STM32开发脉冲中子发生器

2万 · 2019-7-6 16:00

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辅助驱动板主要由隔离电源、光电隔离和电压放大等模块构成。其辅助驱动
板主要实现以下功能:
(1>实现储存器、离子源、加速极三路驱动电源的电隔离。
(2>采集储存器、离子源、加速极实时运行的电压电流信号。
C3)实现储存器、离子源、加速极驱动电源的设计。
辅助驱动板结构如图3.11所示，辅助驱动板实物图如图3.12所示。

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脉冲电路板是脉冲中子发生器控制台设计的核心，它可以产生。-1 OOKHz多
路可调同步脉冲波形，用于离子源触发和中子管的同步，其结构框图如图3.13
所示。脉冲电路板由FPGA芯片、电源模块、下载电路、脉冲升压模块及隔离模
块组成。
各功能模块的作用:
C1) FPGA芯片为脉冲控制芯片，主要作用有:与STM32进行正常的SPI
通信;产生系统所需要的多路可调同步脉冲。
(2)电源模块提供FPGA正常工作所需要的电压。
C3)下载电路固化FPGA工作运行的Verilog程序。
C4)隔离模块实现脉冲电路与中子管、脉冲电路与多道采集卡之间的隔离。

2万 · 2019-7-6 16:12

随着芯片技术的不断发展，FPGA从胶合逻辑到算法逻辑再到嵌入式系统，
它的内部集成了越来越多的处理器和功能[[43]。可以说它改变了半导体产业，同
时也获得了协处理器的名称。与CPU不同的是，FPGA的并行处理体现在逻辑
单元的并发性和流水线的处理方式上，这就使得脉冲同步的实现成为可能。
本项目组早期的脉冲控制电路采用EPM 1270T 144C5这款CPLD，它拥有
1270个逻辑单元，144引脚封装，可以实现简单的脉冲输出功能。在系统加入
Modbus协议或SPI协议后逻辑单元己严重不足，不足以进行脉冲中子发生器控
制系统的深层次研究[[44]。本系统选用Cyclone IV E系列的EP4CE6E22C8N这款
芯片作为脉冲电路的控制芯片。它的最大用户I/O口有179个，可使用逻辑单元
达到6272个，通用PLL2个，支持商业和工业温度等级，稳定可靠，满足项目
需求[45]

2万 · 2019-7-6 16:13

FPGA最小系统设计是脉冲中子发生器控制系统的核心，它直接影响系统的
整体性能。考虑到项目需要，本项目组对EP4CE6E22C8N这款芯片设计了最小
系统，如图3.14所示。
EP4CE6E22C8N这款芯片的最小系统和普通的FPGA略有不同，它需要
3.3V, 2.5V和1.2V三路电源进行供电。值得注意的是，FPGA的145号引脚在
原理图中并未画出，它是芯片的中心引脚，需要与地相连接，否则系统运行异常。

2万 · 2019-7-6 16:13

EP4CE6E22C8N最小系统需多电源供电，它外接有2.5V的PLL模拟电源、
1.2V的PLL数字电源和3.3V的I/O供电电源。本设计采用芯片AMS1117
3.3ID 143 5产生3.3V电压，采用芯片AMS1117 2.5 0837产生2.5V电压，采用芯
片AMS1117 1.2H1418产生1.2V电压。直流供电模块如图3.15所示。

2万 · 2019-7-6 16:13

由于在整个控制系统中离子源触发脉冲需要++15V的脉冲触发信号，这就使
得我们需要将3.3V输出脉冲进行相应的转换。本系统使用DG412芯片来实现复
合脉冲从3.3V至15V电压的转化，原理如图3.16所示。考虑到电路板大小的问
题，本系统将该模块移至辅助驱动板中实现。

2万 · 2019-7-6 16:14

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中子定标器是一个单位宽度的标准核仪器插件，具有定时特性，即输出脉冲
与输入脉冲之间存在确定的延迟。它不但可以作为一般的定标器来使用，也可以
在时间测量系统中用于脉冲幅度的分析[[46]
本文设计的中子定标器用于远程计数中子脉冲个数，它具有不占CPU时间、
自带数字滤波器两大优势，且采集到的脉冲个数与核仪器一三路定标器相比较误
差不大于5%，满足核仪器标准，其结构框图如图3.20所示。中子定标器电路由
电源模块、放大电路模块、比较电路模块、单稳态模块及DA输出模块组成[[47]
各功能模块作用如下:
   }1)放大电路实现了将4路外部脉冲转换为正电压的模拟信号。
C2)快速比较模块完成了对脉冲的阂值选择。
   C3)单稳态触发器将脉冲上升沿进行了一定时间的延迟。
   C4) DA输出模块提供了比较器的阂值。
   CS)主控芯片协调整体电路运行，主要作用为:利用内部的计数器进行脉
冲个数采集;与上位机进行通信。
(6)电源模块提供整个电路的供电。

2万 · 2019-7-6 16:15

本系统需要多电源供电，分别为+SV和士12V供电。一方面，+5V供电经过
三端稳压芯片1117-V3.3产生3.3V电压给STM32主控芯片供电。另一方面，考
虑到外部中子脉冲信号电平范围为一lOV OV，故系统将SV电压经过电源芯片
WRA0515S-3WR2得到士12V电压，用于中子定标器外围电路供电。中子定标器
士12V供电模块如图3.21所示。

2万 · 2019-7-6 16:16

为了满足实验室的需求，系统设计了两种方案:第一种，若外部脉冲信号为
正电压信号，则将P10的3,2引脚相连接，放大电路采用同相跟随电路。第二种，
若外部脉冲信号为负电压信号，则将P10的1,2引脚相连接，放大电路采用反相
放大电路。
考虑到外部中子信号脉宽较窄，频率较高，需要用高速运算放大器来实现放
大器功能，故本系统选用LM318这款芯片来实现。它的压摆率是SOV/us，增益
带宽为1 SMHz，适合对于频率稍高的信号进行放大，满足本系统要求。放大电
路原理图如图3.22所示。

2万 · 2019-7-6 16:16

从探测器出来的中子信号，在经过放大电路后，下一步就是进行阂值选择。
DA1电压值是由主控板直接送出的DA控制信号，它的电压范围为OV 3.3V，考
虑到从放大电路出来的信号电压范围为OV lOV，远大于比较器的输入电压，故
我们将信号幅值降低为原来的1/3后送入比较器中与DA信号进行比较，实现阂
值选择。
本系统选用6引脚LMV761比较器芯片，它是一款具有推挽输出的低电压、
精密放大器，输入失调电压0.2mV，输入偏移量1mV，传播延迟120ns。比较电
路如图3.23所示。

2万 · 2019-7-6 16:17

从探测器出来的中子信号，在经过放大电路后，下一步就是进行阂值选择。
DA1电压值是由主控板直接送出的DA控制信号，它的电压范围为OV 3.3V，考
虑到从放大电路出来的信号电压范围为OV lOV，远大于比较器的输入电压，故
我们将信号幅值降低为原来的1/3后送入比较器中与DA信号进行比较，实现阂
值选择。
本系统选用6引脚LMV761比较器芯片，它是一款具有推挽输出的低电压、
精密放大器，输入失调电压0.2mV，输入偏移量1mV，传播延迟120ns。比较电
路如图3.23所示。

2万 · 2019-7-6 16:18

考虑到外部中子信号脉宽较窄，频率较高，需要用高速运算放大器来实现放
大器功能，故本系统选用LM318这款芯片来实现。它的压摆率是SOV/us，增益
带宽为1 SMHz，适合对于频率稍高的信号进行放大，满足本系统要求。放大电
路原理图如图3.22所示。

2万 · 2019-7-6 16:20

中子信号在经过比较电路后，变成脉宽较窄的脉冲信号(无周期信号)，如
何让单片机采集到较窄的脉冲信号，成为本电路的设计要求。本系统采用单稳态
触发器74HC 123这款芯片，它有多种工作模式，如表3-3所示。本系统选用最
后一种工作模式，即A接地，B接VCC} Ra接比较器输出信号。当引脚检测有
上升沿时，会输出一个可调控脉宽的脉冲信号[[48]

2万 · 2019-7-6 16:23

中子信号在经过比较电路后，变成脉宽较窄的脉冲信号(无周期信号)，如
何让单片机采集到较窄的脉冲信号，成为本电路的设计要求。本系统采用单稳态
触发器74HC 123这款芯片，它有多种工作模式，如表3-3所示。本系统选用最
后一种工作模式，即A接地，B接VCC} Ra接比较器输出信号。当引脚检测有
上升沿时，会输出一个可调控脉宽的脉冲信号[[48]

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