PFN監(jiān)控系統(tǒng)混合串行通信方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉福才 李 坤 張興娟 王 猛

（燕山大學(xué)西校區(qū)電院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

PFN（脈沖形成網(wǎng)絡(luò)）是對(duì)儲(chǔ)能元件緩慢充電，然后在短時(shí)間內(nèi)對(duì)能量脈沖壓縮、整形、匹配等處理，得到各種理想的高幅度、大功率、陡前沿的脈沖輸出。脈沖形成網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛用于可控?zé)岷司圩?、電熱化學(xué)發(fā)射、電磁發(fā)射、高能電子加速器等[1]。它能產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，對(duì)通信傳輸帶來了很大的干擾，而通信對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測和控制的正常運(yùn)行又具有至關(guān)重要的作用，因此在強(qiáng)電磁環(huán)境下對(duì)通信的抗干擾能力提出了更高的要求。本文結(jié)合PFN實(shí)際應(yīng)用情況，提出了一種強(qiáng)磁環(huán)境下的混合通信設(shè)計(jì)方法。通過把光纖通信、RS485等通信靈活地結(jié)合起來，提高了其抗干擾的能力，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。本文重點(diǎn)介紹PFN通信部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 混合通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在PFN監(jiān)控系統(tǒng)中主要包括以下幾個(gè)單元:監(jiān)控計(jì)算機(jī)（PC），基于DSP的軟開關(guān)高壓充電電源U1，觸發(fā)控制單元U2，B探針膛內(nèi)速度檢測單元U3，膛外網(wǎng)靶速度檢測單元U4等。首先，監(jiān)控計(jì)算機(jī)啟動(dòng)高壓充電電源對(duì)PFN中電容充電，當(dāng)電壓值達(dá)到設(shè)定電壓時(shí)，停止充電。然后，由監(jiān)控計(jì)算機(jī)控制觸發(fā)控制單元U2對(duì)PFN放電。最后，由以TMS320F240為核心的B探針檢測單元U3對(duì)B探針的信號(hào)進(jìn)行采集，網(wǎng)靶速度檢測單元U4則對(duì)網(wǎng)靶的信號(hào)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

圖1 PFN通信系統(tǒng)基本框圖

通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則:首先，抗干擾能力強(qiáng)，保證測控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行;其次，實(shí)時(shí)性好，響應(yīng)速度快;第三，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率低，以確保人身和設(shè)備的安全[2]。

在PFN監(jiān)控系統(tǒng)中，由一臺(tái)工控機(jī)作為控制中心，完成充電控制、B探針信號(hào)檢測、網(wǎng)靶速度檢測、觸發(fā)控制等任務(wù)。計(jì)算機(jī)通過串口向各個(gè)下位機(jī)下達(dá)控制命令和進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，因此通信系統(tǒng)需設(shè)計(jì)成一機(jī)對(duì)多機(jī)通信的方式。圖1為PFN整個(gè)通信系統(tǒng)框圖。

計(jì)算機(jī)首先通過串行口COM端發(fā)送RS232信號(hào)，由RS232轉(zhuǎn)TTL模塊轉(zhuǎn)換成下位機(jī)可以識(shí)別的TTL信號(hào)，再由TTL轉(zhuǎn)光纖模塊轉(zhuǎn)換為光信號(hào)接入混合通信板。

混合通信板接收到光信號(hào)后，首先由混合通信板的光纖轉(zhuǎn)TTL部分轉(zhuǎn)化成TTL信號(hào)，然后以兩種形式發(fā)送信號(hào)。一種是由MAX1480B把TTL信號(hào)轉(zhuǎn)化成RS485信號(hào)，與B探針信號(hào)檢測、網(wǎng)靶速度檢測模塊以及觸發(fā)模塊等設(shè)備進(jìn)行通信;另一種是將轉(zhuǎn)化來的TTL信號(hào)原封不動(dòng)地轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，與充電模塊進(jìn)行通信。

由混合通信板轉(zhuǎn)換成的RS485信號(hào)與U2、U3、U4等之間采用RS485通信，這些模塊主要用作系統(tǒng)的B探針信號(hào)檢測、網(wǎng)靶速度檢測以及觸發(fā)控制等。RS485構(gòu)成的總線型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用主從方式進(jìn)行多機(jī)通信，這里的主機(jī)是工控機(jī)，從機(jī)是DSP構(gòu)成的各功能模塊。

由混合通信板出來的光信號(hào)再通過充電板的光纖轉(zhuǎn)TTL模塊轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)直接與充電模塊進(jìn)行通信。這里采用RS232通信是因?yàn)镽S485通信是半雙工的，不可以同時(shí)接收發(fā)送數(shù)據(jù)，在充電的時(shí)候，一些下位機(jī)模塊會(huì)每隔一定時(shí)間上傳數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，充電模塊可能因?yàn)镽S485通信占線而無法順利發(fā)送充電停止的命令，從而對(duì)設(shè)備和參試人員的安全構(gòu)成威脅。為了保證其在任何情況下都保持通信的通暢，防止無法向充電模塊發(fā)出停止等命令而導(dǎo)致危險(xiǎn)情況，此處采用了RS232通信。

以上各通信過程均可逆，數(shù)據(jù)的接收是命令發(fā)送的逆過程。

2 PFN通信系統(tǒng)各部分實(shí)現(xiàn)

2.1 RS232轉(zhuǎn) TTL 電路

圖2 RS232轉(zhuǎn)TTL信號(hào)電路

RS232是比較常見的一種通信方式。一般計(jì)算機(jī)都配有RS232串行口COM1，計(jì)算機(jī)的串口COM端輸出的RS232信號(hào)，邏輯“1”是－3到－15V，邏輯“0”是+3到+15V。以DSP為核心的各個(gè)模塊識(shí)別的串口信號(hào)是 TTL電平信號(hào)，邏輯“1”是5V，邏輯“0”是0V。這里選用MAX2323芯片實(shí)現(xiàn)RS232到TTL的電平邏輯轉(zhuǎn)換，MAX2323電路圖如圖2所示。PCTX發(fā)送的RS232信號(hào)從R1IN輸入，從R1OUT輸出F240能識(shí)別的TTL電平信號(hào)TTLRX;TTLTX和PCRX同上。

2.2 光纖口電路

光纖通信是以光波為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的一種通信方式。

在光纖通信的系統(tǒng)中，系統(tǒng)傳輸距離主要由光纖的損耗決定。光纖損耗隨波長的加長而減小，光收發(fā)器采用HP的820nm波長的HFBR-0400系列。該系列中的 HFBR-1412/HFBR-2412最長距離可以達(dá)到2700m，在1500m可以達(dá)到5M的速度。HFBR-1412調(diào)制簡單，用一個(gè)低阻抗、高電流速率的外圍驅(qū)動(dòng)芯片SN75452就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制.HFBR-2412內(nèi)部集成了包括PIN光電檢測器和直流放大器，其輸出可以直接與TTL及CMOS電平相連[3－4]。

本文中用到的TX光纖口和RX光纖口都采用HFBR-0400器件使用手冊(cè)給出的光纖電路。包括計(jì)算機(jī)端的TTL與光纖轉(zhuǎn)換模塊，充電端的光纖轉(zhuǎn)TTL信號(hào)模塊和混合通信板中的光纖口。

2.3 混合通信板設(shè)計(jì)

混合通信板是計(jì)算機(jī)與所有下位機(jī)數(shù)據(jù)交換的樞紐，也是本文的重點(diǎn)所在?？刂浦行牡挠?jì)算機(jī)只需要用COM端就能實(shí)現(xiàn)與整個(gè)系統(tǒng)的所有下位機(jī)進(jìn)行通信，簡化了線路，提高了計(jì)算機(jī)的利用率。

（1）混合通信板原理圖

混合通信板匯合了光纖通信、RS232通信和RS485通信。圖3是混合通信板的通信原理圖。

混合通信板接受到來自計(jì)算機(jī)的光信號(hào)后，首先轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)，一部分由MAX1480B轉(zhuǎn)變成RS485信號(hào)，另一部分直接由光纖口變?yōu)楣庑盘?hào)發(fā)送給充電單元?；旌贤ㄐ虐迨钦麄€(gè)PFN通信系統(tǒng)的中樞。

圖3 混合通信板原理圖

（2）用MAX1480B免控實(shí)現(xiàn)TTL信號(hào)到RS485信號(hào)的轉(zhuǎn)化

MAX1480B是由美國MAXIM公司生產(chǎn)的完整的帶光電隔離的RS485數(shù)據(jù)通信接口芯片，它的最主要特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)器具有限擺率的功能，可使電磁干擾降到最小，并且能減小由于終端不匹配而引起的反射。MAX1840B由光耦合器，DC-DC轉(zhuǎn)換器和RS485模塊三部分構(gòu)成。

RS485是半雙工的，需要進(jìn)行收發(fā)控制，DE端是信號(hào)發(fā)送和接收使能端。一般的設(shè)計(jì)中是采用微控制器對(duì)DE控制，但這么做有兩個(gè)弊端:一是使設(shè)計(jì)成本增加，硬件電路復(fù)雜;二是需要對(duì)微控制器進(jìn)行編程，波特率變化和通信協(xié)議參數(shù)變化時(shí)，要改變延時(shí)參數(shù)，很不方便[4－5]。

因此本混合系統(tǒng)采用了免控制的TTL/RS485轉(zhuǎn)化，完全從硬件上實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)換器收發(fā)控制，與通信速率和通信方式無關(guān)，免除了當(dāng)通信協(xié)議改變時(shí)，需重新改變參數(shù)。其接線原理圖如圖3右半部分所示。

在TTL信號(hào)中，+5V是邏輯“1”，0V是邏輯“0”。而 RS485接口采用差分電平方式傳輸，當(dāng)兩根傳輸線滿足A－B＞ =200mV時(shí)為邏輯“1”，當(dāng) A－B ＜= －200mV時(shí)為邏輯“0”。

圖中TXD與GND經(jīng)過異或門后直接接到DI端，這樣TXD與DI端的邏輯是相同的。同理TXD與VCC經(jīng)過異或門后直接接到DE端，TXD與DE邏輯相反。通常情況下，串口不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TXD為邏輯“1”，DE 為邏輯“0”，接收端使能，MAX1480B 隨時(shí)準(zhǔn)備接收來自RS485方向的信號(hào)。當(dāng)串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，分為兩種情況:TXD發(fā)送邏輯“0”時(shí)，DI端為“0”，DE端為“1”，MAX1480B發(fā)送使能，TTL的數(shù)據(jù)正常發(fā)送到RS485接口上，DI上的邏輯“0”發(fā)送過去，即A－B＜= －200mV;當(dāng)TXD發(fā)送邏輯“1”時(shí)，DI上的邏輯是“1”，而DE上的邏輯是“0”，MAX1480B發(fā)送功能關(guān)閉，DI上的邏輯“1”不能通過MAX1480B發(fā)送到RS485端，但A端和B端分別接上了上拉電阻和下拉電阻從而實(shí)現(xiàn)了A－B＞ =200mV，RS485接口接收到邏輯“1”信息，保證了TTL到RS485的正確通信。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于通信載體是雙絞線，它的特征電阻為120Ω左右。因此要在位于總線兩端的差分端口VA與VB之間跨接120Ω匹配電阻，以減少由于不匹配而引起的反射、吸收噪聲，有效地抑制了噪聲干擾[6]。

2.4 RS485總線傳輸?shù)能浻布O(shè)計(jì)

2.4.1 硬件設(shè)計(jì)

RS485部分的數(shù)據(jù)傳輸采用主從站的方法，如圖1所示用RS485構(gòu)成的總線型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用主從方式進(jìn)行多機(jī)通信。開始時(shí)所有從機(jī)復(fù)位，即處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待主機(jī)的呼叫[6]。從混合控制板輸出的RS485信號(hào)，把所有利用RS485通信的模塊并聯(lián)在RS485總線上，計(jì)算機(jī)把命令發(fā)送到RS485總線上，各個(gè)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)也是發(fā)到RS485總線上?？偩€上的所有從站接收到報(bào)文后，把報(bào)文中的目標(biāo)地址與該從站本身地址做比對(duì)，如果匹配則對(duì)報(bào)文進(jìn)行處理，不匹配則不予理睬。

2.4.2 軟件設(shè)計(jì)

圖7 報(bào)文框架

計(jì)算機(jī)把一組數(shù)據(jù)發(fā)送到RS485總線上，所有模塊均接收到該數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的區(qū)分通過訂制報(bào)文來解決的。圖7就是實(shí)際所用的報(bào)文框架。報(bào)文頭解決總線上一些亂碼對(duì)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的干擾，發(fā)送端地址對(duì)應(yīng)著數(shù)據(jù)的來源，接收端地址指定數(shù)據(jù)的去向，數(shù)據(jù)類型決定了數(shù)據(jù)是具體接收模塊，報(bào)文尾是數(shù)據(jù)全部接收到的標(biāo)志?？偟膩碚f，發(fā)送端地址和接收端地址是指計(jì)算機(jī)或者以DSP為核心的下位機(jī)，數(shù)據(jù)類型是對(duì)各個(gè)以DSP為核心的下位機(jī)的區(qū)分[7]。

例如:報(bào)文頭用7E E7 7E，PC的代碼是58，DSP下位機(jī)用F3，報(bào)文尾0D，數(shù)據(jù)類型則是每個(gè)模塊都有自己的代碼，例如模塊1定義為01，模塊2定義為02，模塊N定義為N。一組報(bào)文為:7E E7 7E 58 F3 01……0D此報(bào)文是計(jì)算機(jī)發(fā)送給下位機(jī)模塊1的報(bào)文，當(dāng)其他模塊接收到這個(gè)報(bào)文后，對(duì)比地址不是自己的，則對(duì)此報(bào)文不予理睬。下面詳細(xì)介紹DSP命令報(bào)文檢測程序。

以上程序說明:當(dāng)下位機(jī)接收到RS485總線上的數(shù)據(jù)后，首先檢測此報(bào)文前五位，最先接收到的數(shù)據(jù)依次與RED_HEAD中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其中的任何一位與RXD_HEAD中的數(shù)據(jù)不相同，都返回到SCI_RX_BACK，對(duì)AR4和AR6進(jìn)行初始化，再返回到主程序中。只有前五位與RXD_HRAD中的數(shù)據(jù)相同時(shí)，對(duì)JS_mark進(jìn)行置位，接收數(shù)據(jù)使能。開始全部地接收數(shù)據(jù)，直到收到0D停止接收，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測、判斷。

RS485總線中接有電壓檢測和電流檢測的單元，會(huì)給上位機(jī)PC上傳數(shù)據(jù)，DSP向計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)首先打包，在7E E7 7E F3 58……0D中添加數(shù)據(jù)，然后發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送到RS485總線上，通過混合通信板發(fā)送給計(jì)算機(jī)，由于計(jì)算機(jī)識(shí)別的是7E E7 7E F3 58……0D格式的數(shù)據(jù)，接收地址是58的數(shù)據(jù)包，接收并處理數(shù)據(jù)。由于共用RS485總線，各RS485模塊也接收到此數(shù)據(jù)，但是接收地址和發(fā)送地址不相符，各模塊接收后便丟掉。

在必要的時(shí)候RS485各模塊之間也可以互相發(fā)送命令，命令格式與PC發(fā)的命令格式相同，例如模塊1給模塊2發(fā)送命令7E E7 7E 58 F3 02……0D，此時(shí)PC接收到此格式的命令，不是它要處理的數(shù)據(jù)，就丟掉了。只有模塊2會(huì)響應(yīng)此命令，其他模塊也不響應(yīng)此命令。

2.5 充電單元的通信

混合通信板輸出的光信號(hào)，發(fā)送到充電單元，由充電控制板上的光纖轉(zhuǎn)TTL信號(hào)模塊，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL，然后與充電單元進(jìn)行通信，這里不再詳述。

3 結(jié)論

在PFN監(jiān)控系統(tǒng)中，有許多參數(shù)需要測量。本文根據(jù)實(shí)際要求，給出了一種集RS232、RS485及光纖的混合通信設(shè)計(jì)方法，給出了芯片選型及電路原理圖等。在PFN強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境下，以一臺(tái)工控機(jī)為主機(jī)，與多個(gè)DSP從機(jī)進(jìn)行通信。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用光纖通信和RS-485組成的混合通信，數(shù)據(jù)收發(fā)正常，抗干擾性好，通信方式靈活，能適用于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的測控場合。

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