治疗装置主环动态电源设备特殊的输出需求而提出。在质子治疗装置中,同步加速环上的动态电源及其控制系统是质子治疗装置中重要的子系统,质子治疗装置对动态电源输出的动态励磁电流的同步性、分辨率、动态响应及可靠性等提出了极高的要求。在治疗装置调试阶段,动态电源的本地控制器直接受控于远程IOC,但受限于本地控制器的通信与数据处理能力,且远程IOC仅能够通过简单的交互协议来触发存储在本地控制器上的参考电流波形数据,控制方式存在不够灵活、通信速率低、预存波形耗时长和电源本地控制器负荷重的不足。针对质子治疗装置后期可能对电源提出更高的控制需求,本文开展了基于开源平台的通用电源通信控制系统的预研工作。该系统作为远程用户与动态电源本地控制器的中间媒介,能够协调远程IOC与电源本地控制系统的数据交互与控制策略,可增强整个系统的灵活性以满足更高要求的控制策略。该控制系统的硬件平台结合了开源平台控制器与自研控制器。开源平台作为顶层硬件平台,在其上开发基于实验物理及工业控制系统(EPICS)的上层控制软件及IOC;自研控制器是以现场可编程逻辑门阵列(FPGA)为核心的底层硬件平台,顶层硬件平台与底层硬件平台通过GPMC总线进行数据的高速交互。同时,底层硬件平台还集成了针对动态电源本地控制器的时序分配与数据交互功能,并通过高速光纤控制动态电源输出动态电流波形。实验结果显示该控制系统能可靠且高效的接收来自于远程用户预设的动态电源的输出参考波形数据,并能够可靠的控制动态电源按预设电流波形进行输出,实现多能量平台的引出要求。每秒最高十万条指令传输的实现,百万次数据传输零误码率,及定时和联锁系统的有效结合,提高了整个动态电源控制系统的灵活性。该控制系统作为远程用户与电源本地控制器的中间媒介,能够有效释放电源本地控制器的运算与控制压力,提升动态电源的可靠性。同时,该系统也满足静态电源上层控制需求,是一套架构灵活、扩展性强的通用上层电源通信控制器,可拓展作为通用控制平台进行使用。
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