BESⅢ Muon前端读出电子学过流保护系统研究

摘要

本文作为BESⅢ慢控制系统研究工作的一部分，主介绍了针对Muon前端读出电子学的过流保护系统的设计与测试。
　　BESⅢ Muon读出电子学系统由前端FEC子系统以及VME子系统组成。过流保护系统是针对前端FEC子系统设计的，其主要功能是监控FEC数据链的供电电源。在BEPCⅡ束流丢失并击中RPC探测器导致电源输出过流时切断其供电，并将各个电源模块的状态通过以太网实时上传至上位机。
　　本文首先介绍了过流保护系统设计的背景，包括了BESⅢ以及Muon读出电子学系统的概况与现状，说明了设计过流保护系统的必要性。重点介绍系统设计的关键部分，系统硬件设计、软件设计这两方面，最后给出了过流保护系统的测试方案与测试结果。
　　硬件设计部分根据系统整体的方案与指标给出了详细的硬件设计方案。首先根据性能参数选定了TI公司的智能电源开关芯片——TPS2590，以其为核心进行硬件设计，实现对电源供电电流的自动监测与控制，并提供状态指示的功能。其次，使用了基于ARM内核的微控制器实现对TPS2590的监控以及与上位机通信的功能。此外，考虑到强化抗干扰能力的需要（干扰主要包括现场的环境干扰以及束流打偏时的地线干扰），硬件设计上加入光电耦合模块。
　　软件设计主要包括下位机以及上位机程序的设计，重点介绍下位机程序的设计。下位机程序主要实现对TPS2590的监控以及与上位机进行通信两方面的功能，此外，考虑到在现场进行固件升级时按照一般的方法比较费时费力，加入了IAP方式对固件进行远程更新的设计，方便了下位机的固件升级。上位机软件的功能则是与多个下位机通信。
　　样机测试是系统设计的最后一个环节，主要包括了测试的方案与测试结果。测试的方案主要包括功能测试，性能测试，抗干扰能力测试以及长时间工作测试等四个方面，通过这几项测试的结果证明了过流保护系统在功能、性能以及可靠性等各个方面均满足设计需求。最后介绍了过流保护系统在谱仪大厅现场安装并测试的具体情况。
　　本论文取得的主要研究成果如下:
　　1.采用电源开关芯片在硬件层面实现过流保护系统的关键功能，代替原有的数据链快速熔断保险丝。该方法具备快速关断与远程程控恢复等保险丝不具备的优点，同时避免了慢控制系统原先采用的安全联锁管理方法进行过流保护时产生的连锁环路延时;
　　2.针对Muon前端读出电子学的地线干扰问题，过流保护板的供电采用了控制核心与电源开关独立供电的方法隔离地线，并通过光电耦含模块建立连接，增强了系统整体的抗干扰能力。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 BESIII简介

1．2 BESIII μ子鉴别器简介

1．3 Muon读出电子学系统简介

1．4 过流保护系统的设计背景

1．5 论文章节安排

第二章 过流保护系统整体方案设计

2．1 BESIII慢控制系统简介

2．2 过流保护系统设计方案

2．3 过流保护系统设计指标

2．3．1 过流保护系统功能指标

2．3．2 过流保护系统的性能指标

第三章 过流保护系统硬件设计

3．1 过流保护板硬件电路设计方案

3．2 电源开关模块

3．2．1 电源开关芯片选择

3．2．2 电源开关模块电路设计

3．3 微控制器(MCU)模块

3．3．1 MCU与PHY芯片选择

3．3．2 微控制器模块电路设计

3．4 光电耦合模块

3．4．1 光电耦合芯片选择

3．4．2 光电耦合模块电路设计

3．5 本章小结

第四章 下位机程序设计

4．1 下位机程序设计方案

4．2 实时监测模块

4．3 数据上传模块

4．4 命令解释与执行模块

4．5 IAP方式以太网远程更新固件的实现

4．6 本章小结

第五章 上位机程序设计

5．1 开发工具——C#简介

5．2 上位机程序设计方案

5．3 上位机程序具体设计

5．4 本章小结

第六章 过流保护系统测试

6．1 系统样机测试平台

6．2 系统样机测试方案及测试结果

6．2．1 功能测试

6．2．2 性能测试

6．2．3 抗干扰测试

6．2．4 长期稳定性测试

6．3 快速熔断保险丝与电源开关模块串联过流实验

6．4 现场安装与测试

6．5 FEC数据链双电源馈线供电启动实验

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果