0  引言

脈沖功率技術(shù)是一種功率壓縮技術(shù)，以較低的輸入功率將能量緩慢存儲(chǔ)起來(lái)，隨后在極短時(shí)間內(nèi)釋放，以獲得極高的峰值輸出功率。該技術(shù)是應(yīng)國(guó)防科技需要而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興科學(xué)技術(shù)，是獲得高電壓、大電流等極端電磁參數(shù)的重要手段，被廣泛應(yīng)用在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域中^［1-3］。

脈沖功率裝置一般由初級(jí)能源系統(tǒng)、中間儲(chǔ)能系統(tǒng)、脈沖形成系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和負(fù)載系統(tǒng)5個(gè)子系統(tǒng)組成。工作時(shí)，初級(jí)能源系統(tǒng)用于為脈沖功率裝置供能，將能量輸送至中間儲(chǔ)能系統(tǒng)中；中間儲(chǔ)能系統(tǒng)常見(jiàn)遠(yuǎn)重頻或猝發(fā)脈沖功率裝置，通過(guò)初步功率壓縮為脈沖形成系統(tǒng)供能；脈沖形成系統(tǒng)充電完成后，通過(guò)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將能量快速傳遞給負(fù)載系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)脈沖功率輸出。 

猝發(fā)脈沖是指脈沖功率裝置在一次工作周期中輸出的多個(gè)相同的高功率脈沖，是為了滿足特定的工業(yè)及科研需求而發(fā)展起來(lái)的一種脈沖功率技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)猝發(fā)脈沖方式工作，脈沖功率裝置各個(gè)子系統(tǒng)需要按照一定的時(shí)序協(xié)調(diào)工作。為此需要研制一套猝發(fā)多脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)，控制脈沖功率裝置各個(gè)子系統(tǒng)按要求工作，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)可調(diào)的猝發(fā)脈沖參數(shù)。 

本文采用FPGA控制芯片作為猝發(fā)多脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)控制中樞，接收上位機(jī)控制命令，實(shí)現(xiàn)猝發(fā)多脈沖信號(hào)產(chǎn)生。該系統(tǒng)可輸出2路猝發(fā)多脈沖信號(hào)，猝發(fā)脈沖串個(gè)數(shù)1～5個(gè)可調(diào)，猝發(fā)脈沖串間隔1～200 s可調(diào)，猝發(fā)脈沖串內(nèi)部脈沖個(gè)數(shù)1～5個(gè)可調(diào)，猝發(fā)脈沖串內(nèi)部脈沖頻率1～100 Hz可調(diào)，猝發(fā)脈沖串內(nèi)部脈沖寬度等參數(shù)可以調(diào)節(jié)^［4-6］。

1  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

猝發(fā)多脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)包括：上位機(jī)監(jiān)控界面、串口通信電路、FPGA控制電路、輸入/輸出隔離電路4個(gè)部分。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中上位機(jī)監(jiān)控界面基于Visual Basic（VB）軟件進(jìn)行可視化編程實(shí)現(xiàn)，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控界面可以完成串口通信協(xié)議設(shè)置、猝發(fā)多脈沖信號(hào)的參數(shù)設(shè)置以及系統(tǒng)啟動(dòng)/停止、系統(tǒng)自檢等狀態(tài)控制；上位機(jī)和FPGA控制芯片采用RS232串口通信協(xié)議，串口通信電路包括：FPGA串口（UART）模塊、MAX232芯片和上位機(jī)串口三部分，MAX232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，解決FPGA的信號(hào)電平與RS232的標(biāo)準(zhǔn)不一致的問(wèn)題；FPGA芯片采用Altera CycloneIV系列，F(xiàn)PGA控制電路包括時(shí)鐘電路、電源電路、程序下載電路、SDRAM和Flash存儲(chǔ)電路、復(fù)位電路等；輸入/輸出隔離電路包括：串口接收信號(hào)、串口發(fā)送信號(hào)和脈沖輸出信號(hào)，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，F(xiàn)PGA輸入/輸出信號(hào)均采用光纖傳輸實(shí)現(xiàn)。

2  FPGA中控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

FPGA采用硬件邏輯實(shí)現(xiàn)控制功能，具有功耗低、速度快、工作頻率高、集成度高等特點(diǎn)，可以完成極其復(fù)雜的時(shí)序與組合邏輯。本文中FPGA控制電路主要功能有：通過(guò)UART模塊從串口接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存、解析和存儲(chǔ)處理，根據(jù)控制命令輸出2路猝發(fā)多脈沖信號(hào)。FPGA控制程序采用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)，在Quartus II 11.0軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，核心內(nèi)容包括：UART數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)寄存模塊、猝發(fā)多脈沖產(chǎn)生模塊三部分。FPGA程序結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 UART數(shù)據(jù)接收模塊

本文設(shè)計(jì)的UART數(shù)據(jù)接收模塊主要包括波特率產(chǎn)生模塊和數(shù)據(jù)接收控制模塊。功能是從串口接收上位機(jī)發(fā)送的串行數(shù)據(jù)。

2.1.1 波特率產(chǎn)生模塊

在電子通信領(lǐng)域，波特率即調(diào)制速度，它是對(duì)符號(hào)傳輸速率的一種度量，1 b/s表示每秒傳輸1個(gè)符號(hào)。波特率產(chǎn)生模塊的功能是產(chǎn)生與RS-232串口通信波特率同步的時(shí)鐘，其基本思路是對(duì)系統(tǒng)輸入時(shí)鐘進(jìn)行分頻得到需要的波特率。本設(shè)計(jì)中FPGA輸入時(shí)鐘為50 MHz，波特率選擇9 600 b/s。

2.1.2 數(shù)據(jù)接收控制模塊

數(shù)據(jù)接收控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)串行數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的串行數(shù)據(jù)按照既定的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行輸出。UART數(shù)據(jù)接收協(xié)議采用1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位的格式,在9 600 b/s波特率下，UART數(shù)據(jù)采集步驟如下： 

（1）空閑狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)起始位0； 

（2）根據(jù)起始位的標(biāo)志，判斷UART時(shí)序起始； 

（3）由低到高位串行接收8位數(shù)據(jù)； 

（4）判斷結(jié)束位1，一幀數(shù)據(jù)接收完畢。

2.2 數(shù)據(jù)寄存模塊

UART數(shù)據(jù)接收模塊接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)緩存、解析后，按地址存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中。寄存器作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)字設(shè)備，2路猝發(fā)多脈沖信號(hào)參數(shù)包括猝發(fā)脈沖個(gè)數(shù)、猝發(fā)脈沖間隔、猝發(fā)脈沖串脈沖個(gè)數(shù)、猝發(fā)脈沖串脈沖頻率、A猝發(fā)脈沖串脈寬、B猝發(fā)脈沖串脈寬等，共需要21個(gè)計(jì)數(shù)寄存器。

2.3 猝發(fā)多脈沖產(chǎn)生模塊

猝發(fā)多脈沖產(chǎn)生模塊根據(jù)設(shè)置的參數(shù)輸出猝發(fā)脈沖信號(hào)，其脈寬以及脈沖個(gè)數(shù)等參數(shù)是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)寄存器保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本文采用有限狀態(tài)機(jī)方式實(shí)現(xiàn)猝發(fā)多脈沖產(chǎn)生模塊的控制。

3  上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控界面采用VB軟件編程實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)用MSComm串口通信控件設(shè)置通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與FPGA建立數(shù)據(jù)通信。操作者通過(guò)監(jiān)控界面預(yù)置2路猝發(fā)多脈沖信號(hào)參數(shù)，輸入完成后點(diǎn)擊參數(shù)下載按鈕，再點(diǎn)擊開(kāi)始運(yùn)行按鈕后，F(xiàn)PGA開(kāi)始猝發(fā)多脈沖信號(hào)的生成。上位機(jī)監(jiān)控界面如圖3所示。

4  實(shí)驗(yàn)調(diào)試

通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)置串口通信協(xié)議，與FPGA控制芯片實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)通信；然后設(shè)置猝發(fā)多脈沖串的參數(shù)，完成后點(diǎn)擊數(shù)據(jù)保存按鈕，將數(shù)據(jù)保存到上位機(jī)數(shù)據(jù)文件；點(diǎn)擊數(shù)據(jù)下載按鈕，將設(shè)置的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到FPGA控制芯片；點(diǎn)擊開(kāi)始運(yùn)行后系統(tǒng)開(kāi)始猝發(fā)脈沖的輸出。調(diào)試實(shí)驗(yàn)中設(shè)置猝發(fā)脈沖個(gè)數(shù)為1個(gè)，猝發(fā)脈沖串內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)為2個(gè)，猝發(fā)脈沖串脈沖頻率為5 Hz，A猝發(fā)脈沖串脈寬為180 ms、B猝發(fā)脈沖串脈寬為5 ms，單個(gè)猝發(fā)多脈沖串波形如圖4所示。設(shè)置猝發(fā)脈沖個(gè)數(shù)為5個(gè)，猝發(fā)脈沖串內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)分別為5、4、3、2、1個(gè)，猝發(fā)脈沖串脈沖頻率為5 Hz，A猝發(fā)脈沖串脈寬為180 ms、B猝發(fā)脈沖串脈寬為5 ms。多個(gè)猝發(fā)多脈沖串波形如圖5所示。

5  結(jié)論

本文所研制的基于FPGA的猝發(fā)多脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)能夠輸出2路猝發(fā)多脈沖信號(hào)，脈沖參數(shù)可以調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)利用FPGA內(nèi)部控制模塊實(shí)現(xiàn)多路脈沖時(shí)序輸出和UART接口控制，簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)；上位機(jī)通過(guò)VB軟件編程的人機(jī)交互界面，與FPGA之間采用串口通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，采用模塊化設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展性強(qiáng)。這一設(shè)計(jì)方案也可以運(yùn)用到其他時(shí)序控制電路中。

參考文獻(xiàn) 

［1］ 劉錫三.高功率脈沖技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005. 

［2］ 倪晉平，李亞勝，田慧.一種多路時(shí)間序列控制儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012，32（2）:88-92. 

［3］ 羅通頂，郭明安.遠(yuǎn)程控制高時(shí)間分辨率多通道脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì) ［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2015，23（8）:2921-2923. 

［4］ 陳伯俊,周俊敏，馬軍勇.基于FPGA的高精度多路同步脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程,2010，10（19）:4794-4796. 

［5］ 劉紀(jì)斌，郭超，羅中省.基于FPGA的多路脈沖同步器設(shè)計(jì)［J］.電子工程師,2008，34（7）：3-5. 

［6］ 王鵬，呂志剛，杜衛(wèi)東.基于FPGA與ARM的多路時(shí)序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012，20（6）：1540-1543.

（收稿日期：2018-04-17）

作者簡(jiǎn)介：

馮傳均(1989-)，男，本科，主要研究方向：脈沖功率技術(shù)應(yīng)用。