科大反场箍缩实验装置(KTX)误差场主动控制系统原型设计

摘要

科大反场箍缩装置(KTX)是由中国科大完全自行设计、自主研制集成的国内第一个大型反场箍缩实验装置。反场箍缩位形同时存在多种不稳定模式，其中切缝误差场限制了放电时间和等离子体电流的提升，引起放电不稳定并引起严重的等离子体-壁相互作用，甚至可能导致放电的提前终止。为延长等离子体放电时间，提高磁约束表现，必须对误差场进行反馈控制，从而抑制误差场大小。
　　本文研究的主要内容为:应对于当前KTX系统中存在的问题以及物理需求，设计一套基于PID实时主动控制系统，用于抑制切缝处误差场，提高等离子体放电品质与放电时长。
　　本文结构安排如下:
　　第一章为绪论，简要描述KTX主动控制系统的物理背景及设计理念。
　　第二章说明KTX误差场主动控制系统设计需求及物理意义，介绍主动控制系统在KTX放电过程中的位置及作用。
　　第三章为KTX误差场主动控制系统实现硬件设计方案以及对应的软件设计方案，提出FPGA+STM32的设计思路，介绍基于PID控制方法的KTX主动控制系统硬件和软件的设计实现。
　　第四章介绍KTX误差场主动控制系统中芯片选型、原理图与PCB设计等。重点介绍了小信号模拟放大电路及采样电路设计，这部分设计的优劣直接关系到最终控制电压的计算结果数据。在设计方案中，小信号通过屏蔽双绞线传输并通过二级放大电路输出到高精度ADC芯片采样，减少噪声对系统的影响。
　　第五章介绍KTX误差场主动控制系统中FPGA芯片内数据采集存储、组帧传输接收、命令解析、ADC接口控制、DAC更新等功能的逻辑设计实现。
　　第六章为MCU在控制系统中的位置以及网络传输的软件实现，详细介绍STM32移植LwIP网络协议的技术难点，以及SPI与FPGA端口通信的软件实现。
　　第七章总结了本论文主要工作内容，指出KTX主动控制系统设计的不足之处、创新点和需要修改的地方。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究发展与现状

1．3 论文的研究内容与结构安排

第2章 KTX误差场主动控制系统方案调研

2．1 设计需求与物理意义

2．2 KTX误差场主动控制系统实现框架

第3章 KTX误差场主动控制系统设备总体设计

3．1 系统硬件总体设计

3．1．1 KTX主动控制板设计

3．1．2 KTX反馈控制板设计

3．2 系统软件总体设计

第4章 系统硬件电路设计

4．1 核心器件选型

4．1．1 FPGA选型

4．1．2 STM32选型

4．2 电源设计

4．2．1 模拟电源设计

4．2．2 数字电源设计

4．2．3 反馈板电源结构

4．3 串行数据配置电路设计

4．4 信号放大设计

4．5 ADC电路设计

4．6 RS485电路设计

4．7 DAC电路设计

4．8 SPI控制设计

4．9 FPGA网络设计

4．10 USB2．0设计

4．11 DDR2 SDRAM设计

第5章 FPGA逻辑模块设计

5．1 FPGA设计流程

5．2 ADC模块设计

5．3 数据存储模块设计

5．4 矩阵计算模块设计

5．4．1 PID控制线圈电压计算

5．4．2 内部公式模块

5．4．3 外部公式模块

5．5 SPI模块设计

5．6 命令操作模块设计

5．7 RS485模块设计

5．8 DAC模块设计

5．9 USB接口模块设计

第6章 MCU数据网络传输

6．1 LwIP网络协议移植

6．1．1 LwIP协议简介

6．1．2 网络硬件设计

6．1．3 LAN8720A驱动编写

6．1．4 LwIP数据包

6．1．5 UDP协议编程实现与测试

6．2 SRAM设计

6．2．1 SRAM硬件设计

6．2．2 内存表管理

6．3 CH340G串口设计

第7章 测试结果与展望

7．1 KTX误差场主动控制设备测试

7．2 工作总结

7．3 亮点与工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果