PFN監控系統混合串行通信方法設計與實現

劉福才 李 坤 張興娟 王 猛

（燕山大學西校區電院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

PFN（脈沖形成網絡）是對儲能元件緩慢充電，然后在短時間內對能量脈沖壓縮、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。脈沖形成網絡技術廣泛用于可控熱核聚變、電熱化學發射、電磁發射、高能電子加速器等[1]。它能產生很強的電磁干擾，對通信傳輸帶來了很大的干擾，而通信對系統的監測和控制的正常運行又具有至關重要的作用，因此在強電磁環境下對通信的抗干擾能力提出了更高的要求。本文結合PFN實際應用情況，提出了一種強磁環境下的混合通信設計方法。通過把光纖通信、RS485等通信靈活地結合起來，提高了其抗干擾的能力，確保系統穩定運行。本文重點介紹PFN通信部分的設計與實現。

1 混合通信系統總體設計

在PFN監控系統中主要包括以下幾個單元:監控計算機（PC），基于DSP的軟開關高壓充電電源U1，觸發控制單元U2，B探針膛內速度檢測單元U3，膛外網靶速度檢測單元U4等。首先，監控計算機啟動高壓充電電源對PFN中電容充電，當電壓值達到設定電壓時，停止充電。然后，由監控計算機控制觸發控制單元U2對PFN放電。最后，由以TMS320F240為核心的B探針檢測單元U3對B探針的信號進行采集，網靶速度檢測單元U4則對網靶的信號進行采集，數據上傳給監控計算機。

圖1 PFN通信系統基本框圖

通信系統設計原則:首先，抗干擾能力強，保證測控系統的可靠運行;其次，實時性好，響應速度快;第三，保證數據傳輸的誤碼率低，以確保人身和設備的安全[2]。

在PFN監控系統中，由一臺工控機作為控制中心，完成充電控制、B探針信號檢測、網靶速度檢測、觸發控制等任務。計算機通過串口向各個下位機下達控制命令和進行數據讀取，因此通信系統需設計成一機對多機通信的方式。圖1為PFN整個通信系統框圖。

計算機首先通過串行口COM端發送RS232信號，由RS232轉TTL模塊轉換成下位機可以識別的TTL信號，再由TTL轉光纖模塊轉換為光信號接入混合通信板。

混合通信板接收到光信號后，首先由混合通信板的光纖轉TTL部分轉化成TTL信號，然后以兩種形式發送信號。一種是由MAX1480B把TTL信號轉化成RS485信號，與B探針信號檢測、網靶速度檢測模塊以及觸發模塊等設備進行通信;另一種是將轉化來的TTL信號原封不動地轉換為光信號，與充電模塊進行通信。

由混合通信板轉換成的RS485信號與U2、U3、U4等之間采用RS485通信，這些模塊主要用作系統的B探針信號檢測、網靶速度檢測以及觸發控制等。RS485構成的總線型網絡系統，采用主從方式進行多機通信，這里的主機是工控機，從機是DSP構成的各功能模塊。

由混合通信板出來的光信號再通過充電板的光纖轉TTL模塊轉換成TTL信號直接與充電模塊進行通信。這里采用RS232通信是因為RS485通信是半雙工的，不可以同時接收發送數據，在充電的時候，一些下位機模塊會每隔一定時間上傳數據，當發生故障時，充電模塊可能因為RS485通信占線而無法順利發送充電停止的命令，從而對設備和參試人員的安全構成威脅。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出停止等命令而導致危險情況，此處采用了RS232通信。

以上各通信過程均可逆，數據的接收是命令發送的逆過程。

2 PFN通信系統各部分實現

2.1 RS232轉 TTL 電路

圖2 RS232轉TTL信號電路

RS232是比較常見的一種通信方式。一般計算機都配有RS232串行口COM1，計算機的串口COM端輸出的RS232信號，邏輯“1”是－3到－15V，邏輯“0”是+3到+15V。以DSP為核心的各個模塊識別的串口信號是 TTL電平信號，邏輯“1”是5V，邏輯“0”是0V。這里選用MAX2323芯片實現RS232到TTL的電平邏輯轉換，MAX2323電路圖如圖2所示。PCTX發送的RS232信號從R1IN輸入，從R1OUT輸出F240能識別的TTL電平信號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。

在光纖通信的系統中，系統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最長距離可以達到2700m，在1500m可以達到5M的速度。HFBR-1412調制簡單，用一個低阻抗、高電流速率的外圍驅動芯片SN75452就可以實現數字調制.HFBR-2412內部集成了包括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器件使用手冊給出的光纖電路。包括計算機端的TTL與光纖轉換模塊，充電端的光纖轉TTL信號模塊和混合通信板中的光纖口。

2.3 混合通信板設計

混合通信板是計算機與所有下位機數據交換的樞紐，也是本文的重點所在。控制中心的計算機只需要用COM端就能實現與整個系統的所有下位機進行通信，簡化了線路，提高了計算機的利用率。

（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算機的光信號后，首先轉換成TTL信號，一部分由MAX1480B轉變成RS485信號，另一部分直接由光纖口變為光信號發送給充電單元。混合通信板是整個PFN通信系統的中樞。

圖3 混合通信板原理圖

（2）用MAX1480B免控實現TTL信號到RS485信號的轉化

MAX1480B是由美國MAXIM公司生產的完整的帶光電隔離的RS485數據通信接口芯片，它的最主要特點是驅動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轉換器和RS485模塊三部分構成。

RS485是半雙工的，需要進行收發控制，DE端是信號發送和接收使能端。一般的設計中是采用微控制器對DE控制，但這么做有兩個弊端:一是使設計成本增加，硬件電路復雜;二是需要對微控制器進行編程，波特率變化和通信協議參數變化時，要改變延時參數，很不方便[4－5]。

因此本混合系統采用了免控制的TTL/RS485轉化，完全從硬件上實現對轉換器收發控制，與通信速率和通信方式無關，免除了當通信協議改變時，需重新改變參數。其接線原理圖如圖3右半部分所示。

在TTL信號中，+5V是邏輯“1”，0V是邏輯“0”。而 RS485接口采用差分電平方式傳輸，當兩根傳輸線滿足A－B＞ =200mV時為邏輯“1”，當 A－B ＜= －200mV時為邏輯“0”。

圖中TXD與GND經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，串口不發送數據時，TXD為邏輯“1”，DE 為邏輯“0”，接收端使能，MAX1480B 隨時準備接收來自RS485方向的信號。當串口發送數據時，分為兩種情況:TXD發送邏輯“0”時，DI端為“0”，DE端為“1”，MAX1480B發送使能，TTL的數據正常發送到RS485接口上，DI上的邏輯“0”發送過去，即A－B＜= －200mV;當TXD發送邏輯“1”時，DI上的邏輯是“1”，而DE上的邏輯是“0”，MAX1480B發送功能關閉，DI上的邏輯“1”不能通過MAX1480B發送到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現了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。

在實際應用中，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總線傳輸的軟硬件設計

2.4.1 硬件設計

RS485部分的數據傳輸采用主從站的方法，如圖1所示用RS485構成的總線型網絡系統，采用主從方式進行多機通信。開始時所有從機復位，即處于監聽狀態，等待主機的呼叫[6]。從混合控制板輸出的RS485信號，把所有利用RS485通信的模塊并聯在RS485總線上，計算機把命令發送到RS485總線上，各個模塊發送數據也是發到RS485總線上。總線上的所有從站接收到報文后，把報文中的目標地址與該從站本身地址做比對，如果匹配則對報文進行處理，不匹配則不予理睬。

2.4.2 軟件設計

圖7 報文框架

計算機把一組數據發送到RS485總線上，所有模塊均接收到該數據，數據的區分通過訂制報文來解決的。圖7就是實際所用的報文框架。報文頭解決總線上一些亂碼對數據接收和發送的干擾，發送端地址對應著數據的來源，接收端地址指定數據的去向，數據類型決定了數據是具體接收模塊，報文尾是數據全部接收到的標志。總的來說，發送端地址和接收端地址是指計算機或者以DSP為核心的下位機，數據類型是對各個以DSP為核心的下位機的區分[7]。

例如:報文頭用7E E7 7E，PC的代碼是58，DSP下位機用F3，報文尾0D，數據類型則是每個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。一組報文為:7E E7 7E 58 F3 01……0D此報文是計算機發送給下位機模塊1的報文，當其他模塊接收到這個報文后，對比地址不是自己的，則對此報文不予理睬。下面詳細介紹DSP命令報文檢測程序。

以上程序說明:當下位機接收到RS485總線上的數據后，首先檢測此報文前五位，最先接收到的數據依次與RED_HEAD中的數據進行比較，其中的任何一位與RXD_HEAD中的數據不相同，都返回到SCI_RX_BACK，對AR4和AR6進行初始化，再返回到主程序中。只有前五位與RXD_HRAD中的數據相同時，對JS_mark進行置位，接收數據使能。開始全部地接收數據，直到收到0D停止接收，然后對數據進行檢測、判斷。

RS485總線中接有電壓檢測和電流檢測的單元，會給上位機PC上傳數據，DSP向計算機發送數據首先打包，在7E E7 7E F3 58……0D中添加數據，然后發送。數據發送到RS485總線上，通過混合通信板發送給計算機，由于計算機識別的是7E E7 7E F3 58……0D格式的數據，接收地址是58的數據包，接收并處理數據。由于共用RS485總線，各RS485模塊也接收到此數據，但是接收地址和發送地址不相符，各模塊接收后便丟掉。

在必要的時候RS485各模塊之間也可以互相發送命令，命令格式與PC發的命令格式相同，例如模塊1給模塊2發送命令7E E7 7E 58 F3 02……0D，此時PC接收到此格式的命令，不是它要處理的數據，就丟掉了。只有模塊2會響應此命令，其他模塊也不響應此命令。

2.5 充電單元的通信

混合通信板輸出的光信號，發送到充電單元，由充電控制板上的光纖轉TTL信號模塊，將接收到的光信號轉換為TTL，然后與充電單元進行通信，這里不再詳述。

3 結論

在PFN監控系統中，有許多參數需要測量。本文根據實際要求，給出了一種集RS232、RS485及光纖的混合通信設計方法，給出了芯片選型及電路原理圖等。在PFN強電磁脈沖環境下，以一臺工控機為主機，與多個DSP從機進行通信。經實驗驗證，采用光纖通信和RS-485組成的混合通信，數據收發正常，抗干擾性好，通信方式靈活，能適用于強電磁干擾環境下的測控場合。

[1]張柯，鐘和清，林福昌，何俊佳，鄒云屏.基于DSP和FIFO的多路高速數據采集系統在PFN中的應用[J].電測與儀表，2006，43（492）:37～41.

[2]王志軍，王少榮.基于RS485和光纖通信技術的測量系統設計與實現[J].電氣應用，2006，25（9）:54 ～56，70.

[3]饒文貴，田建生.DSP串行數據光纖傳輸系統設計[J].計算機測量與控制，2007，15（1）:127 ～128，134.

[4]潘圣民，劉小寧，楊雷.基于DSP的光纖數據采集網絡的研制[J].微計算機信息，2006，12（Z）:106 ～108.

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