科大反场箍缩实验装置（KTX）误差场主动控制系统原型设计

发布时间：2017-03-18 23:00

  本文关键词：科大反场箍缩实验装置（KTX）误差场主动控制系统原型设计，由笔耕文化传播整理发布。

【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LwlP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。
【关键词】：科大一环 误差场 FPGA 主动控制 STM32 PID 反场箍缩
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 绪论14-18
• 1.1 引言14
• 1.2 国内外研究发展与现状14-15
• 1.3 论文的研究内容与结构安排15-18
• 第2章 KTX误差场主动控制系统方案调研18-21
• 2.1 设计需求与物理意义18
• 2.2 KTX误差场主动控制系统实现框架18-21
• 第3章 KTX误差场主动控制系统设备总体设计21-26
• 3.1 系统硬件总体设计21-23
• 3.1.1 KTX主动控制板设计21-22
• 3.1.2 KTX反馈控制板设计22-23
• 3.2 系统软件总体设计23-26
• 第4章 系统硬件电路设计26-46
• 4.1 核心器件选型26-27
• 4.1.1 FPGA选型26-27
• 4.1.2 STM32选型27
• 4.2 电源设计27-33
• 4.2.1 模拟电源设计27-29
• 4.2.2 数字电源设计29-32
• 4.2.3 反馈板电源结构32-33
• 4.3 串行数据配置电路设计33-34
• 4.4 信号放大设计34-36
• 4.5 ADC电路设计36-38
• 4.6 RS485电路设计38-39
• 4.7 DAC电路设计39-41
• 4.8 SPI控制设计41-42
• 4.9 FPGA网络设计42-43
• 4.10 USB2.0设计43-44
• 4.11 DDR2 SDRAM设计44-46
• 第5章 FPGA逻辑模块设计46-64
• 5.1 FPGA设计流程46
• 5.2 ADC模块设计46-51
• 5.3 数据存储模块设计51-53
• 5.4 矩阵计算模块设计53-56
• 5.4.1 PID控制线圈电压计算53-54
• 5.4.2 内部公式模块54-55
• 5.4.3 外部公式模块55-56
• 5.5 SPI模块设计56-57
• 5.6 命令操作模块设计57-58
• 5.7 RS485模块设计58-59
• 5.8 DAC模块设计59-60
• 5.9 USB接口模块设计60-64
• 第6章 MCU数据网络传输64-74
• 6.1 LwIP网络协议移植64-70
• 6.1.1 LwIP协议简介64
• 6.1.2 网络硬件设计64-66
• 6.1.3 LAN8720A驱动编写66-68
• 6.1.4 LwIP数据包68-69
• 6.1.5 UDP协议编程实现与测试69-70
• 6.2 SRAM设计70-72
• 6.2.1 SRAM硬件设计70-71
• 6.2.2 内存表管理71-72
• 6.3 CH340G串口设计72-74
• 第7章 测试结果与展望74-80
• 7.1 KTX误差场主动控制设备测试74-78
• 7.2 工作总结78-79
• 7.3 亮点与工作展望79-80
• 参考文献80-84
• 致谢84-86
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果86

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