專利名稱：超導(dǎo)磁體室溫勻場電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電源，尤其是涉及一種能夠提供40路恒定電流，基于以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用FPGA技術(shù)實現(xiàn)邏輯控制的超導(dǎo)磁體室溫勻場電源。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)磁體的磁場強(qiáng)度一般為7 20T，其磁場均勻度受周圍環(huán)境溫度、電磁等的干擾特別敏感。為了使磁場達(dá)到最佳均勻狀態(tài)，需要多路恒定電流源提供給磁體內(nèi)各個方向的室溫勻場線圈，通過手動方式或者通過計算機(jī)算法實現(xiàn)自動方式修正勻場數(shù)據(jù)，以實時改變室溫勻場線圈的電流值，補(bǔ)償超導(dǎo)磁體的磁場均勻度。
目前，高分辨率超導(dǎo)核磁共振儀依靠進(jìn)口。國外現(xiàn)有核磁共振譜儀超導(dǎo)磁體室溫勻場電源依附其硬件控制臺，以Varian公司最新型號NMRSYSTEM型核磁共振波譜儀的勻場電源為例，其室溫勻場電源依附硬件控制臺，通過專用數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)。
根據(jù)Varian公司最新型號NMR SYSTEM型核磁共振波譜儀用戶手冊對超導(dǎo)磁體室溫勻場電源性能的描述，該超導(dǎo)磁體室溫勻場電源與硬件控制臺彼此之間用16芯信號線相連接，以差分信號形式進(jìn)行信號傳輸。硬件控制臺向勻場電源發(fā)送時序控制信號、多通道DAC地址信號，同時以串行傳輸方式傳輸40路勻場數(shù)據(jù)。超導(dǎo)磁體室溫勻場電源電路由中小規(guī)模集成電路所構(gòu)成，實現(xiàn)對來自硬件控制臺差分信號的電平轉(zhuǎn)換，以及對其中多通道DAC地址信號的譯碼。在來自硬件控制臺的時序控制信號、勻場電源電路譯碼產(chǎn)生的多通道DAC地址譯碼信號以及40路串行勻場數(shù)據(jù)作用下控制多通道D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓。該輸出電壓驅(qū)動電壓-電流(V-I)驅(qū)動電路實現(xiàn)對輸出電流大小、方向的控制。
在這種技術(shù)下，勻場電源依附于硬件控制臺，大部分控制信號均來自硬件控制臺。由于傳輸方式?jīng)Q定了其與硬件控制臺的傳輸距離較短，而且由于采用中小規(guī)模的集成電路，因此不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且降低了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)較簡單獨(dú)立、集成度較高、可輸出多路電流、線性可調(diào)、反應(yīng)快速、輸出電流精度較高、噪聲系數(shù)較低、穩(wěn)定性較高、通用性較好的超導(dǎo)磁體室溫勻場電源。
本發(fā)明設(shè)有勻場控制板、工作電源板、軸向通道驅(qū)動板和橫向通道驅(qū)動板。
3工作電源板為勻場控制板、軸向通道驅(qū)動板和橫向通道驅(qū)動板提供直流穩(wěn)壓電源，勻場控制板與PC機(jī)連接，勻場控制板輸出端分別與軸向通道驅(qū)動板和橫向通道驅(qū)動板連接。
所述工作電源板電路可設(shè)有變壓器、橋式整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路，變壓器輸入端外接交流市電，變壓器輸出端接橋式整流電路輸入端，濾波電路輸入端接橋式整流電路輸出端，穩(wěn)壓電路輸入端接濾波電路輸出端，穩(wěn)壓電路輸出端輸出直流電壓。
所述勻場控制板可設(shè)有FPGA芯片、下載電路、時鐘電路、復(fù)位電路、以太網(wǎng)控制器、RJ45接口和電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路。以太網(wǎng)控制器與PC機(jī)之間通過RJ45接口實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊；下載電路、時鐘電路、復(fù)位電路和電平轉(zhuǎn)換電路分別與FPGA芯片連接，將FPGA芯片的工作電壓轉(zhuǎn)換為勻場電源橫向通道驅(qū)動板以及軸向通道驅(qū)動板所需要的工作電壓。
所述軸向通道驅(qū)動板可設(shè)有D/A轉(zhuǎn)換電路和電壓-電流(V-I)驅(qū)動電路，D/A轉(zhuǎn)換電路輸入端通過軸向通道控制總線與均場控制板連接，D/A轉(zhuǎn)換電路輸出端接電壓-電流(V-I)驅(qū)動電路；所述橫向通道驅(qū)動板可設(shè)有D/A轉(zhuǎn)換電路以及電壓-電流(V-I)驅(qū)動電路，D/A轉(zhuǎn)換電路輸入端通過軸向通道控制總線與均場控制板連接，D/A轉(zhuǎn)換電路輸出端接電壓-電流(V-I)驅(qū)動電路。
所述穩(wěn)壓電源可包括5V/± 15V/± 12V/± 9V電源。所述穩(wěn)壓電路可設(shè)有電源保護(hù)電路。所述勻場控制板與PC機(jī)連接可通過以太網(wǎng)通信連接并接收40路勻場數(shù)據(jù)。勻場控制板輸出端向軸向通道驅(qū)動板和橫向通道驅(qū)動板輸出控制信號，并基于SPI通信協(xié)議串行傳送40路32位勻場數(shù)據(jù)；軸向通道驅(qū)動板提供6路高精度雙向可調(diào)恒定電流送入軸向勻場線圈組，2路轉(zhuǎn)換電壓控制外部鎖場與梯度通道，從而得到勻場線圈的勻場電流；橫向通道驅(qū)動板提供32路高精度雙向可調(diào)恒定電流送入橫向勻場線圈組。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是基于以太網(wǎng)通信方式傳輸來自計算機(jī)的40路勻場數(shù)據(jù)；采用FPGA實現(xiàn)所有邏輯控制信號和數(shù)據(jù)傳輸，啟動40通道D/A轉(zhuǎn)換。各通道D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓驅(qū)動電壓-電流(V-I)驅(qū)動電路從而輸出40路高精度可調(diào)雙向恒定電流驅(qū)動超導(dǎo)磁體內(nèi)的室溫勻場線圈，進(jìn)而補(bǔ)償超導(dǎo)磁場的不均勻度。
基于以太網(wǎng)的超導(dǎo)磁體室溫勻場電源由工作電源板、勻場控制板、軸向通道驅(qū)動板和橫向通道驅(qū)動板構(gòu)成。工作電源板為勻場控制板、軸向通道驅(qū)動板和橫向通道驅(qū)動板提供工作電源。勻場控制板是利用FPGA實現(xiàn)以太網(wǎng)控制模塊、勻場核心控制模塊和nios軟核設(shè)計的嵌入式處理器模塊、電源保護(hù)電路。以太網(wǎng)控制模塊外部連接以太網(wǎng)控制器與PC機(jī)之間通過RJ4510M/100M接口實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，接收來自PC機(jī)端的勻場數(shù)據(jù)并通過勻場核心控制模塊輸出邏輯控制信號，同時啟動軸向和橫向部分基于SPI協(xié)議的多通道16位高精度串行DAC7734的數(shù)模轉(zhuǎn)換。DAC的輸出電壓經(jīng)過電壓-電流(V-I)驅(qū)動電路輸出恒定的勻場電流到勻場線圈調(diào)整控制磁場的均勻度。鎖場控制電路接受鎖場控制信號通過軸向Z0通道實現(xiàn)鎖場的控制。
本發(fā)明的有益效果是由于采用了計算機(jī)軟件技術(shù)和FPGA技術(shù)，實現(xiàn)了基于以太網(wǎng)通信的超導(dǎo)磁體高精度室溫勻場電源，因此具有以下突出優(yōu)點(diǎn)獨(dú)立的通用的設(shè)備、輸出電流精度高、勻場調(diào)整反應(yīng)時間快、穩(wěn)定性高、噪聲系數(shù)低，且提供40路雙向可調(diào)恒定電流輸出。


圖1為本發(fā)明實施例的電路組成框圖。
圖2為本發(fā)明實施例的工作電源板U2的電路原理圖。
圖3為本發(fā)明實施例的勻場控制板U1的電路原理圖。
圖4為圖3中FPGAU1-1、以太網(wǎng)控制器Ul-5、 RJ45接口 Ul-6的電路連接圖。圖5為圖3中FPGAU1-1外圍下載電路Ul-4、時鐘電路Ul-3、復(fù)位電路Ul-2的電路連接圖。
圖6為圖3中電平轉(zhuǎn)換電路Ul-7的電路連接圖。
圖7為本發(fā)明實施例的勻場軸向通道驅(qū)動板U3和橫向通道驅(qū)動板U4的電路原理圖。
圖8為圖7中D/A轉(zhuǎn)換電路U3-2A的電路連接圖。
圖9為圖7中電壓-電流(V-I)驅(qū)動電路U3-1的電路連接圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
如圖1所示，本發(fā)明所述超導(dǎo)磁體室溫勻場電源設(shè)有勻場控制板U1、工作電源板U2、軸向通道驅(qū)動板U3和橫向通道驅(qū)動板U4。
工作電源U2為勻場控制板Ul和軸向通道驅(qū)動板U3、橫向通道驅(qū)動板U4提供穩(wěn)定性、紋波系數(shù)良好、低噪聲的5V/±15V/±12V/±9V的直流穩(wěn)壓電源；勻場控制板Ul與PC機(jī)UO通過以太網(wǎng)通信(在圖1中標(biāo)記為A)接收40路勻場數(shù)據(jù)。勻場控制板U1向軸向通道驅(qū)動板U3和橫向通道驅(qū)動板U4輸出控制信號，并基于SPI通信協(xié)議串行傳送40路32位勻場數(shù)據(jù)；軸向通道驅(qū)動板U3提供6路高精度雙向可調(diào)恒定電流16送入軸向勻場線圈組，2路轉(zhuǎn)換電壓V2控制外部鎖場與梯度通道，從而得到勻場線圈的勻場電流。橫向通道驅(qū)動板U4提供32路高精度雙向可調(diào)恒定電流132送入橫向勻場線圈組。
如圖2所示，工作電源板U2電路由環(huán)形變壓器U2-l、橋式整流電路U2-2、濾波電路U2-3 、穩(wěn)壓電路U2-4和電源保護(hù)電路U2-5構(gòu)成。
交流220V市電輸入經(jīng)過環(huán)形變壓器U2-l得到所需的低壓交流電壓，經(jīng)橋式整流電路U2-2、濾波電路U2-3以及穩(wěn)壓電路U2-4轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷狠敵觯梢缘玫?V/± 15V/±12V/±9V直流電壓輸出。元器件選擇上，為了得到5V/±15V/±12V/±9V的恒壓源輸出,穩(wěn)壓電路U2-4分別采用7805、 7815、 7915、 7812、 7912、 7809、 7909型穩(wěn)壓塊?！?15V電壓輸出受電源保護(hù)電路U2-5的控制。
電源保護(hù)電路U2-5的連接方式如圖2所示。15V、 -15V電源提供保護(hù)電路原理相同。以15V電源輸出保護(hù)為例電壓經(jīng)過兩個電阻所構(gòu)成的分壓電路U2-5-2后與基準(zhǔn)電壓電路U2-5-3的兩個基準(zhǔn)電壓在比較電路U2-5-4比較進(jìn)行比較，若低于低基準(zhǔn)電壓閾值或者高于高基準(zhǔn)電壓閾值則向勻場控制板Ul發(fā)出電壓異常的狀態(tài)信號，勻場控制板Ul在相隔500ms后仍然檢測到異常狀態(tài)信號，便向工作電源板U2的電源保護(hù)電路繼電器U2-5-l發(fā)出控制信號切斷15V直流電壓供電。元器件選擇上，基準(zhǔn)電壓電路U2-5-3的兩個基準(zhǔn)電壓輸出由LM336 2.5V穩(wěn)壓管分壓而得。比較電路采用兩個LM339串接。采用電源保護(hù)電路的目的是確保15V或者-15V電壓工作在指定的工作電壓區(qū)域， 一旦超過便切斷15V和-15V電源。
如圖3所示，整個工作電源板U2電路可提供四套獨(dú)立的、穩(wěn)定性、紋波系數(shù)良好的、低噪聲的5V/±15V/±12V/±9V的直流穩(wěn)壓電源。工作電源板U2向軸向驅(qū)動板U3提供5V/± 15V/± 12V直流穩(wěn)壓電源，為橫向驅(qū)動板U4提供5V/± 15V/± 9V直流穩(wěn)壓電源，向勻場控制板Ul提供5V/± 15V直流穩(wěn)壓電源。這3個板塊彼此獨(dú)立、不共地。勻場控制板Ul基于FPGA芯片Ul-1 ，參考采用ALTERA CYCLONE II EP2C20系列芯片。主要外圍電路包括下載電路Ul-4、時鐘電路Ul-3、復(fù)位電路Ul-2、以太網(wǎng)控制器Ul-5、 RJ45接口Ul-6、電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路Ul-7。
如圖4所示，以太網(wǎng)控制器U1-5采用以太網(wǎng)控制芯片DM9000AE，以太網(wǎng)控制器Ul-5與PC機(jī)U0之間通過RJ45接口 Ul-6實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊。
如圖5所示FPGA外圍下載電路Ul-4、時鐘電路Ul-3、復(fù)位電路Ul-3。時鐘電路采用50MHZ有源晶振。FPGA的可編程特性，本電源板可以通過在線編程或者AS配置方式的實現(xiàn)程序下載。因此設(shè)計上JP1為AS配置方式的程序下載接口， JP2為在線編程的JTAG口。下載電路Ul-4采用配置芯片EPCS16N。
如圖6所示，電平轉(zhuǎn)換電路Ul-7實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換以及加強(qiáng)驅(qū)動的功能。電平轉(zhuǎn)換電路
Ul-7采用電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245AU1-7-1 Ul-7-5,實現(xiàn)將FPGAU1-1的3.3V工作電壓
轉(zhuǎn)換為勻場電源橫向通道驅(qū)動板以及軸向通道驅(qū)動板所需要的5V的工作電壓。為了增強(qiáng)對
驅(qū)動板的驅(qū)動能力，在74LV4245AU1-7-1 Ul-7-5后連接74HC541芯片Ul-7-6
Ul-7-10，從74HC541芯片Ul-7-6 U1-7-10輸出后接JP4、 JP5、 JP6連接口。 JP5同軸向
通道驅(qū)動板U3的JP15相連接，JP4、 JP6分別和橫向通道驅(qū)動板U4的JP14、 JP16相連接。
如圖3所示，在FPGAU1-1內(nèi)部使用Quartus II自帶的SOPC Builder軟件定制了 CPU軟核—NIOS II CPUUl-9、以太網(wǎng)控制模塊Ul-8、 LED驅(qū)動模塊U1-10、 32位FIFOU1-13禾口勻 場電源核心控制模塊U1-12、電源保護(hù)電路U1-11等等。以太網(wǎng)控制模塊Ul-8外部連接以太 網(wǎng)控制器Ul-5接收來自PC機(jī)端U0的40路勻場數(shù)據(jù)。NIOS II CPUU1-9將40路32位勻場 數(shù)據(jù)依次存入32位FIF0U1-13。勻場電源核心控制模塊U1-12從32位FIFOU1-13以先入先 出的順序取出40路32位并行數(shù)據(jù)。勻場電源核心控制模塊U1-12根據(jù)SPI通信協(xié)議，將40 路32位勻場數(shù)據(jù)以SPI串行方式輸出，并相應(yīng)輸出邏輯控制信號控制勻場電源軸向通道驅(qū)動 板U3以及橫向通道驅(qū)動板U4。
如圖7所示，勻場電源的軸向通道驅(qū)動板U3和橫向通道驅(qū)動板U4工作原理和電路結(jié)構(gòu) 大致相同。兩塊驅(qū)動板的主要結(jié)構(gòu)包括D/A轉(zhuǎn)換電路以及電壓-電流(V-I)驅(qū)動電路。如圖7 所示D/A轉(zhuǎn)換電路U4-2C到D/A轉(zhuǎn)換電路U4-2J以及D/A轉(zhuǎn)換電路U3-2B的電路結(jié)構(gòu)雷同。 電壓-電流(V-I)驅(qū)動電路U4-1和電壓-電流(V-I)驅(qū)動電路U3-1電路結(jié)構(gòu)相同，元件參數(shù) 不同。
如圖8軸向通道驅(qū)動板U3為例闡述具體結(jié)構(gòu)連接。軸向通道驅(qū)動板U3采用串行輸入的 DACU3-2-3 (即DAC7734)實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換電路U3-2A。 U3-2-l (AD588)提供基土5V電壓， 并通過放大器U3-2-2 (OP4234)為U3隱2陽3 (DAC7734)提供士5V轉(zhuǎn)換參考電壓。勻場電源 軸向通道驅(qū)動板U3有8路電壓輸出分配給勻場電源的第1到第8個通道。其中第l、 2通道 輸出直接以電壓信號輸出的形式通過四芯信號線送往外部鎖場與梯度通道，其余6路DAC電 壓輸出驅(qū)動6路電壓-電流(V-I)驅(qū)動電路U3-1。
圖9解釋任何一路電壓-電流(V-I)驅(qū)動電路U3-1的結(jié)構(gòu)。電壓-電流(V-I)驅(qū)動電路 U3-l實現(xiàn)電壓電流轉(zhuǎn)換的作用。三極管Q1、 Q2采用達(dá)林頓管，而二極管D1、 D2采用肖特 基二極管。UA、 UB參考采用放大器OP2227。 RS為采樣電阻，建議采用功率達(dá)2W以上的 精密電阻。
橫向通道驅(qū)動板U4有8片DAC7734實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換電路U4-2C到D/A轉(zhuǎn)換電路U4-2J， 產(chǎn)生32路電壓輸出控制后繼32通道電壓-電流(V-I)驅(qū)動電路U4-l，從而提供32通道高精 度雙向可調(diào)恒定電流驅(qū)動其余32路勻場線圈即第9至第40通道勻場線圈。
權(quán)利要求
1.超導(dǎo)磁體室溫勻場電源，其特征在于設(shè)有勻場控制板、工作電源板、軸向通道驅(qū)動板和橫向通道驅(qū)動板；工作電源板為勻場控制板、軸向通道驅(qū)動板和橫向通道驅(qū)動板提供直流穩(wěn)壓電源，勻場控制板與PC機(jī)連接，勻場控制板輸出端分別與軸向通道驅(qū)動板和橫向通道驅(qū)動板連接。
2. 如權(quán)利要求l所述的超導(dǎo)磁體室溫勻場電源，其特征在于所述工作電源板電路設(shè)有變壓器、橋式整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路，變壓器輸入端外接交流市電，變壓器輸出端接橋式整流電路輸入端，濾波電路輸入端接橋式整流電路輸出端，穩(wěn)壓電路輸入端接濾波電路輸出端，穩(wěn)壓電路輸出端輸出直流電壓。
3. 如權(quán)利要求l所述的超導(dǎo)磁體室溫勻場電源，其特征在于所述勻場控制板設(shè)有FPGA芯片、下載電路、時鐘電路、復(fù)位電路、以太網(wǎng)控制器、RJ45接口和電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路，以太網(wǎng)控制器與PC機(jī)之間通過RJ45接口實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊；下載電路、時鐘電路、復(fù)位電路和電平轉(zhuǎn)換電路分別與FPGA芯片連接。
4. 如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)磁體室溫勻場電源，其特征在于所述軸向通道驅(qū)動板設(shè)有D/A轉(zhuǎn)換電路和電壓-電流驅(qū)動電路，D/A轉(zhuǎn)換電路輸入端通過軸向通道控制總線與均場控制板連接，D/A轉(zhuǎn)換電路輸出端接電壓-電流驅(qū)動電路；所述橫向通道驅(qū)動板設(shè)有D/A轉(zhuǎn)換電路和電壓-電流驅(qū)動電路，D/A轉(zhuǎn)換電路輸入端通過軸向通道控制總線與均場控制板連接，D/A轉(zhuǎn)換電路輸出端接電壓-電流驅(qū)動電路。
5. 如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)磁體室溫勻場電源，其特征在于所述穩(wěn)壓電源包括5V/± 15V/± 12V/±9V電源。
6. 如權(quán)利要求l所述的超導(dǎo)磁體室溫勻場電源，其特征在于所述穩(wěn)壓電路設(shè)有電源保護(hù)電路。
7. 如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)磁體室溫勻場電源，其特征在于所述勻場控制板與PC機(jī)連接是通過以太網(wǎng)通信連接并接收40路勻場數(shù)據(jù)。
全文摘要
超導(dǎo)磁體室溫勻場電源，涉及一種電源，尤其是涉及一種能夠提供40路恒定電流，基于以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用FPGA技術(shù)實現(xiàn)邏輯控制的超導(dǎo)磁體室溫勻場電源。提供一種結(jié)構(gòu)較簡單獨(dú)立、集成度較高、可輸出多路電流、線性可調(diào)、反應(yīng)快速、輸出電流精度較高、噪聲系數(shù)較低、穩(wěn)定性較高、通用性較好的超導(dǎo)磁體室溫勻場電源。設(shè)有勻場控制板、工作電源板、軸向通道驅(qū)動板和橫向通道驅(qū)動板。工作電源板為勻場控制板、軸向通道驅(qū)動板和橫向通道驅(qū)動板提供直流穩(wěn)壓電源，勻場控制板與PC機(jī)連接，勻場控制板輸出端分別與軸向通道驅(qū)動板和橫向通道驅(qū)動板連接。
文檔編號H02J1/00GK101673947SQ20091011265
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月13日
發(fā)明者潔 李, 軍 談, 鄭振耀, 忠 陳, 陳海波 申請人:廈門大學(xué)