一种离子源高速实验参数光隔离传输装置及其控制方法

1.本发明属于光电转换领域，特别涉及一种离子源高速实验参数光隔离传输装置及其控制方法。


背景技术：

2.中性束注入（neutral beam injection，简称nbi）作为加热机理最清晰，加热效果最高的辅助加热手段之一，被广泛应用于核聚变实验装置的等离子体加热和电流驱动。随着磁约束核聚变研究的不断深入，中性束注入系统向着高能量、高功率、稳态运行不断发展。离子源作为中性束注入装置的核心部件，其运行状态直接决定了装置的性能。离子源实验参数测量是掌握离子源运行状态，实现稳态运行最直观、有效的手段。实验参数的采集首先需要解决高电位上信号采集的难题，其次需要将采集到参数进行隔离传输。由于实验现场电磁环境复杂，需充分考虑电磁干扰的问题。目前，实验室采用的技术方案是将商业的采集设备放置在高压平台上进行实验参数的采集，使用采集机箱加采集板卡的模式，如ni，adlink等。但是，这种方案在离子源调试和电极打火期间，因回路电流过大、局部浪涌等因素极易造成严重的设备损坏，带来不必要的损失。
3.离子源实验参数的采集与传输主要有两种方式：现场采集存储：采用商业设备在高压侧对实验参数进行采集存储，通过隔离通信的方式访问现场的采集装置，并读取实验参数的信息。现场采集和隔离传输：采集完实验参数之后，以光纤为媒介进行隔离传输，在低压侧进行信号还原、采集、存储。由于商业设备的成本较高，并且工作于高电位上，容易造成采集设备的损坏。因此，这种采集方式逐渐被取代。目前少有实验装置根据离子源实验参数的特性，分别设计模拟量隔离传输系统对其进行采集传输。


技术实现要素：

4.为有效克服背景技术中采集设备容易损坏，且采集速度较慢，商业成本较高等缺点，本发明提供一种离子源高速实验参数光隔离传输装置及其控制方法，设置高压分压器、电流传感器、高速电光转换单元、高速光电转换单元以及pxi采集平台，通过高速光电转换技术实现高速模拟量的实时采集与隔离传输，将高速数字编码协议与光电传感器结合，实现了弱信号实验参数的隔离传输。
5.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种离子源高速实验参数光隔离传输装置，包括高压分压器、电流传感器、高速电光转换单元、高速光电转换单元以及pxi采集平台，所述高压分压器的分压比例为10000：1，所述电流传感器为霍尔传感器，输出电压信号，用于直流、交流和脉冲信号测量；所述pxi采集平台用于信号采集，同时将模拟信号以txt文件格式存储；所述高速电光转换单元包括供电接口、第一开关电源、第一存储模块、第一数字编码电路、电光转换电路、第一主控芯片、ad转换电路、ad采样芯片、电压调理电路以及输入模块，用于将电信号转换为光信号；
所述高速光电转换单元包括供电电源、第二开关电源、第二存储模块、第二数字编码电路、光电转换电路、第二主控芯片、差分放大电路、da转换电路、da采样芯片以及输出模块，用于将光信号转换为电信号。
6.进一步地，所述供电接口和第一开关电源用于能源输入；所述第一存储模块用于数据存储；所述第一数字编码电路完成数据的串、并转换；所述ad采样芯片用于将模拟量转换为数字量，所述电光转换电路将电信号变成光信号；所述第一主控芯片用于信号控制；所述电压调理电路由反向放大电路和减法电路构成，用于对信号进行放大处理；所述输入模块用于采集信号。
7.进一步地，所述供电电源和第二开关电源作为能源输入；所述第二存储模块作为数据存储；所述第二数字编码电路将数据进行反编码，输出并行数据完成整个数据传输；所述光电转换电路将光信号变成电信号；第二主控芯片用于信号控制；所述差分放大电路将差分信号放大；所述da转换电路通过串联电阻的方式，实现电流至电压转换，产生差分电压信号；所述da采样芯片用于将数字量转换为模拟量；所述输出模块用于输出信号。
8.进一步地，所述ad转换电路接有电压钳位电路，保护ad采样芯片不被瞬间高电压烧毁。
9.进一步地，所述da转换电路转换后的信号经过滤波电路的处理。
10.本发明还提供了一种离子源高速实验参数光隔离传输装置的控制方法，包括以下步骤：步骤一：当进行电转光时，高压分压器、电流传感器输出的电压信号经过电压调理电路进行信号处理，处理的信号通过ad采样芯片转换为8位数据的数字量，然后再经过第一数字编码电路进行并行到串行的转换，最后通过电光转换电路将光信号传输出；步骤二：当进行光转电时，高速光电转换单元接收来自高速电光转换单元的光信号，通过光电转换电路将光信号转换为串行pecl电平信号，第二数字编码电路将光电转换电路的输出信号解码成8bit并行数据，此时的并行数据即为高速电光转换单元采集到的信号值，第二主控芯片采集到8bit并行数据首先判断8bit并行数据的正确性，同时判断采集到的8bit并行数据是否为数据指令，随后将经过判断的8bit并行数据发送至da转换电路，进行数模转换，将模拟量信号经过差分放大，实现模拟量信号的重建，经过重建的模拟量信号进入pxi采集平台实时采集，并以txt形式进行存储，完成高速实验参数的采集与隔离传输。
11.本发明具有以下有益效果：1、本发明通过高速实验参数测量系统采用高速数据编码，以及高速光电转换技术，完成了高速模拟量的实时采集与隔离传输。弱信号实验参数测量系统采用轮询方式，将高速数字编码协议与光电传感器结合，实现了弱信号实验参数的隔离传输。
12.2、本发明通过离子源实验参数测量系统为nbi的高功率、长脉宽稳态运行提供了有力的技术支持。
13.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的
附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明的一种离子源高速实验参数光隔离传输装置的系统结构图；图2为本发明的电光转换单元信号流程图；图3为本发明的光电转换单元信号流程图。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
17.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“外”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
18.实施例一：
19.如图1所示，本发明提供一种离子源高速实验参数光隔离传输装置，包括高压分压器、电流传感器、高速电光转换单元、高速光电转换单元以及pxi采集平台，高压分压器的分压比例为10000：1，电流传感器为霍尔传感器，输出电压信号，用于直流、交流和脉冲信号测量；pxi采集平台用于信号采集，同时将模拟信号以txt文件格式存储；如图2所示，高速电光转换单元还包括供电接口、第一开关电源、第一存储模块、第一数字编码电路、电光转换电路、第一主控芯片、ad转换电路、ad采样芯片、电压调理电路以及输入模块，其主要作用是将电信号转换为光信号；其中，供电接口和第一开关电源作为能源输入；第一存储模块作为数据存储；第一数字编码电路完成数据的串、并转换；电光转换电路将电信号变成光信号；第一主控芯片作为信号控制；电压调理电路由方向放大电路和减法电路构成，其主要是对信号进行放大处理；输入模块用于采集信号。
20.如图3所示，高速光电转换单元还包括供电电源、第二开关电源、第二存储模块、第二数字编码电路、光电转换电路、第二主控芯片、差分放大电路、da转换电路、da采样芯片以及输出模块，其主要作用是将光信号转换为电信号。
21.其中，供电电源和第二开关电源作为能源输入；第二存储模块用于数据存储；第二数字编码电路将数据进行反编码，输出并行数据完成整个数据传输；第二主控芯片用于信号控制；光电转换电路将光信号变成电信号；差分放大电路将差分信号放大； da转换电路实现电流至电压转换，产生差分电压信号；输入模块用于采集信号。
22.其中，ad转换电路还接有电压钳位电路，保护ad采样芯片不被瞬间高电压烧毁。
23.其中，电压调理电路由反向放大电路和减法电路构成，用于对信号进行放大处理。
24.其中，da转换电路转换后的信号需经过lc滤波电路的处理，降低芯片自身噪声对输出信号的影响。
25.本发明还提供了一种离子源高速实验参数光隔离传输装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：当进行电转光时，高压分压器、电流传感器输出的电压信号经过电压调理电路进行信号处理，处理的信号通过ad采样芯片转换为8位数据的数字量，然后再经过第一编码电路进行并行到串行的转换，最后通过电光转换电路将光信号传输出；步骤二：当进行光转电时，高速光电转换单元接收来自高速电光转换单元的光信号，通过光电转换电路将光信号转换为串行pecl电平信号，第二数字编码电路将光电转换电路的输出信号解码成8bit并行数据，此时的并行数据即为高速电光转换单元采集到的信号值，第二主控芯片采集到8bit并行数据首先判断数据的正确性，同时判断采集到的数据是否为数据指令，随后将经过判断的8bit并行数据发送至da转换电路，进行数模转换，将模拟量信号经过差分放大，实现模拟量信号的重建，经过重建的模拟量信号进入pxi采集平台实时采集，并以txt形式进行存储，完成高速实验参数的采集与隔离传输。
26.具体工作原理为：第一编码电路的串行解码芯片型号为cy7b923，第二编码电路的串行解码芯片型号为cy7b933；ad转换电路采用ad9057数模转换芯片；da转换电路采用ad9708数模转换芯片；电光转换电路和光电转换电路的传感器均为hfbr-53d5，其包含光发送电路、光接收电路、以及电子类部件；电光转换单元与光电转换单元作为配套使用。
27.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
28.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：
1.一种离子源高速实验参数光隔离传输装置，其特征在于，包括高压分压器、电流传感器、高速电光转换单元、高速光电转换单元以及pxi采集平台，所述高压分压器的分压比例为10000：1，所述电流传感器为霍尔传感器，输出电压信号，用于直流、交流和脉冲信号测量；所述pxi采集平台用于信号采集，同时将模拟信号以txt文件格式存储；所述高速电光转换单元包括供电接口、第一开关电源、第一存储模块、第一数字编码电路、电光转换电路、第一主控芯片、ad转换电路、ad采样芯片、电压调理电路以及输入模块，用于将电信号转换为光信号；所述高速光电转换单元包括供电电源、第二开关电源、第二存储模块、第二数字编码电路、光电转换电路、第二主控芯片、差分放大电路、da转换电路、da采样芯片以及输出模块，用于将光信号转换为电信号。2.根据权利要求1所述的一种离子源高速实验参数光隔离传输装置，其特征在于：所述供电接口和第一开关电源用于能源输入；所述第一存储模块用于数据存储；所述第一数字编码电路完成数据的串、并转换；所述ad采样芯片用于将模拟量转换为数字量，所述电光转换电路将电信号变成光信号；所述第一主控芯片用于信号控制；所述电压调理电路由反向放大电路和减法电路构成，用于对信号进行放大处理；所述输入模块用于采集信号。3.根据权利要求1所述的一种离子源高速实验参数光隔离传输装置，其特征在于：所述供电电源和第二开关电源用于能源输入；所述第二存储模块用于数据存储；所述第二数字编码电路将数据进行反编码，输出并行数据完成数据传输；所述光电转换电路将光信号变成电信号；第二主控芯片用于信号控制；所述差分放大电路将差分信号放大；所述da转换电路通过串联电阻的方式，产生差分电压信号；所述da采样芯片用于将数字量转换为模拟量；所述输出模块用于输出信号。4.根据权利要求1所述的一种离子源高速实验参数光隔离传输装置，其特征在于：所述ad转换电路接有电压钳位电路，保护ad采样芯片不被瞬间高电压烧毁。5.根据权利要求1所述的一种离子源高速实验参数光隔离传输装置，其特征在于：所述da转换电路转换后的信号经过滤波电路的处理。6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种离子源高速实验参数光隔离传输装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：当进行电转光时，高压分压器、电流传感器输出的电压信号经过电压调理电路进行信号处理，处理的信号通过ad采样芯片转换为8位数据的数字量，然后再经过第一数字编码电路进行并行到串行的转换，最后通过电光转换电路将光信号传输出；步骤二：当进行光转电时，高速光电转换单元接收来自高速电光转换单元的光信号，通过光电转换电路将光信号转换为串行pecl电平信号，第二数字编码电路将光电转换电路的输出信号解码成8bit并行数据，此时的并行数据即为高速电光转换单元采集到的信号值，第二主控芯片采集到8bit并行数据首先判断8bit并行数据的正确性，同时判断采集到的8bit并行数据是否为数据指令，随后将经过判断的8bit并行数据发送至da转换电路，进行数模转换，将模拟量信号经过差分放大，实现模拟量信号的重建，经过重建的模拟量信号进入pxi采集平台实时采集，并以txt形式进行存储，完成高速实验参数的采集与隔离传输。

技术总结
本发明提供一种离子源高速实验参数光隔离传输装置及其控制方法，包括高压分压器、电流传感器、高速电光转换单元、高速光电转换单元以及PXI采集平台，高压分压器分压比例为10000：1，电流传感器为霍尔传感器，输出电压信号，用于直流、交流和脉冲信号测量；PXI采集平台用于信号采集，同时将模拟信号以TXT文件格式存储。本发明通过高速光电转换技术实现高速模拟量的实时采集与隔离传输，将高速数字编码协议与光电传感器结合，实现了弱信号实验参数的隔离传输。的隔离传输。的隔离传输。


技术研发人员：刘伟 赵远哲 崔庆龙 宋士花
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/8/1