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      PFN監(jiān)控系統(tǒng)混合串行通信方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

      2010-09-20 02:55:16劉福才張興娟
      電氣自動(dòng)化 2010年6期
      關(guān)鍵詞:報(bào)文總線光纖

      劉福才 李 坤 張興娟 王 猛

      (燕山大學(xué)西校區(qū)電院,河北 秦皇島 066004)

      0 引言

      PFN(脈沖形成網(wǎng)絡(luò))是對(duì)儲(chǔ)能元件緩慢充電,然后在短時(shí)間內(nèi)對(duì)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛用于可控?zé)岷司圩?、電熱化學(xué)發(fā)射、電磁發(fā)射、高能電子加速器等[1]。它能產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾,對(duì)通信傳輸帶來了很大的干擾,而通信對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測和控制的正常運(yùn)行又具有至關(guān)重要的作用,因此在強(qiáng)電磁環(huán)境下對(duì)通信的抗干擾能力提出了更高的要求。本文結(jié)合PFN實(shí)際應(yīng)用情況,提出了一種強(qiáng)磁環(huán)境下的混合通信設(shè)計(jì)方法。通過把光纖通信、RS485等通信靈活地結(jié)合起來,提高了其抗干擾的能力,確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。本文重點(diǎn)介紹PFN通信部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

      1 混合通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

      在PFN監(jiān)控系統(tǒng)中主要包括以下幾個(gè)單元:監(jiān)控計(jì)算機(jī)(PC),基于DSP的軟開關(guān)高壓充電電源U1,觸發(fā)控制單元U2,B探針膛內(nèi)速度檢測單元U3,膛外網(wǎng)靶速度檢測單元U4等。首先,監(jiān)控計(jì)算機(jī)啟動(dòng)高壓充電電源對(duì)PFN中電容充電,當(dāng)電壓值達(dá)到設(shè)定電壓時(shí),停止充電。然后,由監(jiān)控計(jì)算機(jī)控制觸發(fā)控制單元U2對(duì)PFN放電。最后,由以TMS320F240為核心的B探針檢測單元U3對(duì)B探針的信號(hào)進(jìn)行采集,網(wǎng)靶速度檢測單元U4則對(duì)網(wǎng)靶的信號(hào)進(jìn)行采集,數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

      圖1 PFN通信系統(tǒng)基本框圖

      通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則:首先,抗干擾能力強(qiáng),保證測控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行;其次,實(shí)時(shí)性好,響應(yīng)速度快;第三,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率低,以確保人身和設(shè)備的安全[2]。

      在PFN監(jiān)控系統(tǒng)中,由一臺(tái)工控機(jī)作為控制中心,完成充電控制、B探針信號(hào)檢測、網(wǎng)靶速度檢測、觸發(fā)控制等任務(wù)。計(jì)算機(jī)通過串口向各個(gè)下位機(jī)下達(dá)控制命令和進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取,因此通信系統(tǒng)需設(shè)計(jì)成一機(jī)對(duì)多機(jī)通信的方式。圖1為PFN整個(gè)通信系統(tǒng)框圖。

      計(jì)算機(jī)首先通過串行口COM端發(fā)送RS232信號(hào),由RS232轉(zhuǎn)TTL模塊轉(zhuǎn)換成下位機(jī)可以識(shí)別的TTL信號(hào),再由TTL轉(zhuǎn)光纖模塊轉(zhuǎn)換為光信號(hào)接入混合通信板。

      混合通信板接收到光信號(hào)后,首先由混合通信板的光纖轉(zhuǎn)TTL部分轉(zhuǎn)化成TTL信號(hào),然后以兩種形式發(fā)送信號(hào)。一種是由MAX1480B把TTL信號(hào)轉(zhuǎn)化成RS485信號(hào),與B探針信號(hào)檢測、網(wǎng)靶速度檢測模塊以及觸發(fā)模塊等設(shè)備進(jìn)行通信;另一種是將轉(zhuǎn)化來的TTL信號(hào)原封不動(dòng)地轉(zhuǎn)換為光信號(hào),與充電模塊進(jìn)行通信。

      由混合通信板轉(zhuǎn)換成的RS485信號(hào)與U2、U3、U4等之間采用RS485通信,這些模塊主要用作系統(tǒng)的B探針信號(hào)檢測、網(wǎng)靶速度檢測以及觸發(fā)控制等。RS485構(gòu)成的總線型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),采用主從方式進(jìn)行多機(jī)通信,這里的主機(jī)是工控機(jī),從機(jī)是DSP構(gòu)成的各功能模塊。

      由混合通信板出來的光信號(hào)再通過充電板的光纖轉(zhuǎn)TTL模塊轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)直接與充電模塊進(jìn)行通信。這里采用RS232通信是因?yàn)镽S485通信是半雙工的,不可以同時(shí)接收發(fā)送數(shù)據(jù),在充電的時(shí)候,一些下位機(jī)模塊會(huì)每隔一定時(shí)間上傳數(shù)據(jù),當(dāng)發(fā)生故障時(shí),充電模塊可能因?yàn)镽S485通信占線而無法順利發(fā)送充電停止的命令,從而對(duì)設(shè)備和參試人員的安全構(gòu)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(fā)出停止等命令而導(dǎo)致危險(xiǎn)情況,此處采用了RS232通信。

      以上各通信過程均可逆,數(shù)據(jù)的接收是命令發(fā)送的逆過程。

      2 PFN通信系統(tǒng)各部分實(shí)現(xiàn)

      2.1 RS232轉(zhuǎn) TTL 電路

      圖2 RS232轉(zhuǎn)TTL信號(hào)電路

      RS232是比較常見的一種通信方式。一般計(jì)算機(jī)都配有RS232串行口COM1,計(jì)算機(jī)的串口COM端輸出的RS232信號(hào),邏輯“1”是-3到-15V,邏輯“0”是+3到+15V。以DSP為核心的各個(gè)模塊識(shí)別的串口信號(hào)是 TTL電平信號(hào),邏輯“1”是5V,邏輯“0”是0V。這里選用MAX2323芯片實(shí)現(xiàn)RS232到TTL的電平邏輯轉(zhuǎn)換,MAX2323電路圖如圖2所示。PCTX發(fā)送的RS232信號(hào)從R1IN輸入,從R1OUT輸出F240能識(shí)別的TTL電平信號(hào)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(tǒng)中,系統(tǒng)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(fā)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(dá)到2700m,在1500m可以達(dá)到5M的速度。HFBR-1412調(diào)制簡單,用一個(gè)低阻抗、高電流速率的外圍驅(qū)動(dòng)芯片SN75452就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制.HFBR-2412內(nèi)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(cè)給出的光纖電路。包括計(jì)算機(jī)端的TTL與光纖轉(zhuǎn)換模塊,充電端的光纖轉(zhuǎn)TTL信號(hào)模塊和混合通信板中的光纖口。

      2.3 混合通信板設(shè)計(jì)

      混合通信板是計(jì)算機(jī)與所有下位機(jī)數(shù)據(jù)交換的樞紐,也是本文的重點(diǎn)所在??刂浦行牡挠?jì)算機(jī)只需要用COM端就能實(shí)現(xiàn)與整個(gè)系統(tǒng)的所有下位機(jī)進(jìn)行通信,簡化了線路,提高了計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的光信號(hào)后,首先轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào),一部分由MAX1480B轉(zhuǎn)變成RS485信號(hào),另一部分直接由光纖口變?yōu)楣庑盘?hào)發(fā)送給充電單元?;旌贤ㄐ虐迨钦麄€(gè)PFN通信系統(tǒng)的中樞。

      圖3 混合通信板原理圖

      (2)用MAX1480B免控實(shí)現(xiàn)TTL信號(hào)到RS485信號(hào)的轉(zhuǎn)化

      MAX1480B是由美國MAXIM公司生產(chǎn)的完整的帶光電隔離的RS485數(shù)據(jù)通信接口芯片,它的最主要特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換器和RS485模塊三部分構(gòu)成。

      RS485是半雙工的,需要進(jìn)行收發(fā)控制,DE端是信號(hào)發(fā)送和接收使能端。一般的設(shè)計(jì)中是采用微控制器對(duì)DE控制,但這么做有兩個(gè)弊端:一是使設(shè)計(jì)成本增加,硬件電路復(fù)雜;二是需要對(duì)微控制器進(jìn)行編程,波特率變化和通信協(xié)議參數(shù)變化時(shí),要改變延時(shí)參數(shù),很不方便[4-5]。

      因此本混合系統(tǒng)采用了免控制的TTL/RS485轉(zhuǎn)化,完全從硬件上實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)換器收發(fā)控制,與通信速率和通信方式無關(guān),免除了當(dāng)通信協(xié)議改變時(shí),需重新改變參數(shù)。其接線原理圖如圖3右半部分所示。

      在TTL信號(hào)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(dāng)兩根傳輸線滿足A-B> =200mV時(shí)為邏輯“1”,當(dāng) A-B <= -200mV時(shí)為邏輯“0”。

      圖中TXD與GND經(jīng)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(jīng)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(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),TXD為邏輯“1”,DE 為邏輯“0”,接收端使能,MAX1480B 隨時(shí)準(zhǔn)備接收來自RS485方向的信號(hào)。當(dāng)串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),分為兩種情況:TXD發(fā)送邏輯“0”時(shí),DI端為“0”,DE端為“1”,MAX1480B發(fā)送使能,TTL的數(shù)據(jù)正常發(fā)送到RS485接口上,DI上的邏輯“0”發(fā)送過去,即A-B<= -200mV;當(dāng)TXD發(fā)送邏輯“1”時(shí),DI上的邏輯是“1”,而DE上的邏輯是“0”,MAX1480B發(fā)送功能關(guān)閉,DI上的邏輯“1”不能通過MAX1480B發(fā)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(shí)現(xiàn)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(shí)際應(yīng)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?shù)能浻布O(shè)計(jì)

      2.4.1 硬件設(shè)計(jì)

      RS485部分的數(shù)據(jù)傳輸采用主從站的方法,如圖1所示用RS485構(gòu)成的總線型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),采用主從方式進(jìn)行多機(jī)通信。開始時(shí)所有從機(jī)復(fù)位,即處于監(jiān)聽狀態(tài),等待主機(jī)的呼叫[6]。從混合控制板輸出的RS485信號(hào),把所有利用RS485通信的模塊并聯(lián)在RS485總線上,計(jì)算機(jī)把命令發(fā)送到RS485總線上,各個(gè)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)也是發(fā)到RS485總線上??偩€上的所有從站接收到報(bào)文后,把報(bào)文中的目標(biāo)地址與該從站本身地址做比對(duì),如果匹配則對(duì)報(bào)文進(jìn)行處理,不匹配則不予理睬。

      2.4.2 軟件設(shè)計(jì)

      圖7 報(bào)文框架

      計(jì)算機(jī)把一組數(shù)據(jù)發(fā)送到RS485總線上,所有模塊均接收到該數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的區(qū)分通過訂制報(bào)文來解決的。圖7就是實(shí)際所用的報(bào)文框架。報(bào)文頭解決總線上一些亂碼對(duì)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的干擾,發(fā)送端地址對(duì)應(yīng)著數(shù)據(jù)的來源,接收端地址指定數(shù)據(jù)的去向,數(shù)據(jù)類型決定了數(shù)據(jù)是具體接收模塊,報(bào)文尾是數(shù)據(jù)全部接收到的標(biāo)志??偟膩碚f,發(fā)送端地址和接收端地址是指計(jì)算機(jī)或者以DSP為核心的下位機(jī),數(shù)據(jù)類型是對(duì)各個(gè)以DSP為核心的下位機(jī)的區(qū)分[7]。

      例如:報(bào)文頭用7E E7 7E,PC的代碼是58,DSP下位機(jī)用F3,報(bào)文尾0D,數(shù)據(jù)類型則是每個(gè)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(bào)文為:7E E7 7E 58 F3 01……0D此報(bào)文是計(jì)算機(jī)發(fā)送給下位機(jī)模塊1的報(bào)文,當(dāng)其他模塊接收到這個(gè)報(bào)文后,對(duì)比地址不是自己的,則對(duì)此報(bào)文不予理睬。下面詳細(xì)介紹DSP命令報(bào)文檢測程序。

      以上程序說明:當(dāng)下位機(jī)接收到RS485總線上的數(shù)據(jù)后,首先檢測此報(bào)文前五位,最先接收到的數(shù)據(jù)依次與RED_HEAD中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,其中的任何一位與RXD_HEAD中的數(shù)據(jù)不相同,都返回到SCI_RX_BACK,對(duì)AR4和AR6進(jìn)行初始化,再返回到主程序中。只有前五位與RXD_HRAD中的數(shù)據(jù)相同時(shí),對(duì)JS_mark進(jìn)行置位,接收數(shù)據(jù)使能。開始全部地接收數(shù)據(jù),直到收到0D停止接收,然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測、判斷。

      RS485總線中接有電壓檢測和電流檢測的單元,會(huì)給上位機(jī)PC上傳數(shù)據(jù),DSP向計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)首先打包,在7E E7 7E F3 58……0D中添加數(shù)據(jù),然后發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送到RS485總線上,通過混合通信板發(fā)送給計(jì)算機(jī),由于計(jì)算機(jī)識(shí)別的是7E E7 7E F3 58……0D格式的數(shù)據(jù),接收地址是58的數(shù)據(jù)包,接收并處理數(shù)據(jù)。由于共用RS485總線,各RS485模塊也接收到此數(shù)據(jù),但是接收地址和發(fā)送地址不相符,各模塊接收后便丟掉。

      在必要的時(shí)候RS485各模塊之間也可以互相發(fā)送命令,命令格式與PC發(fā)的命令格式相同,例如模塊1給模塊2發(fā)送命令7E E7 7E 58 F3 02……0D,此時(shí)PC接收到此格式的命令,不是它要處理的數(shù)據(jù),就丟掉了。只有模塊2會(huì)響應(yīng)此命令,其他模塊也不響應(yīng)此命令。

      2.5 充電單元的通信

      混合通信板輸出的光信號(hào),發(fā)送到充電單元,由充電控制板上的光纖轉(zhuǎn)TTL信號(hào)模塊,將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL,然后與充電單元進(jìn)行通信,這里不再詳述。

      3 結(jié)論

      在PFN監(jiān)控系統(tǒng)中,有許多參數(shù)需要測量。本文根據(jù)實(shí)際要求,給出了一種集RS232、RS485及光纖的混合通信設(shè)計(jì)方法,給出了芯片選型及電路原理圖等。在PFN強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境下,以一臺(tái)工控機(jī)為主機(jī),與多個(gè)DSP從機(jī)進(jìn)行通信。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,采用光纖通信和RS-485組成的混合通信,數(shù)據(jù)收發(fā)正常,抗干擾性好,通信方式靈活,能適用于強(qiáng)電磁干擾環(huán)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在PFN中的應(yīng)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(shù)的測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電氣應(yīng)用,2006,25(9):54 ~56,70.

      [3]饒文貴,田建生.DSP串行數(shù)據(jù)光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的研制[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,12(Z):106 ~108.

      [5]陽世榮,王少榮.基于RS-485與光纖混合通信網(wǎng)絡(luò)的脈沖功率測控系統(tǒng)[J].廣東電力,2006,19(9):70 ~72,78.

      [6]王琦,秦娟英,周偉.用RS485構(gòu)成總線型多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)自動(dòng)測量與控制,2000,18(6):45 ~47,52.

      [7]周凌輝,王少榮.強(qiáng)電磁環(huán)境下測控系統(tǒng)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù),2004,30(2):43 ~44,53.

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