基于光纖數(shù)據(jù)接口的HPM源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金 暉，卓紅艷，劉 忠

(中國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621900)

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(jìn)一步提高，系統(tǒng)產(chǎn)生的微波、高壓放電、X射線、電子束強(qiáng)引導(dǎo)磁場(chǎng)等構(gòu)成的復(fù)雜強(qiáng)電磁環(huán)境對(duì)于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所電子儀器設(shè)備的準(zhǔn)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(diǎn)[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(jìn)行通信，抗電磁干擾性強(qiáng)。

（3）光的頻率高，具有很大的傳輸帶寬。其中常用的62.5/125μm多模漸變型光纖采用1 310 nm波段的LED或LD光源，傳輸多個(gè)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(zhǎng)脈沖驅(qū)動(dòng)源（以下簡(jiǎn)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(cè)以及通信等主要任務(wù)。在電磁干擾較嚴(yán)重的工作現(xiàn)場(chǎng)，采用全數(shù)字光纖分布式設(shè)計(jì)可提高系統(tǒng)抗干擾的能力，保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠。

1 控制對(duì)象及實(shí)現(xiàn)功能

HPM源控制系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象主要有初級(jí)充電電源、儲(chǔ)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(jí)指控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。將監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行分類，主要包括4類信號(hào)：

（1）數(shù)字開關(guān)量輸入/輸出信號(hào)。

（2）控制時(shí)序脈沖輸出信號(hào)。

（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?hào)。

（4）模擬數(shù)據(jù)采集信號(hào)。

HPM源控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理和對(duì)外通信聯(lián)絡(luò)等功能，既能單獨(dú)控制HPM源實(shí)現(xiàn)微波發(fā)射試驗(yàn)調(diào)試，又能與上級(jí)指控系統(tǒng)接口，接收運(yùn)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(chǎng)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(jí)指控系統(tǒng)進(jìn)行處理和顯示。

2 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)HPM源工作對(duì)嵌入式控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、精度等技術(shù)指標(biāo)要求，合理采用微機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)控系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示。

圖1 HPM源控制系統(tǒng)與指控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖

為可靠實(shí)現(xiàn)HPM源的遠(yuǎn)程控制功能，在監(jiān)控上位機(jī)與運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的嵌入式實(shí)時(shí)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(jī)完成目標(biāo)參數(shù)設(shè)定以及設(shè)備啟動(dòng)/停止控制；嵌入式控制器完成控制時(shí)序產(chǎn)生及運(yùn)行數(shù)據(jù)采集等功能，并將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息發(fā)送至監(jiān)控計(jì)算機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)分為設(shè)備工作參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)以及數(shù)據(jù)傳輸三部分。交換機(jī)采用光纖組成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)多模光纖連接時(shí)，單根有效通信距離不小于500 m。

3 實(shí)現(xiàn)技術(shù)途徑

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2 控制系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)框圖

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

3.1.1 控制計(jì)算機(jī)單元設(shè)計(jì)

控制計(jì)算機(jī)主要應(yīng)用于開發(fā)和調(diào)試階段，完成對(duì)嵌入式下位機(jī)的任務(wù)管理、工作參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(jī)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(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中使用NI LabVIEW實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上執(zhí)行?？刂朴?jì)算機(jī)通過光纖網(wǎng)口和UDP協(xié)議控制PXI系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，通過GPIB接口對(duì)示波器進(jìn)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(cè)波形。

3.1.2 本地控制單元設(shè)計(jì)

本地控制單元內(nèi)置實(shí)時(shí)嵌入式控制器PXI-8109、定時(shí)/計(jì)數(shù)卡 NI PXI-6602（PXI總線，8個(gè) 32位定時(shí)/計(jì)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(gè)16位分辨率的模擬輸出通道，2個(gè)32位80 MHz定時(shí)/計(jì)數(shù)器）以及定時(shí)與同步模塊PXI-6682（板載時(shí)鐘10 MHz，時(shí)鐘精度1 ppm）。本地PXI嵌入式控制單元提供控制和監(jiān)測(cè)的各類信號(hào)，完成HPM源的運(yùn)行控制。

3.1.3 控制信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)

本地控制單元產(chǎn)生的高精度時(shí)序信號(hào)必須及時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸至HPM源各相關(guān)部分。根據(jù)實(shí)際所需要的觸發(fā)信號(hào)強(qiáng)度要求，以及強(qiáng)/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(hào)處理單元內(nèi)對(duì)信號(hào)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(hào)傳輸至受控部位。

控制信號(hào)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(shí)/計(jì)數(shù)卡產(chǎn)生 5 V/20μs的TTL電平脈沖信號(hào)，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(duì)輸入信號(hào)的功率要求，保證控制脈沖轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后可靠地遠(yuǎn)距離傳輸，在電/光轉(zhuǎn)換器前級(jí)采用高速大電流開關(guān)外圍驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)TTL電平信號(hào)進(jìn)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。

圖3 電/光轉(zhuǎn)換輸出電路（單路）

同時(shí)，經(jīng)過電/光轉(zhuǎn)換后的控制信號(hào)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(dòng)放大和隔離等措施，控制系統(tǒng)按要求正確運(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)HPM源外圍裝置（如電源、真空等）的啟/停操作、運(yùn)行工作參數(shù)設(shè)置及設(shè)施的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)等控制功能。從HPM源各監(jiān)測(cè)部分采集的數(shù)據(jù)信號(hào)如果實(shí)時(shí)性要求高（如故障報(bào)警等），則必須在現(xiàn)場(chǎng)裝置控制單元內(nèi)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，一對(duì)一地發(fā)送至控制信號(hào)處理單元。光纖收發(fā)接口電路如圖4所示。

圖4 光纖收發(fā)接口電路（單路）

由控制計(jì)算機(jī)板卡產(chǎn)生的數(shù)字開關(guān)信號(hào)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(dòng)或停止工作。

圖5 數(shù)字開關(guān)量輸出處理電路（單路）

圖5中光電耦合器D1作為控制信號(hào)產(chǎn)生單元與后級(jí)HPM源的第一級(jí)電氣隔離，繼電器D5作為第二級(jí)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(hào)的通信介質(zhì)，確保HPM源裝置的正常運(yùn)行。同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)字開關(guān)信號(hào)是TTL電平，通過光耦隔離輸出不能直接驅(qū)動(dòng)后級(jí)繼電器動(dòng)作，所以選用高壓大電流晶體管器件，滿足繼電器驅(qū)動(dòng)使用要求。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(jì)算機(jī)人機(jī)界面軟件和嵌入式PXI控制單元的實(shí)時(shí)控制軟件。人機(jī)界面軟件是在Windows平臺(tái)下，利用Lab-VIEW開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行編制；實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)嵌入式控制器PXI-8109 RT中，控制計(jì)算機(jī)可對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

控制計(jì)算機(jī)軟件的總體結(jié)構(gòu)選用LabVIEW提供的狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)，解決有順序的控制問題。狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)由While Loop內(nèi)部的一個(gè)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(gè)框架可以向下一個(gè)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(gè)操作都可以調(diào)用一個(gè)子程序，提高整個(gè)程序的運(yùn)行效率。

實(shí)時(shí)控制軟件分為三部分，即與上位機(jī)的通信、實(shí)時(shí)任務(wù)、瞬時(shí)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(jī)傳到實(shí)時(shí)控制器，運(yùn)行過程采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也是通過同樣的方式從控制器傳到上位機(jī)；實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行過程中，根據(jù)判斷所采集的運(yùn)行狀態(tài)正常與否，可以立即終止控制信號(hào)的產(chǎn)生，避免更大的故障發(fā)生；利用RTFIFO將實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)記錄下來，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，即CPU時(shí)間寬裕時(shí)，將數(shù)據(jù)寫入磁盤。

HPM源運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的微波、高頻電磁脈沖和磁場(chǎng)等都會(huì)對(duì)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(yùn)行的首要問題。針對(duì)HPM源運(yùn)行裝置與控制系統(tǒng)的測(cè)控連接形式，數(shù)據(jù)通信采用RS485等標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)；時(shí)序觸發(fā)信號(hào)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(jìn)一步提高了控制系統(tǒng)的電磁兼容能力。同時(shí)與上級(jí)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(jì)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(qiáng)電磁運(yùn)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?？刂葡到y(tǒng)可靠運(yùn)行和HPM源裝置穩(wěn)定工作奠定了基礎(chǔ)。

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