中子发生器是一种能产生中子的小型加速装置,它具有产额高、单色性好、安全可控、易携带、方便维护等优点。在石油测井、煤质分析和爆炸物检测等方面有着十分广泛的应用。实际测试中发现,本课题组以往研制的中子发生器控制台下位机系统实时性不够,单片机片上AD采样精度低、驱动采样电路线性度差、硬件系统导线式连接方式导致信号干扰增大、长远距离通信误码率大、系统整体会产生零点漂移等问题。从而影响实验人员对中子管实时状态的把握,进而直接或者间接影响中子产额及其稳定性。针对上述在实际测试中遇到的问题,在继承前辈优秀经验的基础上,设计了一款以FreeRTOS实时操作系统的脉冲中子发生器控制系统,从硬件和软件两方面依靠有针对性的设计,很好的解决了上述实验中遇到的问题,提高了中子产额的稳定性,极大的减少了后期开发和维护的周期以及成本。该控制系统设计主要由硬件系统和软件系统两部分。硬件方面:主要包括下位机核心板最小系统电路、驱动采样电路、储存器电源、离子源电源,加速极电源以及He3探测器。核心板主控芯片采用了适用于工业控制领域的超低功耗的以ARM-CortexM4为内核的嵌入式微控制器STM32f407ZGT6,实现了六通道AD数据采集,产生三通道PWM信号控制三路电源,两路脉冲提供离子源触发脉冲信号和延时同步信号以及串口通信RS-232、RS-485等电路实现。驱动板设计摒弃了前几代的控制板与核心板分离设计以及导线式的数据传输方式,将两者进行整合形成核心板+驱动板整体设计。提高硬件集成度的同时,插拔式的连接方式极大增强了信号传输的稳定性和可靠性。驱动采样电路设计中,利用精密运放设计了低通滤波器将由主控芯片产生的PWM信号转换为连续可调的模拟信号,实现对三路电源的控制;同时设计AD采集电路在进入主控芯片之前进行合理布局与规划,实现对各路电源信息进行实时采集。电源控制电路包括隔离电路以及有源滤波电路;电源电压及电流采集则通过电压跟随电路,以及信号放大电路构成。实验中发现加速极工作在较高电压时,很容易发生突发放电现象,对所在线路乃至整个控制系统都会造成不同程度的干扰,甚至损坏电子器件。为了更好增强控制系统的稳定性,通信方面加入了安全、抗冲击好的RS-485隔离通信模块。并且系统各部分集成了有效器件保护,如瞬态抑制二极管,保险丝等,确保控制系统的有效稳定运行。软件方面:主要包括核心控制板基于FreeRTOS实时操作系统的中子发生器下位机程序,以及上位机LabVIEW控制界面程序。下位机程序设计中,主要包括FreeRTOS在STM32f407ZGT6上的移植,同时在此基础上利用片上硬件资源完成AD采集、采样滤波、PWM信号输出、与上位机实现异步通信功能。根据发生器实际工作状态进行不同任务创建并赋予相应优先级,由操作系统进行任务调度,很好的保证了系统实时性。代码编写方面,使用了分任务的编程方式,极大的提高了代码的可读性和后期维护性;通信方面,实现了ModBus工业通信协议在主控芯片上的移植,通过对相应功能寄存器的读写实现了上下位机之间的有效数据传输。针对片上AD采集精度不高的问题,利用过采样技术通过软件的方式提高采集精度,由原来的12位提高到了16位。上位机程序设计中,针对硬件系统出现的零点漂移,在上位机中实现了零点虚值的调整,提升了控制台与用户交互的友好性。针对上位机开关时造成的大电流冲击问题,在每一路控制部分中加入PID控制算法,延长调节时间从而减小了大电流对中子管的冲击,同时能够达到精准控制;针对整条采样电路中出现的温漂、时漂,利用了最小二乘法对系统出现的非线性误差进行校正,使系统采样的非线性误差减少为0.2%.本文对所设计的中子发生器控制系统进行了实际测试:针对过采样技术和最小二乘法线性拟合进行了数据采集精度测试和整个采样电路的线性度测试,同时对储存器电源、离子源电源、加速极电源等三路电源进行了步长-电压线性度测试。实验证明:三路电源参数能够与上位机步长实现线性调节并且调节精度也得到了增加。其中储存器电源电压调节精度为0.8mV,调节范围为0-5V;离子源电源电压调节精度为1.3V,调节范围为0-3000V;加速极电压调节精度为0.017kV,调节范围0-120kV;本文设计D-T中子发生器性能符合设计要求,中子产额可达1.0×10~8n/s,寿命可达到8000小时,中子产额稳定性在±0.28%以内。