激光電源中央控制器系統(tǒng)的通信設(shè)計

胡 闖，韋忠朝，于克訓(xùn)，馬志源，葉才勇

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

激光設(shè)備的電源系統(tǒng)在整個激光系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，是整個系統(tǒng)的能量之源.激光設(shè)備中的電源必須以高效率、高可靠性、工作壽命長等優(yōu)良特性來履行其系統(tǒng)心臟的任務(wù).而激光電源系統(tǒng)的中央控制器是連接上級與下級的紐帶，它承擔(dān)通信任務(wù)，在整個系統(tǒng)中至關(guān)重要.本文的激光電源中央控制器針對不同的通信對象、不同的通信任務(wù)采用了不同的通信方式使整個電源系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速地反應(yīng)和工作.

1 激光自備電源中央控制器通信系統(tǒng)

激光自備電源系統(tǒng)框圖見圖1.中央控制器是整個系統(tǒng)的中樞，為了實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測與控制，必須保證內(nèi)部各器件間正常的通信工作，以及與總控和下級各模塊之間的快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的通信.中央控制器核心控制部分框圖見圖2，其中內(nèi)部的通信包括DSP與EEPROM的SPI通信和DSP與FPGA之間的總線通信.外部通信分為三類，一是中央控制器與總控的RS485通信；二是中央控制器CPU與下級模塊CPU間的CAN通信；三是中央控制器CPU與下級模塊CPU間的I／O通信.由于中央控制器與總控和下級模塊間存在較遠(yuǎn)的距離，為了防止信號受到干擾，保證信號的準(zhǔn)確性，必須進(jìn)行全隔離.

圖1 激光電源系統(tǒng)總框圖

圖2 中央控制器核心控制單元框圖

1.1 DSP與EEPROM的通信

系統(tǒng)的一些狀態(tài)參數(shù)不僅要在線修改，并且要求這些修改過的參數(shù)在斷電后能夠繼續(xù)保持，以備下次上電時恢復(fù)系統(tǒng)的狀態(tài).由于系統(tǒng)I／O緊張，所以采用了只需要4根線的SPI通信EEPROM，25LC256來完成在線參數(shù)以及數(shù)據(jù)存儲.其硬件連接電路見圖3.其中HOLD管腳在低電平時允許用戶在流程中途暫停時鐘，本系統(tǒng)未用到，即直接上拉.WP引腳具有寫保護(hù)功能，本系統(tǒng)未用到，也直接上拉［1］.將剩下的接口與DSP28335的SPI接口對應(yīng)相接即可.

圖3 DSP與EEPROM硬件連接原理圖

1.2 DSP與FPGA的通信

整個電源系統(tǒng)較為龐大，單由一塊CPU很難實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控，故選擇了一塊管腳較多的FPGA作為協(xié)處理器.它們之間主要是通過DSP28335的地址總線和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信.其連接原理見圖4.系統(tǒng)主要靠FPGA對DSP傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，然后做出相應(yīng)控制.通過9位數(shù)據(jù)線，和XZCS7選通信號，即通過DSP28335 XINTF ZONE7多達(dá)29＝512個譯碼空間對FPGA最多為512種不同控制，足以滿足本系統(tǒng)的控制要求.通過16位數(shù)據(jù)總線可以實(shí)現(xiàn)DSP與FPGA一次最多為兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸.XRD與X WE0分別為DSP給FPGA的讀、寫使能信號［2］.

圖4 DSP與FPGA通信原理圖

1.3 中央控制器與下級模塊的CAN通信

由于系統(tǒng)中具有多個下級模塊，故采用CAN總線.CAN總線是一種串行通信協(xié)議，具有較高的通信速率和較強(qiáng)的抗干擾能力，可以作為現(xiàn)場總線應(yīng)用于電磁噪聲比較大的場合，尤其適合本系統(tǒng)的通信.其硬件電路連接見圖5，由于DSP不適合直接驅(qū)動光耦，所以CANTX輸出信號通過74LVC07，即通過一個正向OD門后接入高速光耦6 N137隔離，然后經(jīng)過CAN通信專用電平轉(zhuǎn)換芯片PCA82C250引出，同理CAN接收到信號后通過PCA82C250進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后再經(jīng)過6N137隔離后傳送回DSP的CAN接口.

圖5 中央控制器與下級模塊CAN通信硬件連接圖

1.4 中央控制器與總控的RS485通信

RS－485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力.加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200 mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)［3］.一般RS485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制.本系統(tǒng)中央控制器與總控的RS485硬件連接見圖6.

采用DSP的異步通信串口，輸出信號通過74LVC07后進(jìn)入快速光耦6 N137進(jìn)行隔離，然后通過RS485通信專用電平轉(zhuǎn)換芯片SN65 HVD08引出信號，同理輸入信號由SN65 HVD08轉(zhuǎn)換后經(jīng)6 N137隔離再送給DSP.由于RS485工作在半雙工狀態(tài)下，需要引入一個“信號輸入或者輸出”的控制信號，由光耦TLP121完成對這路信號的隔離.

圖6 中央控制器與總控RS485通信硬件連接圖

1.5 中央控制器與下級模塊的I／O通信

中央控制器與各模塊之間緊急用通信，如故障通信等，采用I／O口直接通信的方式（圖7）.由于通信距離較遠(yuǎn)，且通信信號要求充分準(zhǔn)確，所以必須進(jìn)行隔離控制，本系統(tǒng)采用24 V輔助電源作為隔離用電源，電壓較高，傳輸能力強(qiáng)，受干擾小，其中隔離光耦均采用TLP121.由于DSP驅(qū)動能力弱，所以光耦LED端的驅(qū)動信號仍由74LVC07來完成.

圖7 中央控制器與下級模塊間I／O通信原理圖

2 激光電源中央控制器各類通信的軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 DSP與25LC256通信的軟件實(shí)現(xiàn)

25LC256有一個8位的指令寄存器，通過SPI總線訪問，指令寄存器寫不同的指令，告知25LC256將要進(jìn)行的操作，然后讀取或者寫入數(shù)據(jù).其讀取數(shù)據(jù)的時序見圖8.

圖8 CPU讀取25LC256時序圖

由于需要先發(fā)送8位指令，再緊接著發(fā)送16位地址，所以令DSP的SPI發(fā)送緩沖區(qū)SPITXBUF為16位，首先規(guī)格化16位需發(fā)送數(shù)據(jù)，即讓8位“讀”指令作為此16位數(shù)據(jù)的高8位，讓16位地址的高8位作為需發(fā)送的16位數(shù)據(jù)的低8位，從而組成一組16位數(shù)據(jù)，發(fā)送給SPITXBUF，發(fā)送完畢后再緊接著發(fā)送16位地址的低8位.讀取25LC256的一個周期流程圖（圖9）.

圖9 CPU讀取25LC256流程圖

同理可以完成對DSP、對EEPROM的寫操作.

2.2 RS485通信軟件的實(shí)現(xiàn)

由DSP28335的SCI接口，通過專用的RS485電平轉(zhuǎn)換芯片，即可達(dá)到RS485總線通信的目的.本系統(tǒng)由設(shè)置DSP的SCI模塊寄存器，每一幀由一個起始位、8個數(shù)據(jù)位、一個停止位組成，采用9 600的波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.由于工作于半雙工狀態(tài)，所以需由DSP一個I／O腳控制傳輸系統(tǒng)工作于發(fā)送還是接收狀態(tài).其一個周期的流程圖見圖10.

圖10 中央控制器RS485通信流程圖

2.3 CAN通信軟件實(shí)現(xiàn)

DSP28335的e CAN模塊與CAN2.0B協(xié)議完全兼容；總線通信率可達(dá)1 Mbps；擁有32個郵箱，均可配置為接收或者發(fā)送，支持的數(shù)據(jù)位由0～8個字節(jié)組成.郵箱之間通過標(biāo)識符過濾接收到的消息.在使用CAN模塊之前必須進(jìn)行正確的初始化，并且只有CAN模塊工作在初始化模式下才能進(jìn)行初始化［4］.圖11給出了CAN模塊的初始化流程.

圖11 CAN模塊初始化流程圖

eCAN模塊發(fā)送消息過程主要包括了系統(tǒng)以及郵箱初始化、發(fā)送傳輸設(shè)置以及等待傳輸響應(yīng)等幾個步驟.而當(dāng)接收到消息時，接收消息掛起寄存器（CANRMP）相應(yīng)的標(biāo)志位置位，同時會使中斷標(biāo)志位產(chǎn)生中斷.然后CPU可以讀取郵箱中接收到的數(shù)據(jù).圖12為消息發(fā)送和消息接收流程圖.

圖12 CAN模塊消息發(fā)送與接收流程圖

3 結(jié)論

針對激光電源系統(tǒng)中央控制器內(nèi)部以及與外界模塊之間不同的通信對象以及不同的通信目的，分別采用了SPI、總線、RS485、CAN和I／O通信的方式，本文分別講述了它們的硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)方法，從而使中央控制器能夠很好地履行系統(tǒng)紐帶的作用，保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定、準(zhǔn)確和快速性.

［1］王 新，王歸新，張昌盛，等.數(shù)字信號處理器與串EEPROM 的接口設(shè)計［J］.電子工程師，2004，30（1）：63－68.

［2］ 馬 軍，張 彥 敏，黃 華 偉，等.基于 CPLD 的T MS320F2812硬件平臺設(shè)計［J］.現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用200例，2007，5－2.

［3］耿立中，王 鵬，馬 騁，等.RS485高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，48（8）：1 311－1 314.

［4］蘇奎峰，呂 強(qiáng)，常天慶，等.T MS320X281X DSP原理及C程序開發(fā)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.