基于光纖數據接口的HPM源控制系統設計

金 暉，卓紅艷，劉 忠

(中國工程物理研究院應用電子學研究所 高功率微波技術重點實驗室，四川 綿陽 621900)

在開展高功率微波（HPM）及其相關技術研究的過程中，隨著HPM源功率的進一步提高，系統產生的微波、高壓放電、X射線、電子束強引導磁場等構成的復雜強電磁環境對于實驗場所電子儀器設備的準確性、可靠性甚至安全性都構成了威脅。光纖通信技術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62.5/125μm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型長脈沖驅動源（以下簡稱HPM源）控制系統通過建立光纖以太網、串口光纖網絡和高精度光纖觸發網絡為基礎的通信接口，完成控制、監測以及通信等主要任務。在電磁干擾較嚴重的工作現場，采用全數字光纖分布式設計可提高系統抗干擾的能力，保證信號傳輸的穩定可靠。

1 控制對象及實現功能

HPM源控制系統監控對象主要有初級充電電源、儲能與脈沖成形系統、開關氣流系統、微波器件外圍設備、真空裝置及其他外部輔助設施等，與上級指控系統的結構組成如圖1所示。將監控對象進行分類，主要包括4類信號：

（1）數字開關量輸入/輸出信號。

（2）控制時序脈沖輸出信號。

（3）約定通信協議，通過串行通信完成設置和傳輸的信號。

（4）模擬數據采集信號。

HPM源控制系統具有實時控制、狀態監測、數據處理和對外通信聯絡等功能，既能單獨控制HPM源實現微波發射試驗調試，又能與上級指控系統接口，接收運行指令，完成協同工作。其核心控制單元——PXI嵌入式控制器通過串口完成現場各裝備的參數設置和數據采集，并通過光纖以太網將數據傳送至上級指控系統進行處理和顯示。

2 設計原理

根據HPM源工作對嵌入式控制系統動態響應速度、精度等技術指標要求，合理采用微機控制和網絡通信技術，選用NI公司的LabVIEW開發軟件和基于開放工業標準PXI體系結構的模塊化儀器系統，開發基于PC和PXI嵌入式控制器的測控系統。該控制系統設計原理框圖如圖2所示。

圖1 HPM源控制系統與指控系統結構組成框圖

為可靠實現HPM源的遠程控制功能，在監控上位機與運行現場的嵌入式實時控制子系統之間使用光纖組成數據傳輸網絡。監控上位機完成目標參數設定以及設備啟動/停止控制；嵌入式控制器完成控制時序產生及運行數據采集等功能，并將設備運行狀態信息發送至監控計算機。根據系統實現功能，遠程控制系統分為設備工作參數設置、運行狀態檢測以及數據傳輸三部分。交換機采用光纖組成遠程數據傳輸網絡，經多模光纖連接時，單根有效通信距離不小于500 m。

3 實現技術途徑

3.1 控制系統硬件設計

圖2 控制系統原理設計框圖

圖2中的控制計算機主要完成編程器、人機交互界面、數據分析及處理等功能；所有的實時控制任務、數據采集、數據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、放大及轉換等功能由信號處理單元實現。

3.1.1 控制計算機單元設計

控制計算機主要應用于開發和調試階段，完成對嵌入式下位機的任務管理、工作參數設置、狀態監測顯示、數據處理以及與總控軟件的數據指令交互。上/下位機間通過網絡連接，接口采用100 Mb/s/10 Mb/s自適應全雙工以太網接口，通信協議約定為UDP。在控制計算機操作系統中使用NI LabVIEW實時模塊開發應用程序，通過以太網將程序下載至PXI嵌入式控制器，嵌入式代碼在實時操作系統上執行。控制計算機通過光纖網口和UDP協議控制PXI系統，同時對現場采集數據進行記錄和存儲，通過GPIB接口對示波器進行控制，讀取示波器采集的數據，并根據需要打印監測波形。

3.1.2 本地控制單元設計

本地控制單元內置實時嵌入式控制器PXI-8109、定時/計數卡 NI PXI-6602（PXI總線，8個 32位定時/計數器，最大80 MHz源頻率）、M系列數據采集卡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計

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

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

圖3 電/光轉換輸出電路（單路）

同時，經過電/光轉換后的控制信號通過普通多模光纖傳輸至HPM源受控部位，采用相應的光/電轉換處理、驅動放大和隔離等措施，控制系統按要求正確運行。

另外，嵌入式控制子系統采用PXI-8431串口通信板卡以及ADAM-4541光纖轉換模塊形成RS485串口光纖網絡，實現對HPM源外圍裝置（如電源、真空等）的啟/停操作、運行工作參數設置及設施的工作狀態監測等控制功能。從HPM源各監測部分采集的數據信號如果實時性要求高（如故障報警等），則必須在現場裝置控制單元內進行采集轉換成光信號，一對一地發送至控制信號處理單元。光纖收發接口電路如圖4所示。

圖4 光纖收發接口電路（單路）

由控制計算機板卡產生的數字開關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，再經過光電轉換處理控制其啟動或停止工作。

圖5 數字開關量輸出處理電路（單路）

圖5中光電耦合器D1作為控制信號產生單元與后級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之間的絕緣介質和控制信號的通信介質，確保HPM源裝置的正常運行。同時，由于計算機控制系統產生的數字開關信號是TTL電平，通過光耦隔離輸出不能直接驅動后級繼電器動作，所以選用高壓大電流晶體管器件，滿足繼電器驅動使用要求。

3.2 控制系統軟件設計

控制系統軟件分為兩部分，即開發調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Lab-VIEW開發系統進行編制；實時控制軟件是在Windows環境下利用LabVIEW RT編程，然后通過以太網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控。

控制計算機軟件的總體結構選用LabVIEW提供的狀態機結構，解決有順序的控制問題。狀態機結構由While Loop內部的一個Case結構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，允許用戶執行任意數量的執行操作，并且每一個操作都可以調用一個子程序，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、瞬時數據記錄。其中控制參數的輸入通過以太網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據也是通過同樣的方式從控制器傳到上位機；實時任務執行過程中，根據判斷所采集的運行狀態正常與否，可以立即終止控制信號的產生，避免更大的故障發生；利用RTFIFO將實驗過程的數據記錄下來，當實驗結束，即CPU時間寬裕時，將數據寫入磁盤。

HPM源運行現場產生的微波、高頻電磁脈沖和磁場等都會對本地嵌入式控制系統形成干擾，電磁兼容的處理是控制系統穩定運行的首要問題。針對HPM源運行裝置與控制系統的測控連接形式，數據通信采用RS485等標準串行總線通信方式以及光纖傳輸介質，約定通信協議，統一接口標準；時序觸發信號及數字開關量等經過光電轉換處理，通過光纖連接，進一步提高了控制系統的電磁兼容能力。同時與上級指控系統的連接網絡采用光纖以太網，完成本地控制系統內外數據指令的交換。

在HPM源控制系統的設計中，采用光纖數據接口組成數字信息傳輸網絡，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境的干擾，提高了傳輸距離。采取以上的技術措施，為確保控制系統可靠運行和HPM源裝置穩定工作奠定了基礎。

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

[2]韋英華.一種基于光纖傳輸的監測信號處理系統[J].現代電子技術，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 11thIEEE International Pulsed Power Conference，Baltimore Maryland，1997：1397-1402.