X光分幅相机控制系统的硬件设计

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摘 要：X光分幅相机广泛应用于国防科技和物理研究，是研究惯性约束核聚变技术的诊断工具之一。提出了一种可对X光分幅相机所需的控制电路的设计方案；该系统采用带有PC104总线和PC104+总线的高性能工控机平台，通过PC104总线扩展CPLD接口，通过CPLD芯片实现高压电源的选通、延时参数设置、导轨电机运行等，从而实现对X光分幅相机的控制，同时采用气压温度传感器芯片HP03SA，实现对环境参数的监测和读取。

【关键词】CPLD PC104 分幅相机 HP03SA

在惯性约束聚变（inertial confinement fusion，ICF）实验研究中，X射线分幅相机可以对靶的诸多参数进行测量，例如压缩靶的对称性、流体不稳定性和界面运动规律等[1]。X射线分幅相机具有二维空间分布和时间分辨的能力。它的发展主要经历了栅极快门式分幅相机、近贴式阴极选通分幅相机和行波选通分幅相机等阶段[2].

本文研制的X光分幅相机是近贴式MCP选通X射线分幅相机的控制系统硬件电路。本控制系统设计方案采用现场工控机与CPLD结合，提高了系统的反应速度和集成性；采用延时线控制延时时间有效减小误差和干扰；采用双温度，湿度传感器使工作环境的监测更加可靠。

1 X光分幅相机控制系统的组成

本控制系统整体设计框架如下图1所示，其主要由下位工控机、CPLD控制板、各电控模块、延时模块、环境监测模块、相机系统等部分组成。其工作原理为：工控机上安装自行设计的人机交互界面，通过PC104接口将相应的控制指令数据发送到CPLD电路控制板，CPLD内部电路对指令数据进行相应硬件译码、执行，从而控制MCP驱动电源、延时电路使光电同步，电机控制电路进行对焦等，以保证变像管正常工作；PC104+总线接口与数据采集卡相连接，实现对CCD的控制，以及数据图像采集。同时实现对相机工作环境温度、湿度、气压等参数进测量。

2 X光分幅相机控制系统的实现

2.1 高压控制模块

其电路控制原理是，CPLD对其相应接口信号发送高（低）电平，可使MC1413的相对应端口输出0V（12V）电压，即而可控制相应的继电器导通，继电器导通后，可将高压模块电路所产生高压施加到相应所控器件上，完成高压电源施加控制工作。高压电源控制模块连接图如下图2所示，用于连接到高压电源模块电路。

2.2 延时电路模块

延时电路模块是由不同长度的同轴电缆和继电器相连接而成。线长的延时而设置长度不同，延时依次为12.8ns，6.4ns，3.2ns，1.6ns，0.8ns，0.4ns，0.2ns，0.1ns，0.05ns。这样当通过控制DT0―DT8信号的数字来实现0-25.55ns的延时设置，步长为0.05ns。其电路连接方法可以参看高压控制模块连接电路。

2.3 步进电机控制模块

本论文采用雷赛公司的DM320C数字式步进电机驱动器，最大细分步数为51200Pulse/rev。有PUL正转，DIR反转，ENA使能三个控制端口。 2.4环境参数监测电路设计

本系统气压和温度测量采用的是深圳市惠贻华普电子有限公司生产的低电压，低功耗，高精度的数字气压传感器芯片HP03SA[4]。该芯片需要CPLD模拟的I2C接口有4个，其中只有SDA既输入又输出，这里对其使用了10K电阻上拉，具体硬件电路见图3。

2.5 CPLD内部VHDL描述

本文采用硬件描述语言即VHDL语言描述和原理图相结合的方式来实现顶层其中地址译码电路模块分配PC104接口的地址；数据读写控制模块负责系统数据的读写，复位、寄存等控制；环境参数监测模块主要为模拟I2C信号，实现与外部I2C接口通信；MCP驱动电源控制模块负责产生驱动MCP上所需要的各种各样的高压电源的各种控制信号；电机控制模块通过PC104总线命令来实现电机的运动；延时触发模块实现接收光的触发信号，来设置电信号的延时数据，来达到光电同步。

3 结论

本文介绍了X分幅相机系统的电控部分硬件设计。实际研制出来的X射线分幅相机系统能完成各项参数的设定和环境参，硬件运行稳定可靠。

参考文献

[1] CAI Hou・zhi，LIU Jin・yuan，NIU Li・hong，et a1.Numeri・cal simulation of MCP dynamic characteristics[J].Jourhal of Applied Optics，2008.29（6）：895-899.（in Chinese）.

[2] 徐大伦.变相管高速摄影[M].第一版. 北京：科学出版社，1990：222-227.

[3] 宋万杰，罗丰，吴顺君.CPLD技术及其应用[M].陕西省：西安电子科技大学出版社，2004：1-11，83-112.

作者单位

1.深圳大学光电工程学院 广东省深圳市518060

2.西安交通大学电气工程学院 陕西省西安市 710049

3.西北电网有限公司 陕西省西安市 710048

4.深圳大学物理科学学院 广东省深圳市518060