《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于光纖數(shù)據(jù)接口的HPM源控制系統(tǒng)設(shè)計
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
金 暉,,卓紅艷,,劉 忠
中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所 高功率微波技術(shù)重點實驗室,,四川 綿陽621900
摘要: 在HPM源控制系統(tǒng)的設(shè)計中,時序觸發(fā)信號及數(shù)字開關(guān)量等經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換處理,,通過光纖連接,,提高控制系統(tǒng)的電磁兼容能力;HPM源輔助運行裝置與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信采用RS485等標準串行總線通信方式以及光纖傳輸介質(zhì),,約定通信協(xié)議,,統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口標準;同時與上級指控系統(tǒng)的連接網(wǎng)絡(luò)采用光纖以太網(wǎng),,完成本地控制系統(tǒng)內(nèi)外數(shù)據(jù)指令的交換,。采用光纖數(shù)據(jù)接口的數(shù)字化信息傳輸網(wǎng)絡(luò),有效隔離后端操作室與前端惡劣的運行環(huán)境,,保證工作人員和儀器的安全;采用光纖代替電纜傳輸,,避免傳輸過程中電磁環(huán)境的干擾,,有效提高傳輸距離。采取以上的技術(shù)措施,,為確??刂葡到y(tǒng)可靠運行、HPM源系統(tǒng)穩(wěn)定工作奠定了基礎(chǔ),。
中圖分類號: TP274
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)09-0078-03
Design of HPM source control system with fiber digital interface
Jin Hui,,Zhuo Hongyan,,Liu Zhong
Science and Technology on High Power Microwave Laboratory,Institute of Applied Electronics,CAEP,Mianyang 621900,China
Abstract: In design of the control system for HPM source, time-series signal and switch data are processed by photoelectric converter. They are linked with fiber to improve the electromagnetic compatibility. RS485 serial communication bus and optical fiber transmission are implemented in the data communication between equipments of HPM source and the control system. Meanwhile,,the communication protocol and data interface are confirmed. To realize interaction of command and data, the link network between C2(command and control) system and the local control system employs optical fiber Ethernet transmission technology. The operating room and the field electromagnetic environment are effectively separated by digital transmission net with fiber data interface to protect personnel and equipment from danger. Replacing cable with fiber, the electromagnetic interference is avoided and the transmission distance increases. The technical basis for the reliable operating of the control system and HPM sources is established with this control technology.
Key words : fiber;digital interface,;HPM source,;serial communication;Ethernet network;embedded control

    在開展高功率微波(HPM)及其相關(guān)技術(shù)研究的過程中,,隨著HPM源功率的進一步提高,,系統(tǒng)產(chǎn)生的微波、高壓放電,、X射線,、電子束強引導(dǎo)磁場等構(gòu)成的復(fù)雜強電磁環(huán)境對于實驗場所電子儀器設(shè)備的準確性、可靠性甚至安全性都構(gòu)成了威脅,。光纖通信技術(shù)以光波作為信息傳輸載體,,以光纖硬件作為信息傳輸媒介,傳輸頻帶較寬,,具有以下主要特點[1-2]

    (1)光纖是絕緣的,,可以隔離發(fā)送端和接收端。

    (2)光纖不受電磁輻射影響,,能夠在充滿噪聲的環(huán)境中進行通信,,抗電磁干擾性強。

    (3)光的頻率高,,具有很大的傳輸帶寬,。其中常用的62.5/125 μm多模漸變型光纖采用1 310 nm波段的LED或  LD光源,傳輸多個光波模式,,適用于幾Mb/s~100 Mb/s的碼元傳輸速率,,傳輸距離為2 km~10 km。

    LTD型長脈沖驅(qū)動源(以下簡稱HPM源)控制系統(tǒng)通過建立光纖以太網(wǎng),、串口光纖網(wǎng)絡(luò)和高精度光纖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的通信接口,,完成控制、監(jiān)測以及通信等主要任務(wù),。在電磁干擾較嚴重的工作現(xiàn)場,,采用全數(shù)字光纖分布式設(shè)計可提高系統(tǒng)抗干擾的能力,保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠,。

1 控制對象及實現(xiàn)功能

    HPM源控制系統(tǒng)監(jiān)控對象主要有初級充電電源,、儲能與脈沖成形系統(tǒng)、開關(guān)氣流系統(tǒng),、微波器件外圍設(shè)備,、真空裝置及其他外部輔助設(shè)施等,與上級指控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示,。將監(jiān)控對象進行分類,,主要包括4類信號:

    (1)數(shù)字開關(guān)量輸入/輸出信號。

    (2)控制時序脈沖輸出信號,。

    (3)約定通信協(xié)議,,通過串行通信完成設(shè)置和傳輸?shù)男盘枴?/p>

    (4)模擬數(shù)據(jù)采集信號,。

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    HPM源控制系統(tǒng)具有實時控制、狀態(tài)監(jiān)測,、數(shù)據(jù)處理和對外通信聯(lián)絡(luò)等功能,,既能單獨控制HPM源實現(xiàn)微波發(fā)射試驗調(diào)試,又能與上級指控系統(tǒng)接口,,接收運行指令,,完成協(xié)同工作。其核心控制單元——PXI嵌入式控制器通過串口完成現(xiàn)場各裝備的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集,,并通過光纖以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至上級指控系統(tǒng)進行處理和顯示,。

2 設(shè)計原理

    根據(jù)HPM源工作對嵌入式控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度、精度等技術(shù)指標要求,,合理采用微機控制和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),,選用NI公司的LabVIEW開發(fā)軟件和基于開放工業(yè)標準PXI體系結(jié)構(gòu)的模塊化儀器系統(tǒng),開發(fā)基于PC和PXI嵌入式控制器的測控系統(tǒng),。該控制系統(tǒng)設(shè)計原理框圖如圖2所示,。

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圖2  控制系統(tǒng)原理設(shè)計框圖

    為可靠實現(xiàn)HPM源的遠程控制功能,在監(jiān)控上位機與運行現(xiàn)場的嵌入式實時控制子系統(tǒng)之間使用光纖組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),。監(jiān)控上位機完成目標參數(shù)設(shè)定以及設(shè)備啟動/停止控制,;嵌入式控制器完成控制時序產(chǎn)生及運行數(shù)據(jù)采集等功能,并將設(shè)備運行狀態(tài)信息發(fā)送至監(jiān)控計算機,。根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)功能,,遠程控制系統(tǒng)分為設(shè)備工作參數(shù)設(shè)置、運行狀態(tài)檢測以及數(shù)據(jù)傳輸三部分,。交換機采用光纖組成遠程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),,經(jīng)多模光纖連接時,單根有效通信距離不小于500 m,。

3 實現(xiàn)技術(shù)途徑

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

    圖2中的控制計算機主要完成編程器,、人機交互界面、數(shù)據(jù)分析及處理等功能,;所有的實時控制任務(wù)、數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)存儲等由本地控制單元中的NI實時嵌入式控制器及各功能模塊完成,,輸入/輸出信號的隔離、放大及轉(zhuǎn)換等功能由信號處理單元實現(xiàn),。

3.1.1 控制計算機單元設(shè)計

    控制計算機主要應(yīng)用于開發(fā)和調(diào)試階段,,完成對嵌入式下位機的任務(wù)管理、工作參數(shù)設(shè)置,、狀態(tài)監(jiān)測顯示,、數(shù)據(jù)處理以及與總控軟件的數(shù)據(jù)指令交互,。上/下位機間通過網(wǎng)絡(luò)連接,接口采用100 Mb/s/10 Mb/s自適應(yīng)全雙工以太網(wǎng)接口,,通信協(xié)議約定為UDP,。在控制計算機操作系統(tǒng)中使用NI LabVIEW實時模塊開發(fā)應(yīng)用程序,通過以太網(wǎng)將程序下載至PXI嵌入式控制器,,嵌入式代碼在實時操作系統(tǒng)上執(zhí)行,。控制計算機通過光纖網(wǎng)口和UDP協(xié)議控制PXI系統(tǒng),,同時對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進行記錄和存儲,,通過GPIB接口對示波器進行控制,讀取示波器采集的數(shù)據(jù),,并根據(jù)需要打印監(jiān)測波形,。

3.1.2 本地控制單元設(shè)計

    本地控制單元內(nèi)置實時嵌入式控制器PXI-8109、定時/計數(shù)卡NI PXI-6602(PXI總線,,8個32位定時/計數(shù)器,,最大80 MHz源頻率)、M系列數(shù)據(jù)采集卡NI PXI-6221(PXI總線,,250 kS/s采樣速率,,16通道單端/8通道差分輸入,輸入分辨率為16位,,2個16位分辨率的模擬輸出通道,,2個32位80 MHz定時/計數(shù)器)以及定時與同步模塊PXI-6682(板載時鐘10 MHz,時鐘精度1 ppm),。本地PXI嵌入式控制單元提供控制和監(jiān)測的各類信號,,完成HPM源的運行控制。

3.1.3 控制信號處理單元設(shè)計

    本地控制單元產(chǎn)生的高精度時序信號必須及時,、準確地傳輸至HPM源各相關(guān)部分,。根據(jù)實際所需要的觸發(fā)信號強度要求,以及強/弱電回路之間,、電磁干擾環(huán)境所產(chǎn)生的影響,,在系統(tǒng)外圍信號處理單元內(nèi)對信號采取了隔離、放大,、電/光轉(zhuǎn)換等相應(yīng)處理,,并通過光纖將信號傳輸至受控部位。

    控制信號處理單元電/光轉(zhuǎn)換處理電路如圖3所示,,其工作原理為:由定時/計數(shù)卡產(chǎn)生5 V/20 μs的TTL電平脈沖信號,,經(jīng)過脈沖變壓器隔離輸出至外部控制單元。為滿足光纖發(fā)送器對輸入信號的功率要求,,保證控制脈沖轉(zhuǎn)換為光信號后可靠地遠距離傳輸,,在電/光轉(zhuǎn)換器前級采用高速大電流開關(guān)外圍驅(qū)動電路,,對TTL電平信號進行電流放大。圖3中通過調(diào)節(jié)電阻R2可以改變流經(jīng)光纖發(fā)送器的前向電流值,。

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    同時,,經(jīng)過電/光轉(zhuǎn)換后的控制信號通過普通多模光纖傳輸至HPM源受控部位,采用相應(yīng)的光/電轉(zhuǎn)換處理,、驅(qū)動放大和隔離等措施,,控制系統(tǒng)按要求正確運行。

    另外,,嵌入式控制子系統(tǒng)采用PXI-8431串口通信板卡以及ADAM-4541光纖轉(zhuǎn)換模塊形成RS485串口光纖網(wǎng)絡(luò),,實現(xiàn)對HPM源外圍裝置(如電源、真空等)的啟/停操作,、運行工作參數(shù)設(shè)置及設(shè)施的工作狀態(tài)監(jiān)測等控制功能,。從HPM源各監(jiān)測部分采集的數(shù)據(jù)信號如果實時性要求高(如故障報警等),則必須在現(xiàn)場裝置控制單元內(nèi)進行采集轉(zhuǎn)換成光信號,,一對一地發(fā)送至控制信號處理單元,。光纖收發(fā)接口電路如圖4所示。

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    由控制計算機板卡產(chǎn)生的數(shù)字開關(guān)信號通過外圍控制單元的處理電路(如圖5所示),,采用多模光纖傳輸至HPM源受控裝置,,再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換處理控制其啟動或停止工作。

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    圖5中光電耦合器D1作為控制信號產(chǎn)生單元與后級HPM源的第一級電氣隔離,,繼電器D5作為第二級電氣隔離,,利用光纖作為高低壓側(cè)之間的絕緣介質(zhì)和控制信號的通信介質(zhì),確保HPM源裝置的正常運行,。同時,,由于計算機控制系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)字開關(guān)信號是TTL電平,通過光耦隔離輸出不能直接驅(qū)動后級繼電器動作,,所以選用高壓大電流晶體管器件,,滿足繼電器驅(qū)動使用要求。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

    控制系統(tǒng)軟件分為兩部分,,即開發(fā)調(diào)試使用的控制計算機人機界面軟件和嵌入式PXI控制單元的實時控制軟件,。人機界面軟件是在Windows平臺下,利用LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)進行編制,;實時控制軟件是在Windows環(huán)境下利用LabVIEW RT編程,,然后通過以太網(wǎng)下載到實時嵌入式控制器PXI-8109 RT中,控制計算機可對其進行遠程監(jiān)控,。

    控制計算機軟件的總體結(jié)構(gòu)選用LabVIEW提供的狀態(tài)機結(jié)構(gòu),解決有順序的控制問題,。狀態(tài)機結(jié)構(gòu)由While Loop內(nèi)部的一個Case結(jié)構(gòu)和位移寄存器中所攜帶的Case選擇器組成,,其每個框架可以向下一個迭帶中的其他框架傳輸控制或直接終止WhileLoop,,允許用戶執(zhí)行任意數(shù)量的執(zhí)行操作,并且每一個操作都可以調(diào)用一個子程序,,提高整個程序的運行效率,。

    實時控制軟件分為三部分,即與上位機的通信,、實時任務(wù),、瞬時數(shù)據(jù)記錄。其中控制參數(shù)的輸入通過以太網(wǎng)通信的方式由上位機傳到實時控制器,,運行過程采集的實時數(shù)據(jù)也是通過同樣的方式從控制器傳到上位機,;實時任務(wù)執(zhí)行過程中,根據(jù)判斷所采集的運行狀態(tài)正常與否,,可以立即終止控制信號的產(chǎn)生,,避免更大的故障發(fā)生;利用RTFIFO將實驗過程的數(shù)據(jù)記錄下來,,當實驗結(jié)束,,即CPU時間寬裕時,將數(shù)據(jù)寫入磁盤,。

    HPM源運行現(xiàn)場產(chǎn)生的微波,、高頻電磁脈沖和磁場等都會對本地嵌入式控制系統(tǒng)形成干擾,電磁兼容的處理是控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的首要問題,。針對HPM源運行裝置與控制系統(tǒng)的測控連接形式,,數(shù)據(jù)通信采用RS485等標準串行總線通信方式以及光纖傳輸介質(zhì),約定通信協(xié)議,,統(tǒng)一接口標準,;時序觸發(fā)信號及數(shù)字開關(guān)量等經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換處理,通過光纖連接,,進一步提高了控制系統(tǒng)的電磁兼容能力,。同時與上級指控系統(tǒng)的連接網(wǎng)絡(luò)采用光纖以太網(wǎng),完成本地控制系統(tǒng)內(nèi)外數(shù)據(jù)指令的交換,。

    在HPM源控制系統(tǒng)的設(shè)計中,,采用光纖數(shù)據(jù)接口組成數(shù)字信息傳輸網(wǎng)絡(luò),有效隔離了后端控制室與前端高壓大電流的強電磁運行環(huán)境,,保證了工作人員和儀器的安全,;采用光纖代替電纜傳輸,避免了傳輸過程中周圍惡劣環(huán)境的干擾,,提高了傳輸距離,。采取以上的技術(shù)措施,為確保控制系統(tǒng)可靠運行和HPM源裝置穩(wěn)定工作奠定了基礎(chǔ),。

參考文獻

[1] 邱昆,,王晟,邱琪,,等.光纖通信[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,,2008.

[2] 韋英華.一種基于光纖傳輸?shù)谋O(jiān)測信號處理系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008(15):140-143.

[3] SAETHRE R,,KIRBIE H,,CAPORASO G,et al.Optical control,,diagnostic and power supply system for a solid state induction modulator[C].Proceedings of 11th IEEE International Pulsed Power Conference,,Baltimore Maryland,1997:1397-1402.

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