重离子治癌加速器控制系统中多功能控制组件的研究

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1、MaoWen-yuADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofEngineeringInstituteofModernPhysicsChineseAcademyofSciencesMaI．ch，2013关‘。F学位论文使用授权的声明奉人在导师指导下宠成的论文及栩关的职务佟品，熟谈产权归糕巾圈科学院近代物理研

2、究所。本人完全了解中国科学院近代物理研究所有关保存、使j}；l学位论文的焱定，阕意研究所保存或内豳家有关部门或祝构送交论文的纸制版和旺予版，允许论文被套阅和僻阕：本人授权中国科学院近代物理研究所可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据麾进行梭索，可以采用任何复制手段保存和il：缡冬学位论文。本人离所后发表、使耀学位论文或与该论文直接糨关的学术论文或成果时，第一署名肇位仍然为中国科学院近代物理研究所。保密论文在解密后应遵守此规定。论姗戳碑㈣躲钮腓．b,3m碉缀创性声明本人郑重声明：本人所鼙交的

3、学位论文，是在导师的指导下独移进行弼f究所取得的成果。学位论文中凡弓

4、用他人已经发表或来发淡的成果、数据、残点簿，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，4i包含侄何其他个入或集体已经发表绒撰写过的科研成浆。对本文的研究成果做出熏要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律资任由本人承担。沦文作者签髹：致谢感谢我的指导老师乔卫民研究员和敬岚研究员对我学习和生活上的无私帮助。两位老师渊博的学识，敏锐的学术洞察力，严谨求实的科研态度是我学业上进步的动力和源泉。乔老师淡泊名利的精神

5、、积极快乐的生活风范，敬老师心细稳妥的处事原则，都是我的重要人生收获。两位老师是求学20年来在各个方面对我影响最深，帮助最大的导师，也是我今后人生奋斗的标杆。感谢马云海老师为我创造的良好设计和实验环境，以及在科研、生活和为人处世上对我的指导和帮助。感谢李桂花师姐在诸多学术为题上给予我的耐心指导和解答，使我开拓了学术眼界，深化了科研思维。感谢张玮老师、杨峰师兄、曾贤强师兄、张硕成老师、王丹老师、孟建老师、王春芳老师、顾可伟师兄、安石师兄等信息室的老师和同学，谢谢大家在生活和学习上对我的帮助和支持。

6、感谢人教处的邱嵘老师、华明漪老师、李明治老师、梁敏乐老师在人事、教务、学习和生活中对我的帮助。最后，感谢我的家人，特别是我的父母和女友朱明月，谢谢你们的理解、鼓励和支持。作者：毛文宇2013年3月摘要重离子治癌加速器需要提供高质量的束流，并实现主动变能。这就对部分快速电源控制系统以及同步系统提出了更高要求。控制上需要提高过程控制的精度和效率；同步上需要在保证同步数据传输实时性的同时提高传输的可靠性和速率。目前兰州重离子加速器上的相应组件，无论从设计架构还是系统性能方面都无法满足这些要求。为此需要

7、以新一代工业控制体系为标准，开发相应的硬件平台和软件处理机制来满足控制和同步中对数据处理、传输的要求，并实现良好的过程控制。此外组件还应兼容现有加速器电源控制和同步模式。为提高设计质量，先后设计了两款控制组件，总体设计思路相同，一款用于实验和调试，一款用于实际应用。本文首先论述了组件的硬件设计架构。对指标要求，芯片选型、原理图设计和最终的PCB设计等都进行了详细阐述。以PXI、PXIe为系统背板总线，通过该总线与前端服务器进行直接、高速的数据交互。以两片高性能的FPGA作为平台的前后端控制器，实

8、现各种数据收发机制和处理功能。DSP作为功能性的实现单元，用于不同应用下的具体调节和计算。以千兆数字光纤作为远程实时数据的传输通路，提高数字电源给定或同步事例收发效率。同时组件还集成有高性能的DAC、DDS、ADC等器件，用以配合FPGA、DSP等实现对模拟电源的控制。组件中的模拟光纤对现有的同步事例系统完全兼容。然后，论文具体论述了组件的底层软件设计。简要介绍了实验组件的PXI接口程序设计。详细介绍了应用组件中PXIe总线与前端服务器的普通传输和DMA数据交互机制及实现过程。前端高速数字光纤模

9、块采用了特殊的信号处理方法实现了800MHz载波、100MHz基带信号的DSPK调制解调过程，同时运用高效BCH编码、帧同步、奇偶校验等机制进一步增强实时数据的传输效率和可靠性。通过前后端FPGA以及DSP的底层软件控制机制，完成本地数据处理、中断Ⅱ摘要交互、数模接口控制等工作。最后在实验室对组件进行了调试和测试。结果表明组件性能达到了相关要求并留有余量。它适用于重离子治癌加速器电源控制系统、同步系统等多种场合，并能为兰州重离子加速器的改造和升级提供支持。关键字：重离子治癌、数据传输、PXle、