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​ 一、项目背景 欧洲XFEL（X射线自由电子激光装置）是国际领先的大科学装置，其超导加速器腔体工作频率为1.3 GHz。八个这样的腔体和RF高功率耦合器、调谐器以及其他附件一起组装在一个模块中，在安装到欧洲XFEL的加速器模块之前，所有模块都需要在模块测试台上进行性能测试，为了进行这些试验，DESY建造了一个新的实验设施——AMTF（加速器模块测试设施）。 为确保AMTF的高效运行，需对150个射频功率测量设备进行长期稳定监测，且需满足以下严苛要求： ✓ 短脉冲的峰值RF功率测量:2μs至2ms ✓ 重复率为100毫秒至1秒 ✓ 高动态(55dB):正向校准≤1 kW，调理高达≥ 1MW ✓ 非常高的可靠性(不依赖外部触发信号) ✓ 没有针对不同操作模式的新调整，以确保无误差测量 ✓数据采集系统的开放接口 二、项目挑战 传统功率测量设备存在操作复杂、成本高昂、适应性差等问题，而欧洲XFEL的测试需求包括： 1. 腔体与耦合器功率调节： - 从20μs脉冲起始，逐步提升至1.3ms，功率从0增至1MW - 重复频率2Hz，需实时监控反射/传输功率 2. 加速场校准： - 每周期需同步测量前向功率（Psubforward/sub）、反射功率（Psubreflected/sub）等5类参数 三、方案介绍 为了在空腔中达到尽可能高的加速场，必须相应地调节RF部件，例如RF功率耦合器。这种调节是通过随时间缓慢增加RF功率和脉冲长度来完成的，这“清洁”了RF真空部件，以确保以后的稳定运行。 整个调节过程由复杂的软件控制，并监控许多不同的信号，以确保组件不受损害或破坏。在此调节过程中，最重要的信号是不同的RF功率值。功率测量必须随时提供实际功率值一一错误的值可能会导致器件上的射频功率意外升高，并带来性能下降或器件损坏的风险。 在RF部件已经被调节之后，空腔的发射功率必须被校准到空腔的加速场。对于每个腔，五个不同的功率值是正向P、反射P、透射P、PHOM1、PHOM2。每个模块包含八个空腔，并且AMTF有三个模块试验台。因此，对于整个测试设备，我们必须能够同时测量120个校准的RF功率值(图1)。 图1.AMTF模块试验台功率测量框图 德思特Raditeq提供了RadiPower系列功率计设备，与DESY合作开发出了优化的功率测量设备，其核心优势包括： ✓ 一体化测量： 单设备同时支持峰值功率捕获与脉冲曲线跟踪（替代传统下变频器+ADC方案） ✓ 智能重置： 自动读取峰值后重置，实时记录历史最大值 ✓ 高集成度 ： 40台设备通过USB集线器组网，无缝接入DESY控制软件 图2.AMTF模块试验台的10个德思特Raditeq RadiPower系列功率计阵列 实测效果 ●功率曲线测量动态范围＞65 dB ●脉冲跟踪频率≥4 Hz，完美匹配腔体调节需求 ●150台设备已部署至DESY所有测试站 图3.运行期间闪光腔处反射功率的轨迹 客户评价 “德思特Raditeq的解决方案简化了我们复杂的功率测量流程，其高可靠性和开放性接口为加速器稳定运行提供了关键保障。” —— **Wohl-Dietrich Mötter**，DESY项目负责人 德思特Raditeq RadiPower系列功率计 德思特多功能USB功率计TS-RadiPower是一款快速准确的射频功率头，带有USB接口，连接方便。TS-RadiPower功率计专为执行脉冲、AM、FM、跟踪模式和峰值功率测量而设计，可用于不同的测试环境。该系列头可根据EMC标准进行有效的抗扰度测量。TS-RadiPower®消除了功率计速度这一瓶颈，可实现快速EMC测量！ 德思特实时频谱分析仪限时促销！ ​

作者：温州东昌实业有限公司　蔡永福 故障现象 一辆2020款捷豹XE车，搭载2.0T发动机，累计行驶里程约为4.3万km。车主进厂反映，倒车影像无法显示。 故障诊断 起动发动机，将挡位置于倒挡，中央显示屏上的倒车影像不显示（图1），只显示雷达的界面，点击摄像头按键，倒车影像也不显示。 图1　倒车影像不显示 用故障检测仪（TCD）检测，发现图像处理模块B（IPMB）无法通信；单独点击IPMB，显示没有找到IPMB（图2）。 图2　显示没有找到IPMB 查看维修手册得知，后视摄像头就是IPMB，于是先检查后视摄像头的供电、搭铁及通信线路。根据图3用万用表测量后视摄像头的供电和搭铁，均正常；分别在线测量后视摄像头端子1（CANL）、端子2（CANH）与搭铁之间的电压，为1.99V和2.28V，电压偏低（正常情况下，CANL平均电压为2.1V~2.3V，CANH平均电压为2.7V~2.9V）。 图3　后视摄像头的电路 使用pico示波器测量后视摄像头端子1和端子2上的信号波形（图4），发现CANL、CANH信号均异常。脱开后视摄像头导线连接器，发现CANL、CANH信号均变为一条0V的直线信号，由此推断该条舒适CAN总线支路发生断路（CANL线和CANH线均断路），而图4所测的波形是由后视摄像头发出的。 图4　故障车后视摄像头端子1和端子2上的信号波形 检查后视摄像头的线束外观，未见明显异常。使用万用表测量接头连接排端子2的电压，约为2.98V，端子9的电压约为2.14V，基本正常；用pico示波器测量接头连接排端子2、端子9上的信号波形（图5），正常。诊断至此，确定接头连接排与后视摄像头之间的舒适CAN总线断路。 图5　正常的舒适CAN总线信号波形 仔细检查接头连接排与后视摄像头之间的线束，发现接头连接排旁边的线束被一个线卡勒得很紧（图6）。 图6 线束被线卡紧勒住 解开线卡，发现舒适CAN总线被勒断（图7）。 图7 舒适CAN总线被勒断 故障排除 使用线束修理包修复损坏的线束后试车，倒车影像显示正常，故障排除。 故障总结 检查通信总线的信号时，最好使用示波器进行测量。因为，使用万用表只能测得信号的平均电压，即使所测的平均电压符合正常时的平均电压，也无法判断信号就是正常的，而通过示波器测量信号波形，与正常的信号波形进行对比，可以准确判断通信信号是否正常。

FLUKE 红外热像仪 TIX660 应用案例 1 、电子研发 1 毫米芯片热分析 客户：某知名光电器件制造商 检测难点：温度是 LED 芯片的核心技术指标，代表 LED 器件测设计水平，发热和散热情况直接影响 LED 寿命和颜色质量，由于 LED 芯片非常小，传统检测无法进行测温，如何观察和改善器件发热设计 解决方案： FlukeTIX660 加装微距镜头，安装三脚架根据工况，安装二维、或三维精密移动云台，热像仪通过手动调焦，完成最小目标对焦，调节云台至图像清晰，在热像仪上对图像进行缩放，观测芯片温度分布，通过 SmartView® 热分析软件绘制硫化温度曲线 , 进行后期详细分析。 2 、电子研发液晶屏面板坏点检测 客户：某知名液晶屏制造商 背景：需要对液晶屏面板像素检测，如果有坏点，或其他缺陷，因其内阻较高，在热像仪图像中呈现的是热点， 检测难点：目标小，液晶屏像素尺寸为微米级别，最小尺寸仅 40μm ，温差小，受到整体液晶屏热能传递，坏点温度与正常温度一般在 1℃ 以内。 解决方案： FlukeTIX660 加装微距镜头，防止液晶屏表面发射干扰，安装三脚架，进行拍摄，通过 SmartView® 热分析热图检测。 3 、电子研发 微米级电子器件检测 客 户： 某研究所 检测难点： 常见热像仪可有效检测最小目标通常为 0.2 mm 以上 , 对于微米级芯片来说 , 需要在像素和光学系统上均达到一定性能要求才可准确检测。 解决方案： TiX660 热像仪加装微距镜头 及长焦镜头 , 可检测最小为 32 µm 的目标 , 充分满足研究人员对微米级小目标的检测需求。 4 、精密机械加工检测 客 户： 某装备制造有限公司 检测难点： 精密丝杠在加工中温度必须控制在温升 1 ℃内 , 并需要看到螺纹切削完成后停止时冷却油的瞬间温升 , 设备运行速度最快超过 5 m/s 。 解决方案： TiX660 热像仪使用其录像及低温自动扑捉功能 , 对加工过程中的温度变化进行实时追踪。 5 、精密加工超镜面切削工艺研究 客 户： 某装备制造有限公司 检测难点：超镜面切削加工，对于刀头和材料本身温度进行检测和分析，以改善刀头的进刀控制，由于刀头尺寸较小大范围温度追踪难点，需要看小目标（ 2mm*1.5mm 刀头）的温度，检测距离不能在 10mm 以内，需要同时观察刀头及镜面材料温度，需要有一定视场角 FOV 。 解决方案： TiX660 热像仪加装微距镜头，及可以解决 1.5mm 刀头的较远距离检测问题，又可以将切削同时与镜面材料纳入同一幅热像图范围，使用录像功能可以检测刀头温度变化。

基于Intel(Altera)MAX10系列FPGA的设计案例描述概要 书接前回，不知大家是否还记得 2015 年公历最后一天，熊猫君给大家推荐了 Altera （当时的 Altera 还是 Altera ）的 MAX10 系列 FPGA 呢？三年后的今天，熊猫君想继续展开聊聊，分享分享这三年里实施过的或看到别人实施过的基于 MAX10 系列 FPGA 的应用方案，当然啦，这些应用还是主要集中在控制类、接口类领域，毕竟能力和定位在那里。 案例一：工业相机系统 对一部分工业相机而言，前端最多的是实现 Sensor 采集（或许还有一些简单预处理）和传输，算法应用处理大多在计算机上，一般的方案架构如下： 图 1 部分工业相机的架构图 （ 1 ）如图 1 所示，核心是个 FPGA （需要做预处理的可能会挂一片 SRAM 或者 DDR ），主要担负 Sensor 的配置与数据采集、与工控机的控制交互和图像数据上传等工作； （ 2 ） Sensor 通常分辨率不会太大，也有可能是 Mono 的，也有可能帧率较高，输出接口则是五花八门，有可能是 LVDS 、 Hispi 、 BT601/656/1120 等等各种；配置总线接口则基本是 SPI 或 IIC; 通过 FPGA 逻辑实现数据接收和配置总线接口； （ 3 ）控制接口与计算机交互控制命令或状态，控制命令有可能是设置相机、同步触发等，物理层可能通过 RS-232/422/485 或者 CAN 总线等；通过 FPGA IP 资源实现控制接口； （ 4 ）这里的数据接口输出相机前端系统的数据到工业相机，物理层常用的有 a)USB3.0 ，通常采用 Cypress 的转接桥片， FPGA 实现一个并行存储总线逻辑； b ）以太网，一般会用 UDP 传输，要求高一些的会走一些握手协议， GigE Vision 目前用的比较多，会利用 FPGA IP 资源来实现（当然 GigE Vison IP 并不免费，有人选择花钱买第三方的，也有公司选择自主开发） ; c)CameraLink, 这个大家都熟悉，工业相机用了好些年了； （ 5 ）有一些简单预处理的，会选择挂 SRAM 或 DDR 来缓存，做一些类似于几何拼接、坏点校正、简单的降噪、增强或者 Gamma 之类的（有的用到 18*18 乘法器，看具体算法）； 实际上这里选哪家的 FPGA 并没有什么特殊的优势或者门槛，有用 Xilinx 或 Altera Cyclon 的，也有用 Lattice 的。我这里想说的是，这几年用 MAX10 的越来越多了。大家或许是基于下面的一些原因考虑的吧： （ 1 ）性价比因素：比 Xilinx 的便宜得多，就算是 MAX10 系列的器件和 Lattice 同规模的相比较价格也在同一个水平上，但是用起来会更方便、 IP 资源也多、社区生态也更丰富； （ 2 ）单电源 3.3V 或者双电源（ 2.5V 和 1.2V ）供电：这样能极大的简化电源方案，如果选用单电源 3.3V 的，基本上只要一个电轨就够了； （ 3 ）内置 Flash ：无需再外接程序或数据存储的 Flash ； （ 4 ）汽车认证： AEC-Q100 认证，这对有些应用来说很重要。 综合来讲，用 MAX10 系列器件能够大幅的减少电路尺寸、节省 BOM 成本，但是也有一些缺点，主要集中在单电源供电的器件发热稍大、部分器件的交期较长。 案例二：电源控制 在复杂的系统中往往有多个处理器或处理单元、模组，对掉电、上电和电源调节有特殊的要求，主要体现在时序和反馈调节上。在这里使用 CPLD 太弱、使用其它 FPGA 太费，熊猫君看到用得比较多的是单电源供电的 10M02 （或者 10M04 ，毕竟还是有一些逻辑需求在里面），封装一般用 M153 的（ 8mm*8mm ）。主要实现的功能如下： （ 1 ）上电和掉电时序控制，这个简单， GPIO 输出个高低电平 OK ； （ 2 ）反馈调节：用片上的 SAR ADC 采样电压或者电流数据，通过 SMBUS 对电源管理芯片进行实时调节 ( 也有用 DAC 调节电源 FB 基准的 ) ； （ 3 ）风扇控制：采样温度、 PWM 调节风扇转速的； （ 4 ）有的还会和处理器建立一个通信接口，一般是 SPI 或者 IIC 。 用起来特别方便，一个 3.3V 电源，一片 MAX10 芯片搞定一切，占的地方小，也便宜。 案例三、电机控制 电机控制这一块儿的应用有用作控制步进电机的，也有用在 BLDC （ FOC ）控制上的。 （ 1 ）步进电机：比较简单，就是一个根据输入命令信号生成相位脉冲，真的很简单，主要还是用 10M02 的器件； （ 2 ）用作接口转接的：主要是在 BLDC （ FOC ）控制中采样编码器之类反馈器件的值，编码器接口的协议众多， FPGA 采集到后经过滤波处理（有的用到 18 × 18 乘法器，看算法）通过总线送到主处理器如 TI 的 TMS320F28335/ TMS320F28069 之类的专用的电机控制 DSP 上。对较为复杂的如多机械关节的地方，接入的编码器路数可能还会比较多，这一块儿主要还是用 10M02 和 10M04 的器件较多。 案例四、图像接口 一个是体现在其它接口与 MIPI D-PHY 之间的转接上，监控和显示领域用得比较多，早期主要是用的 Lattice 的方案（基本上自己没法改动），现在也有一些用 MAX10 方案的： （ 1 ）监控领域：主要是做 sensor 的采集到主处理器 MIPI 接口输入 ( 早几年 TI 的方案上也有转并口 BT1120 的 ) ，监控行业现在主要是和华为海思主处理器的 MIPI D-PHY CSI 接口对接； （ 2 ）显示领域：主要是 MIPI D-PHY DSI 转 SDI （用第三方收发器芯片）、 HDMI 、 LVDS 用于中大型屏显示的。 这两种应用大多会用 10M25 和 10M40 双电源（单电源的 LVDS 工作速率要低）的器件。 二个是一些特殊的应用，比如说模拟输出的图像在前端又不能用较大面积电路的。如制冷型探测器的焦平面输出 AD 采样： （ 1 ）传统的办法是分成 2 级或者 3 级： a ）最前端是信号板，套在探测器的脖子上（业内人士清楚这种方式）； b ）中间是 AD 板（这一级也有可能没有，直接放到图像处理板上），主要进行 ADC 采样，离信号板的距离相对近（因模拟信号不适合远距离传输，即使转成差分的）； c ）图像板：接收 AD 板采样的信号（或者是板上本来就有 AD 采样电路）和红外图像处理。这样子带来的不利影响是模拟信号需要较长距离的线上传输，可能会带来干扰或衰减，影响图像质量（这对红外图像系统很重要）；电路多且分散，也会对可靠性带来影响。 （ 2 ）采用 MAX10 的方案，将低功耗 ADC 和信号板合并，实现模拟信号传输路径最优，转成 LVDS 数字信号抗干扰能增强。已知现有的主要是用 M153 封装（ 8*8mm 面积）的那颗料。 另外还有一些其他接口的应用，比如说子母时钟系统，对时码输出有秒对齐要求的，会用它来做接口板输出串口、 1X9 或其他接口的时码。 总之呢， MAX10 的器件在性价比、资源和易用性上还是很有优势的。不过，就目前的国际形势来看，中国还是需要有且必须有自己的真正能够达到规模商用水平的 FPGA ，熊猫君期待那一天尽快到来。感兴趣的同行也可加入 QQ 群： 300148644 进行进一步的技术交流！