基于光纤数据接口的HPM源控制系统设计

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 P模压电感器生产厂家XI-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/20 μs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，保证控制脉贴片功率电感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。

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。

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LabVIEW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。

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