基于光纤数据接口的HPM源控制系统设计

金 晖，卓红艳，刘 忠

(中国工程物理研究院应用电子学研究所 高功率微波技术重点实验室，四川 绵阳 621900)

在开展高功率微波（HPM）及其相关技术研究的过程中，随着HPM源功率的进一步提高，系统产生的微波、高压放电、X射线、电子束强引导磁场等构成的复杂强电磁环境对于实验场所电子仪器设备的准确性、可靠性甚至安全性都构成了威胁。光纤通信技术以光波作为信息传输载体，以光纤硬件作为信息传输媒介，传输频带较宽，具有以下主要特点[1-2]：

（1）光纤是绝缘的，可以隔离发送端和接收端。

（2）光纤不受电磁辐射影响，能够在充满噪声的环境中进行通信，抗电磁干扰性强。

（3）光的频率高，具有很大的传输带宽。其中常用的62.5/125μm多模渐变型光纤采用1 310 nm波段的LED或LD光源，传输多个光波模式，适用于几Mb/s～100 Mb/s的码元传输速率，传输距离为2 km～10 km。

LTD型长脉冲驱动源（以下简称HPM源）控制系统通过建立光纤以太网、串口光纤网络和高精度光纤触发网络为基础的通信接口，完成控制、监测以及通信等主要任务。在电磁干扰较严重的工作现场，采用全数字光纤分布式设计可提高系统抗干扰的能力，保证信号传输的稳定可靠。

1 控制对象及实现功能

HPM源控制系统监控对象主要有初级充电电源、储能与脉冲成形系统、开关气流系统、微波器件外围设备、真空装置及其他外部辅助设施等，与上级指控系统的结构组成如图1所示。将监控对象进行分类，主要包括4类信号：

（1）数字开关量输入/输出信号。

（2）控制时序脉冲输出信号。

（3）约定通信协议，通过串行通信完成设置和传输的信号。

（4）模拟数据采集信号。

HPM源控制系统具有实时控制、状态监测、数据处理和对外通信联络等功能，既能单独控制HPM源实现微波发射试验调试，又能与上级指控系统接口，接收运行指令，完成协同工作。其核心控制单元——PXI嵌入式控制器通过串口完成现场各装备的参数设置和数据采集，并通过光纤以太网将数据传送至上级指控系统进行处理和显示。

2 设计原理

根据HPM源工作对嵌入式控制系统动态响应速度、精度等技术指标要求，合理采用微机控制和网络通信技术，选用NI公司的LabVIEW开发软件和基于开放工业标准PXI体系结构的模块化仪器系统，开发基于PC和PXI嵌入式控制器的测控系统。该控制系统设计原理框图如图2所示。

图1 HPM源控制系统与指控系统结构组成框图

为可靠实现HPM源的远程控制功能，在监控上位机与运行现场的嵌入式实时控制子系统之间使用光纤组成数据传输网络。监控上位机完成目标参数设定以及设备启动/停止控制；嵌入式控制器完成控制时序产生及运行数据采集等功能，并将设备运行状态信息发送至监控计算机。根据系统实现功能，远程控制系统分为设备工作参数设置、运行状态检测以及数据传输三部分。交换机采用光纤组成远程数据传输网络，经多模光纤连接时，单根有效通信距离不小于500 m。

3 实现技术途径

3.1 控制系统硬件设计

图2 控制系统原理设计框图

图2中的控制计算机主要完成编程器、人机交互界面、数据分析及处理等功能；所有的实时控制任务、数据采集、数据存储等由本地控制单元中的NI实时嵌入式控制器及各功能模块完成，输入/输出信号的隔离、放大及转换等功能由信号处理单元实现。

3.1.1 控制计算机单元设计

控制计算机主要应用于开发和调试阶段，完成对嵌入式下位机的任务管理、工作参数设置、状态监测显示、数据处理以及与总控软件的数据指令交互。上/下位机间通过网络连接，接口采用100 Mb/s/10 Mb/s自适应全双工以太网接口，通信协议约定为UDP。在控制计算机操作系统中使用NI LabVIEW实时模块开发应用程序，通过以太网将程序下载至PXI嵌入式控制器，嵌入式代码在实时操作系统上执行。控制计算机通过光纤网口和UDP协议控制PXI系统，同时对现场采集数据进行记录和存储，通过GPIB接口对示波器进行控制，读取示波器采集的数据，并根据需要打印监测波形。

3.1.2 本地控制单元设计

本地控制单元内置实时嵌入式控制器PXI-8109、定时/计数卡 NI PXI-6602（PXI总线，8个 32位定时/计数器，最大80 MHz源频率）、M系列数据采集卡NI PXI-6221（PXI总线，250 kS/s采样速率，16通道单端/8通道差分输入，输入分辨率为16位，2个16位分辨率的模拟输出通道，2个32位80 MHz定时/计数器）以及定时与同步模块PXI-6682（板载时钟10 MHz，时钟精度1 ppm）。本地PXI嵌入式控制单元提供控制和监测的各类信号，完成HPM源的运行控制。

3.1.3 控制信号处理单元设计

本地控制单元产生的高精度时序信号必须及时、准确地传输至HPM源各相关部分。根据实际所需要的触发信号强度要求，以及强/弱电回路之间、电磁干扰环境所产生的影响，在系统外围信号处理单元内对信号采取了隔离、放大、电/光转换等相应处理，并通过光纤将信号传输至受控部位。

控制信号处理单元电/光转换处理电路如图3所示，其工作原理为：由定时/计数卡产生 5 V/20μs的TTL电平脉冲信号，经过脉冲变压器隔离输出至外部控制单元。为满足光纤发送器对输入信号的功率要求，保证控制脉冲转换为光信号后可靠地远距离传输，在电/光转换器前级采用高速大电流开关外围驱动电路，对TTL电平信号进行电流放大。图3中通过调节电阻R2可以改变流经光纤发送器的前向电流值。

图3 电/光转换输出电路（单路）

同时，经过电/光转换后的控制信号通过普通多模光纤传输至HPM源受控部位，采用相应的光/电转换处理、驱动放大和隔离等措施，控制系统按要求正确运行。

另外，嵌入式控制子系统采用PXI-8431串口通信板卡以及ADAM-4541光纤转换模块形成RS485串口光纤网络，实现对HPM源外围装置（如电源、真空等）的启/停操作、运行工作参数设置及设施的工作状态监测等控制功能。从HPM源各监测部分采集的数据信号如果实时性要求高（如故障报警等），则必须在现场装置控制单元内进行采集转换成光信号，一对一地发送至控制信号处理单元。光纤收发接口电路如图4所示。

图4 光纤收发接口电路（单路）

由控制计算机板卡产生的数字开关信号通过外围控制单元的处理电路（如图5所示），采用多模光纤传输至HPM源受控装置，再经过光电转换处理控制其启动或停止工作。

图5 数字开关量输出处理电路（单路）

图5中光电耦合器D1作为控制信号产生单元与后级HPM源的第一级电气隔离，继电器D5作为第二级电气隔离，利用光纤作为高低压侧之间的绝缘介质和控制信号的通信介质，确保HPM源装置的正常运行。同时，由于计算机控制系统产生的数字开关信号是TTL电平，通过光耦隔离输出不能直接驱动后级继电器动作，所以选用高压大电流晶体管器件，满足继电器驱动使用要求。

3.2 控制系统软件设计

控制系统软件分为两部分，即开发调试使用的控制计算机人机界面软件和嵌入式PXI控制单元的实时控制软件。人机界面软件是在Windows平台下，利用Lab-VIEW开发系统进行编制；实时控制软件是在Windows环境下利用LabVIEW RT编程，然后通过以太网下载到实时嵌入式控制器PXI-8109 RT中，控制计算机可对其进行远程监控。

控制计算机软件的总体结构选用LabVIEW提供的状态机结构，解决有顺序的控制问题。状态机结构由While Loop内部的一个Case结构和位移寄存器中所携带的Case选择器组成，其每个框架可以向下一个迭带中的其他框架传输控制或直接终止WhileLoop，允许用户执行任意数量的执行操作，并且每一个操作都可以调用一个子程序，提高整个程序的运行效率。

实时控制软件分为三部分，即与上位机的通信、实时任务、瞬时数据记录。其中控制参数的输入通过以太网通信的方式由上位机传到实时控制器，运行过程采集的实时数据也是通过同样的方式从控制器传到上位机；实时任务执行过程中，根据判断所采集的运行状态正常与否，可以立即终止控制信号的产生，避免更大的故障发生；利用RTFIFO将实验过程的数据记录下来，当实验结束，即CPU时间宽裕时，将数据写入磁盘。

HPM源运行现场产生的微波、高频电磁脉冲和磁场等都会对本地嵌入式控制系统形成干扰，电磁兼容的处理是控制系统稳定运行的首要问题。针对HPM源运行装置与控制系统的测控连接形式，数据通信采用RS485等标准串行总线通信方式以及光纤传输介质，约定通信协议，统一接口标准；时序触发信号及数字开关量等经过光电转换处理，通过光纤连接，进一步提高了控制系统的电磁兼容能力。同时与上级指控系统的连接网络采用光纤以太网，完成本地控制系统内外数据指令的交换。

在HPM源控制系统的设计中，采用光纤数据接口组成数字信息传输网络，有效隔离了后端控制室与前端高压大电流的强电磁运行环境，保证了工作人员和仪器的安全；采用光纤代替电缆传输，避免了传输过程中周围恶劣环境的干扰，提高了传输距离。采取以上的技术措施，为确保控制系统可靠运行和HPM源装置稳定工作奠定了基础。

[1]邱昆，王晟，邱琪，等.光纤通信[M].成都：电子科技大学出版社，2008.

[2]韦英华.一种基于光纤传输的监测信号处理系统[J].现代电子技术，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.