基于光纤数据接口的HPM源控制系统设计

摘 要： 在HPM源控制系统的设计中，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，提高控制系统的电磁兼容能力；HPM源辅助运行装置与控制系统的数据通信采用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，统一数据接口标准；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。采用光纤数据接口的数字化信息传输网络，有效隔离后端操作室与前端恶劣的运行环境，保证工作人员和仪器的安全；采用光纤代替电缆传输，避免传输过程中电磁环境的干扰，有效提高传输距离。采取以上的技术措施，为确保控制系统可靠运行、HPM源系统稳定工作奠定了基础。

关键词： 光纤；数据接口；HPM源；串行通信；以太网络；嵌入式控制

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62.5/125 μm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2 控制系统原理设计框图

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中的控制绕线电感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。

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