在開展高功率微波（HPM）及其相關(guān)技術(shù)研究的過程中，隨著HPM源功率的進一步提高，系統(tǒng)產(chǎn)生的微波、高壓放電、X射線、電子束強引導磁場等構(gòu)成的復雜強電磁環(huán)境對于實驗場所電子儀器設(shè)備的準確性、可靠性甚至安全性都構(gòu)成了威脅。光纖通信技術(shù)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(fā)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(huán)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62.5/125 μm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(qū)動源（以下簡稱HPM源）控制系統(tǒng)通過建立光纖以太網(wǎng)、串口光纖網(wǎng)絡(luò)和高精度光纖觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的通信接口，完成控制、監(jiān)測以及通信等主要任務。在電磁干擾較嚴重的工作現(xiàn)場，采用全數(shù)字光纖分布式設(shè)計可提高系統(tǒng)抗干擾的能力，保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠。

1 控制對象及實現(xiàn)功能

    HPM源控制系統(tǒng)監(jiān)控對象主要有初級充電電源、儲能與脈沖成形系統(tǒng)、開關(guān)氣流系統(tǒng)、微波器件外圍設(shè)備、真空裝置及其他外部輔助設(shè)施等，與上級指控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。將監(jiān)控對象進行分類，主要包括4類信號：

    （1）數(shù)字開關(guān)量輸入/輸出信號。

    （2）控制時序脈沖輸出信號。

    （3）約定通信協(xié)議，通過串行通信完成設(shè)置和傳輸?shù)男盘枴?/p>

    （4）模擬數(shù)據(jù)采集信號。

    HPM源控制系統(tǒng)具有實時控制、狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理和對外通信聯(lián)絡(luò)等功能，既能單獨控制HPM源實現(xiàn)微波發(fā)射試驗調(diào)試，又能與上級指控系統(tǒng)接口，接收運行指令，完成協(xié)同工作。其核心控制單元——PXI嵌入式控制器通過串口完成現(xiàn)場各裝備的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集，并通過光纖以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至上級指控系統(tǒng)進行處理和顯示。

2 設(shè)計原理

    根據(jù)HPM源工作對嵌入式控制系統(tǒng)動態(tài)響應速度、精度等技術(shù)指標要求，合理采用微機控制和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，選用NI公司的LabVIEW開發(fā)軟件和基于開放工業(yè)標準PXI體系結(jié)構(gòu)的模塊化儀器系統(tǒng)，開發(fā)基于PC和PXI嵌入式控制器的測控系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)設(shè)計原理框圖如圖2所示。

圖2  控制系統(tǒng)原理設(shè)計框圖

    為可靠實現(xiàn)HPM源的遠程控制功能，在監(jiān)控上位機與運行現(xiàn)場的嵌入式實時控制子系統(tǒng)之間使用光纖組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控上位機完成目標參數(shù)設(shè)定以及設(shè)備啟動/停止控制；嵌入式控制器完成控制時序產(chǎn)生及運行數(shù)據(jù)采集等功能，并將設(shè)備運行狀態(tài)信息發(fā)送至監(jiān)控計算機。根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)功能，遠程控制系統(tǒng)分為設(shè)備工作參數(shù)設(shè)置、運行狀態(tài)檢測以及數(shù)據(jù)傳輸三部分。交換機采用光纖組成遠程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)多模光纖連接時，單根有效通信距離不小于500 m。

3 實現(xiàn)技術(shù)途徑

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

    圖2中的控制計算機主要完成編程器、人機交互界面、數(shù)據(jù)分析及處理等功能；所有的實時控制任務、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換等功能由信號處理單元實現(xiàn)。

3.1.1 控制計算機單元設(shè)計

    控制計算機主要應用于開發(fā)和調(diào)試階段，完成對嵌入式下位機的任務管理、工作參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測顯示、數(shù)據(jù)處理以及與總控軟件的數(shù)據(jù)指令交互。上/下位機間通過網(wǎng)絡(luò)連接，接口采用100 Mb/s/10 Mb/s自適應全雙工以太網(wǎng)接口，通信協(xié)議約定為UDP。在控制計算機操作系統(tǒng)中使用NI LabVIEW實時模塊開發(fā)應用程序，通過以太網(wǎng)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(tǒng)上執(zhí)行?？刂朴嬎銠C通過光纖網(wǎng)口和UDP協(xié)議控制PXI系統(tǒng)，同時對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并根據(jù)需要打印監(jiān)測波形。

3.1.2 本地控制單元設(shè)計

    本地控制單元內(nèi)置實時嵌入式控制器PXI-8109、定時/計數(shù)卡NI PXI-6602（PXI總線，8個32位定時/計數(shù)器，最大80 MHz源頻率）、M系列數(shù)據(jù)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(shù)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(jiān)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(shè)計

    本地控制單元產(chǎn)生的高精度時序信號必須及時、準確地傳輸至HPM源各相關(guān)部分。根據(jù)實際所需要的觸發(fā)信號強度要求，以及強/弱電回路之間、電磁干擾環(huán)境所產(chǎn)生的影響，在系統(tǒng)外圍信號處理單元內(nèi)對信號采取了隔離、放大、電/光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換處理電路如圖3所示，其工作原理為：由定時/計數(shù)卡產(chǎn)生5 V/20 μs的TTL電平脈沖信號，經(jīng)過脈沖變壓器隔離輸出至外部控制單元。為滿足光纖發(fā)送器對輸入信號的功率要求，保證控制脈沖轉(zhuǎn)換為光信號后可靠地遠距離傳輸，在電/光轉(zhuǎn)換器前級采用高速大電流開關(guān)外圍驅(qū)動電路，對TTL電平信號進行電流放大。圖3中通過調(diào)節(jié)電阻R₂可以改變流經(jīng)光纖發(fā)送器的前向電流值。

    同時，經(jīng)過電/光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換處理、驅(qū)動放大和隔離等措施，控制系統(tǒng)按要求正確運行。

    另外，嵌入式控制子系統(tǒng)采用PXI-8431串口通信板卡以及ADAM-4541光纖轉(zhuǎn)換模塊形成RS485串口光纖網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對HPM源外圍裝置（如電源、真空等）的啟/停操作、運行工作參數(shù)設(shè)置及設(shè)施的工作狀態(tài)監(jiān)測等控制功能。從HPM源各監(jiān)測部分采集的數(shù)據(jù)信號如果實時性要求高（如故障報警等），則必須在現(xiàn)場裝置控制單元內(nèi)進行采集轉(zhuǎn)換成光信號，一對一地發(fā)送至控制信號處理單元。光纖收發(fā)接口電路如圖4所示。

    由控制計算機板卡產(chǎn)生的數(shù)字開關(guān)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(jīng)過光電轉(zhuǎn)換處理控制其啟動或停止工作。

    圖5中光電耦合器D1作為控制信號產(chǎn)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(cè)之間的絕緣介質(zhì)和控制信號的通信介質(zhì)，確保HPM源裝置的正常運行。同時，由于計算機控制系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)字開關(guān)信號是TTL電平，通過光耦隔離輸出不能直接驅(qū)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(qū)動使用要求。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

    控制系統(tǒng)軟件分為兩部分，即開發(fā)調(diào)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LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)進行編制；實時控制軟件是在Windows環(huán)境下利用LabVIEW RT編程，然后通過以太網(wǎng)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(jiān)控。

    控制計算機軟件的總體結(jié)構(gòu)選用LabVIEW提供的狀態(tài)機結(jié)構(gòu)，解決有順序的控制問題。狀態(tài)機結(jié)構(gòu)由While Loop內(nèi)部的一個Case結(jié)構(gòu)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(zhí)行任意數(shù)量的執(zhí)行操作，并且每一個操作都可以調(diào)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(shù)據(jù)記錄。其中控制參數(shù)的輸入通過以太網(wǎng)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(shù)據(jù)也是通過同樣的方式從控制器傳到上位機；實時任務執(zhí)行過程中，根據(jù)判斷所采集的運行狀態(tài)正常與否，可以立即終止控制信號的產(chǎn)生，避免更大的故障發(fā)生；利用RTFIFO將實驗過程的數(shù)據(jù)記錄下來，當實驗結(jié)束，即CPU時間寬裕時，將數(shù)據(jù)寫入磁盤。

    HPM源運行現(xiàn)場產(chǎn)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(tǒng)形成干擾，電磁兼容的處理是控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的首要問題。針對HPM源運行裝置與控制系統(tǒng)的測控連接形式，數(shù)據(jù)通信采用RS485等標準串行總線通信方式以及光纖傳輸介質(zhì)，約定通信協(xié)議，統(tǒng)一接口標準；時序觸發(fā)信號及數(shù)字開關(guān)量等經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換處理，通過光纖連接，進一步提高了控制系統(tǒng)的電磁兼容能力。同時與上級指控系統(tǒng)的連接網(wǎng)絡(luò)采用光纖以太網(wǎng)，完成本地控制系統(tǒng)內(nèi)外數(shù)據(jù)指令的交換。

    在HPM源控制系統(tǒng)的設(shè)計中，采用光纖數(shù)據(jù)接口組成數(shù)字信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，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(huán)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(huán)境的干擾，提高了傳輸距離。采取以上的技術(shù)措施，為確?？刂葡到y(tǒng)可靠運行和HPM源裝置穩(wěn)定工作奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻

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