微硬創(chuàng)新研制的PROFIBUS HL-2A可編程控制器是專門用于核聚變實驗裝置的高速控制系統(tǒng)。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(qū)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(chuàng)新科技有限公司研發(fā)的可編程時序控制器正是為了有效的控制NBI設(shè)備的啟動、時序、停止等工作。由于該控制過程速度要求極快，以1us為計時單位，因此通用PLC無法實現(xiàn)。

  以下介紹該控制器的設(shè)計原理及技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)

1.      控制器實現(xiàn)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(yīng)的計時時長分別為5000ms和3ms；

2.      控制器使用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置機箱面板上的功能切換按鈕設(shè)置；

5.      控制器的就地操作使用觸摸屏實現(xiàn)，通過該觸摸屏可以實現(xiàn)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(yīng)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(jù)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(yīng)設(shè)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(chǎn)生真正的時序脈沖輸出；

9.      ms時序部分設(shè)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(chǎn)生輸出；

10. ms時序部分可實現(xiàn)就地觸發(fā)和遠程觸發(fā)，觸發(fā)方式可由用戶根據(jù)控制面板設(shè)置的觸發(fā)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(jù)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(tài)可以編程設(shè)置，所有us控制的4路輸出的延時值都以一個統(tǒng)一輸入的觸發(fā)信號為基準(zhǔn)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(fù)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(fā)信號為邊沿有效，封鎖信號為狀態(tài)電平信號，有效狀態(tài)用戶可以根據(jù)實際需要進行設(shè)置；

14. 所有的輸出為光信號，發(fā)光有效或無光有效，可以根據(jù)用戶實際需要進行設(shè)置。

設(shè)計原理

1.        硬件設(shè)計

控制器內(nèi)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(jù)機箱內(nèi)空間布局，這塊電路板可分拆為2塊電路板，實現(xiàn)功能不變。接口板安裝在機箱背部，用來轉(zhuǎn)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(fā)信號，封鎖所以輸出的總封鎖信號、對應(yīng)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(qū)域信號、觸發(fā)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(jié)束信號，全部為光纖FC接頭，型號為HFBR-1424。

2.        軟件設(shè)計

2.1.      控制板設(shè)計框圖

ARM單片機負責(zé)的工作有：與觸摸屏通訊、與外部總線通訊、參數(shù)讀寫等；

FPGA負責(zé)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