PFN监控系统混合串行通信方法设计与实现

刘福才 李 坤 张兴娟 王 猛

（燕山大学西校区电院，河北 秦皇岛 066004）

0 引言

PFN（脉冲形成网络）是对储能元件缓慢充电，然后在短时间内对能量脉冲压缩、整形、匹配等处理，得到各种理想的高幅度、大功率、陡前沿的脉冲输出。脉冲形成网络技术广泛用于可控热核聚变、电热化学发射、电磁发射、高能电子加速器等[1]。它能产生很强的电磁干扰，对通信传输带来了很大的干扰，而通信对系统的监测和控制的正常运行又具有至关重要的作用，因此在强电磁环境下对通信的抗干扰能力提出了更高的要求。本文结合PFN实际应用情况，提出了一种强磁环境下的混合通信设计方法。通过把光纤通信、RS485等通信灵活地结合起来，提高了其抗干扰的能力，确保系统稳定运行。本文重点介绍PFN通信部分的设计与实现。

1 混合通信系统总体设计

在PFN监控系统中主要包括以下几个单元:监控计算机（PC），基于DSP的软开关高压充电电源U1，触发控制单元U2，B探针膛内速度检测单元U3，膛外网靶速度检测单元U4等。首先，监控计算机启动高压充电电源对PFN中电容充电，当电压值达到设定电压时，停止充电。然后，由监控计算机控制触发控制单元U2对PFN放电。最后，由以TMS320F240为核心的B探针检测单元U3对B探针的信号进行采集，网靶速度检测单元U4则对网靶的信号进行采集，数据上传给监控计算机。

图1 PFN通信系统基本框图

通信系统设计原则:首先，抗干扰能力强，保证测控系统的可靠运行;其次，实时性好，响应速度快;第三，保证数据传输的误码率低，以确保人身和设备的安全[2]。

在PFN监控系统中，由一台工控机作为控制中心，完成充电控制、B探针信号检测、网靶速度检测、触发控制等任务。计算机通过串口向各个下位机下达控制命令和进行数据读取，因此通信系统需设计成一机对多机通信的方式。图1为PFN整个通信系统框图。

计算机首先通过串行口COM端发送RS232信号，由RS232转TTL模块转换成下位机可以识别的TTL信号，再由TTL转光纤模块转换为光信号接入混合通信板。

混合通信板接收到光信号后，首先由混合通信板的光纤转TTL部分转化成TTL信号，然后以两种形式发送信号。一种是由MAX1480B把TTL信号转化成RS485信号，与B探针信号检测、网靶速度检测模块以及触发模块等设备进行通信;另一种是将转化来的TTL信号原封不动地转换为光信号，与充电模块进行通信。

由混合通信板转换成的RS485信号与U2、U3、U4等之间采用RS485通信，这些模块主要用作系统的B探针信号检测、网靶速度检测以及触发控制等。RS485构成的总线型网络系统，采用主从方式进行多机通信，这里的主机是工控机，从机是DSP构成的各功能模块。

由混合通信板出来的光信号再通过充电板的光纤转TTL模块转换成TTL信号直接与充电模块进行通信。这里采用RS232通信是因为RS485通信是半双工的，不可以同时接收发送数据，在充电的时候，一些下位机模块会每隔一定时间上传数据，当发生故障时，充电模块可能因为RS485通信占线而无法顺利发送充电停止的命令，从而对设备和参试人员的安全构成威胁。为了保证其在任何情况下都保持通信的通畅，防止无法向充电模块发出停止等命令而导致危险情况，此处采用了RS232通信。

以上各通信过程均可逆，数据的接收是命令发送的逆过程。

2 PFN通信系统各部分实现

2.1 RS232转 TTL 电路

图2 RS232转TTL信号电路

RS232是比较常见的一种通信方式。一般计算机都配有RS232串行口COM1，计算机的串口COM端输出的RS232信号，逻辑“1”是－3到－15V，逻辑“0”是+3到+15V。以DSP为核心的各个模块识别的串口信号是 TTL电平信号，逻辑“1”是5V，逻辑“0”是0V。这里选用MAX2323芯片实现RS232到TTL的电平逻辑转换，MAX2323电路图如图2所示。PCTX发送的RS232信号从R1IN输入，从R1OUT输出F240能识别的TTL电平信号TTLRX;TTLTX和PCRX同上。

2.2 光纤口电路

光纤通信是以光波为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。

在光纤通信的系统中，系统传输距离主要由光纤的损耗决定。光纤损耗随波长的加长而减小，光收发器采用HP的820nm波长的HFBR-0400系列。该系列中的 HFBR-1412/HFBR-2412最长距离可以达到2700m，在1500m可以达到5M的速度。HFBR-1412调制简单，用一个低阻抗、高电流速率的外围驱动芯片SN75452就可以实现数字调制.HFBR-2412内部集成了包括PIN光电检测器和直流放大器，其输出可以直接与TTL及CMOS电平相连[3－4]。

本文中用到的TX光纤口和RX光纤口都采用HFBR-0400器件使用手册给出的光纤电路。包括计算机端的TTL与光纤转换模块，充电端的光纤转TTL信号模块和混合通信板中的光纤口。

2.3 混合通信板设计

混合通信板是计算机与所有下位机数据交换的枢纽，也是本文的重点所在。控制中心的计算机只需要用COM端就能实现与整个系统的所有下位机进行通信，简化了线路，提高了计算机的利用率。

（1）混合通信板原理图

混合通信板汇合了光纤通信、RS232通信和RS485通信。图3是混合通信板的通信原理图。

混合通信板接受到来自计算机的光信号后，首先转换成TTL信号，一部分由MAX1480B转变成RS485信号，另一部分直接由光纤口变为光信号发送给充电单元。混合通信板是整个PFN通信系统的中枢。

图3 混合通信板原理图

（2）用MAX1480B免控实现TTL信号到RS485信号的转化

MAX1480B是由美国MAXIM公司生产的完整的带光电隔离的RS485数据通信接口芯片，它的最主要特点是驱动器具有限摆率的功能，可使电磁干扰降到最小，并且能减小由于终端不匹配而引起的反射。MAX1840B由光耦合器，DC-DC转换器和RS485模块三部分构成。

RS485是半双工的，需要进行收发控制，DE端是信号发送和接收使能端。一般的设计中是采用微控制器对DE控制，但这么做有两个弊端:一是使设计成本增加，硬件电路复杂;二是需要对微控制器进行编程，波特率变化和通信协议参数变化时，要改变延时参数，很不方便[4－5]。

因此本混合系统采用了免控制的TTL/RS485转化，完全从硬件上实现对转换器收发控制，与通信速率和通信方式无关，免除了当通信协议改变时，需重新改变参数。其接线原理图如图3右半部分所示。

在TTL信号中，+5V是逻辑“1”，0V是逻辑“0”。而 RS485接口采用差分电平方式传输，当两根传输线满足A－B＞ =200mV时为逻辑“1”，当 A－B ＜= －200mV时为逻辑“0”。

图中TXD与GND经过异或门后直接接到DI端，这样TXD与DI端的逻辑是相同的。同理TXD与VCC经过异或门后直接接到DE端，TXD与DE逻辑相反。通常情况下，串口不发送数据时，TXD为逻辑“1”，DE 为逻辑“0”，接收端使能，MAX1480B 随时准备接收来自RS485方向的信号。当串口发送数据时，分为两种情况:TXD发送逻辑“0”时，DI端为“0”，DE端为“1”，MAX1480B发送使能，TTL的数据正常发送到RS485接口上，DI上的逻辑“0”发送过去，即A－B＜= －200mV;当TXD发送逻辑“1”时，DI上的逻辑是“1”，而DE上的逻辑是“0”，MAX1480B发送功能关闭，DI上的逻辑“1”不能通过MAX1480B发送到RS485端，但A端和B端分别接上了上拉电阻和下拉电阻从而实现了A－B＞ =200mV，RS485接口接收到逻辑“1”信息，保证了TTL到RS485的正确通信。

在实际应用中，由于通信载体是双绞线，它的特征电阻为120Ω左右。因此要在位于总线两端的差分端口VA与VB之间跨接120Ω匹配电阻，以减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声，有效地抑制了噪声干扰[6]。

2.4 RS485总线传输的软硬件设计

2.4.1 硬件设计

RS485部分的数据传输采用主从站的方法，如图1所示用RS485构成的总线型网络系统，采用主从方式进行多机通信。开始时所有从机复位，即处于监听状态，等待主机的呼叫[6]。从混合控制板输出的RS485信号，把所有利用RS485通信的模块并联在RS485总线上，计算机把命令发送到RS485总线上，各个模块发送数据也是发到RS485总线上。总线上的所有从站接收到报文后，把报文中的目标地址与该从站本身地址做比对，如果匹配则对报文进行处理，不匹配则不予理睬。

2.4.2 软件设计

图7 报文框架

计算机把一组数据发送到RS485总线上，所有模块均接收到该数据，数据的区分通过订制报文来解决的。图7就是实际所用的报文框架。报文头解决总线上一些乱码对数据接收和发送的干扰，发送端地址对应着数据的来源，接收端地址指定数据的去向，数据类型决定了数据是具体接收模块，报文尾是数据全部接收到的标志。总的来说，发送端地址和接收端地址是指计算机或者以DSP为核心的下位机，数据类型是对各个以DSP为核心的下位机的区分[7]。

例如:报文头用7E E7 7E，PC的代码是58，DSP下位机用F3，报文尾0D，数据类型则是每个模块都有自己的代码，例如模块1定义为01，模块2定义为02，模块N定义为N。一组报文为:7E E7 7E 58 F3 01……0D此报文是计算机发送给下位机模块1的报文，当其他模块接收到这个报文后，对比地址不是自己的，则对此报文不予理睬。下面详细介绍DSP命令报文检测程序。

以上程序说明:当下位机接收到RS485总线上的数据后，首先检测此报文前五位，最先接收到的数据依次与RED_HEAD中的数据进行比较，其中的任何一位与RXD_HEAD中的数据不相同，都返回到SCI_RX_BACK，对AR4和AR6进行初始化，再返回到主程序中。只有前五位与RXD_HRAD中的数据相同时，对JS_mark进行置位，接收数据使能。开始全部地接收数据，直到收到0D停止接收，然后对数据进行检测、判断。

RS485总线中接有电压检测和电流检测的单元，会给上位机PC上传数据，DSP向计算机发送数据首先打包，在7E E7 7E F3 58……0D中添加数据，然后发送。数据发送到RS485总线上，通过混合通信板发送给计算机，由于计算机识别的是7E E7 7E F3 58……0D格式的数据，接收地址是58的数据包，接收并处理数据。由于共用RS485总线，各RS485模块也接收到此数据，但是接收地址和发送地址不相符，各模块接收后便丢掉。

在必要的时候RS485各模块之间也可以互相发送命令，命令格式与PC发的命令格式相同，例如模块1给模块2发送命令7E E7 7E 58 F3 02……0D，此时PC接收到此格式的命令，不是它要处理的数据，就丢掉了。只有模块2会响应此命令，其他模块也不响应此命令。

2.5 充电单元的通信

混合通信板输出的光信号，发送到充电单元，由充电控制板上的光纤转TTL信号模块，将接收到的光信号转换为TTL，然后与充电单元进行通信，这里不再详述。

3 结论

在PFN监控系统中，有许多参数需要测量。本文根据实际要求，给出了一种集RS232、RS485及光纤的混合通信设计方法，给出了芯片选型及电路原理图等。在PFN强电磁脉冲环境下，以一台工控机为主机，与多个DSP从机进行通信。经实验验证，采用光纤通信和RS-485组成的混合通信，数据收发正常，抗干扰性好，通信方式灵活，能适用于强电磁干扰环境下的测控场合。

[1]张柯，钟和清，林福昌，何俊佳，邹云屏.基于DSP和FIFO的多路高速数据采集系统在PFN中的应用[J].电测与仪表，2006，43（492）:37～41.

[2]王志军，王少荣.基于RS485和光纤通信技术的测量系统设计与实现[J].电气应用，2006，25（9）:54 ～56，70.

[3]饶文贵，田建生.DSP串行数据光纤传输系统设计[J].计算机测量与控制，2007，15（1）:127 ～128，134.

[4]潘圣民，刘小宁，杨雷.基于DSP的光纤数据采集网络的研制[J].微计算机信息，2006，12（Z）:106 ～108.

[5]阳世荣，王少荣.基于RS-485与光纤混合通信网络的脉冲功率测控系统[J].广东电力，2006，19（9）:70 ～72，78.

[6]王琦，秦娟英，周伟.用RS485构成总线型多点数据采集系统[J].计算机自动测量与控制，2000，18（6）:45 ～47，52.

[7]周凌辉，王少荣.强电磁环境下测控系统的通信系统设计[J].高电压技术，2004，30（2）:43 ～44，53.