基于DSP的ETS电源控保系统设计.pdf

真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S 微波能应用基于D S P的E T S电源控保系统设计吴文君,于汇琳(北京真空电子技术研究所,北京 )摘要:本文针对E T S高压电源设计了一套集通信、数据采集、故障报警、输出控制为一体的控制保护系统,以D S P 作为主控制芯片,电源系统内部采用C AN总线通信架构,完成对路高压电源模块、路低压恒压源模块的协同控制,实现了电源系统的可靠控制和准确输出,保证了电源监控的实时性和可靠性.关键词:高压电源;D S P;C AN总线;控制保护系统中图分类号:T P 文献标识码:A文章编号:()d o i:/j c n k i c n /t n D e s i g no faC o n t r o l a n dP r o t e c t i o nS y s t e mf o rE T SP o w e rS u p p l yB a s e do nD S PWU W e n j u n,YU H u i l i n(B e i j i n gV a c u u mE l e c t r o n i c sR e s e a r c hI n s t i t u t e,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:Ac o n t r o l a n dp r o t e c t i o ns y s t e mf o rE T Sh i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l yi sp r o p o s e d,w h i c hi n t e g r a t e s t h ef u n c t i o no fc o mm u n i c a t i o n,d a t aa c q u i s i t i o n,f a u l ta l a r m,a n do u t p u tc o n t r o l A D S P m o d u l e i su s e da s t h em a i nc o n t r o l c h i p,a n daC ANb u sc o mm u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e i sa d o p t e dt oa c h i e v ec o l l a b o r a t i v ec o n t r o lo ff o u rh i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l y m o d u l e sa n do n el o w v o l t a g ec o n s t a n tv o l t a g es o u r c em o d u l e R e l i a b l ec o n t r o l a n da c c u r a t eo u t p u to f t h ep o w e rs u p p l ys y s t e ma r ea c h i e v e d,e n s u r i n gar e a l t i m ea n dr e l i a b l em o n i t o r i n go f t h ep o w e rs u p p l y K e y w o r d s:H i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l y,D S P,C ANb u s,C o n t r o l p r o t e c t i o ns y s t e m高压电源是各种电子对抗设备、微波放大器、雷达发射机不可或缺的组成部分,其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及系统能否安全可靠地工作,设计与高压电源相配套的控保系统对保证操作人员安全、保证设备安全运行等方面具有重要意义.在某种电子束测试系统中,与之配套的一个电子束测试系统(E l e c t r o n i cT e s tS y t e m,E T S)电源机箱需要提供路高压电源模块、路低压恒压源模块,基于对多路电源输出的实际要求,以及对电源监控的实时性、可靠性和准确性的综合考虑,以数字信号处理(D i g i t a l S i g n a lP r o c e s s i n g,D S P)为核心设计了高压电源控保系统,实现电压的可靠控制和准确输出.设计原理和组成高压电源技术规格书要求一个E T S电源机箱需提供路高压电源模块(U、U、U、U),路恒压低压源模块(U).根据E T S电源的需求,设计出由块主控制板和块信号板构成的高压电源控保系统,控保系统的总体结构如图所示.E T S电源控保系统以D S P为核心,由数据采集模块、A/D转换模块、通信模块、人机交互模块共同构成,实现数据分析、参数设置、运行状态监测、故障处理、开关控制等功能.U1U3U4U5CANCANCANRS232RS485CAN图控保系统总体结构V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 硬件设计高压电源控保系统硬件部分采用分层式结构设计,主控制板、信号板分工明确,可实现对各路电源的实时监测和通断控制,并且每个高压模块数据采集和信息上传之间相互独立,便于数据整合和分路监控.主控制板根据控保系统的结构和功能划分,主控制板设计实现R S 通信、R S 通信、C AN通信、A D采集、G P I O输入/输出、PWM波输出等功能.R S 通信模块建立本地触摸屏和主控板的连接;R S 通信模块实现基于MO D B U S_R TU协议的远程控制;C AN通信模块实现主控板与块信号板的协同控制.主控制板的主要功能框图如图所示.CPURS232CAN_ACAN_BI/OPWMRS232RS485CANCANRESET4010 V1+24 VA/D4PWMON/OFF+24 VRS485图主控制板功能框图 主控制板处理器选型主控制板需要对路电源模块进行监控,因此需要处理大量监测数据,这要求处理器具有较高的数据运算速度和精度;同时主控制板需要外接本地触摸屏模块、远程上位机模块、路高压电源模块,这对处理器的通信接口也有较高的要求.TM S F 是T I公司的一款浮点D S P控制芯片,具有 MH z处理能力、位浮点处理单元,丰富的多功能复用I/O接口可大大增加设计的灵活性和可扩展性,所以选用TM S F 作为E T S电源控保系统的核心处理器.C AN通信接口为了保证E T S电源控保系统高压模块监测数据的实时性和准确性,在主控制板和各路高压模块间采用C AN通信方式来完成控制指令的下发和高压模块信息的上传,图所示为控保系统的C AN通信框架.CAN_ACAN_BCANU1CANU4CANU5CANU3CAN图系统C AN通信框架 本地人机交互接口本地控制选用迪文科技的R S 串口触摸屏,触摸屏对比传统的物理按键具有操作便捷、参数设置简易、可视化强等特点.通过设计R S 通信程序,可在触摸屏上实现基本的开关控制、参数设置、参数显示、故障信息提示等基本功能.远程通信接口为了增强高压电源的标准化和可拓展性,远程通信单元采用R S 总线接口,通过D S P软件编程实现标准的MO D B U S_R TU通信协议.PWM输出模块主控制板中包含路由C P U控制的PWM波输出,路PWM波在高压电源整机中的功能为:()PWM 路为低压恒压源提供基准,控制低压的精确输出.()PWM 路用于控制U 高压/负压两种输 出 模 式 的 切 换.()PWM、PWM 路 为 和PWM 路相同的电源外部同步脉冲,用于控制外部单元和高压电源协同工作.信号板信号处理板卡用于通过C AN总线,接收主控制板指令,产生高精度模拟电压基准,并实时将模拟量反馈信息回传至主控制板,并且对电源进行开启和故障复位控制,并将电源状态和故障信息回传至主控.板卡采用F P GA平台外扩前端数据接口方式进 行 数 据 处 理,数 据 处 理 器F P GA型 号 为X C A T,板卡设置路 位模拟量输出电路接口,状态检测电路由路模拟量转换电路进行反馈,信号采用 位A D C进行模数转换,转换后的数据由F P GA进行处理.信号处理板卡由供电、通信、控制及状态监测四真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S 个功能模块组成,其基本功能框图如图所示.CPUCAND/ACANRESET12010 V010 VI/O+5 VON/OFFA/D图信号板功能框图软件设计高压电源控保系统D S P软件设计以C C S 软件为开发环境,采用模块化设计方法,以便于程序调试和软件升级优化.软件部分主要由R S 通信模块、R S 通信模块、C AN通信模块、开关量控制模块、A/D采集模块、PWM波输出模块、故障信号检测处理模块及各基本模块初始化配置组成,下面对关键软件设计进行介绍.本地控制软件设计 串行协议通信协议说明串行通信是一种便捷、快捷的通信方式,主控制板和本地触摸屏之间的通信是基于R S 串行总线实现,触摸屏选用迪文科技的串口屏,通信协议采用可靠性较高的数据包进行数据传输.数据包具有固定的格式,迪文D GU S的串口数据帧由个数据块组成,如下表所述:表迪文D G U S串口数据帧数据块定义帧头数据长度指令数据数据长度N说明 A,A 数据长度包括指令、数据/软件流程设计在D S P软件的设计上,故障信号检测处理、参数显示为实时运行的程序,各通信模块均采用中断接收的形式,在接收到外部发送的指令后再做出相应的回复,保证了通信数据传递的准确性和D S P处理数据的高效性.高压电源的软件设计流程如图所示.DSP?YYNYNYNYNN图系统软件流程图 触摸屏界面设计触摸屏的人工交互界面设计以迪文科技开发的D GU ST O O LV 为开发环境,界面设计以操作便捷、显示直观为出发点,采用主、子界面的设计理念,分为高压电源控制台主界面、参数信息子界面和故障信息子界面三个界面,按照功能将界面分成不V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 同的区域,便于用户的操作控制和数据观测.C A N通信软件设计主控制板和各电源模块采用C AN通信进行信息传递,主控制板对C AN通信接收和发送的处理均为中断方式,其中C AN_A和C AN_B通信的波特率均配置为 K,保证了数据传输的高效性.高压模块U、U、U 通过C AN_A口和主控制板进行数据交换,U 模块通过C AN_B口和主控制板进行连接,为了进行区分,三个高压模块在C AN通信协议上规定了不同的邮箱号和帧头,以便主控制板区分不同的高压模块信息,四个高压模块的C AN通信协议(开高压、复位指令)如表所示.表C A N通信协议(开高压、复位)I D指令(开高压)指令(复位)主控制板 x A e (U)e (U)e (U)e (U)e (U)e (U)e (U)e (U)U x e e U x e e U x e e U x e e 远程通信软件设计远程 通 信 协 议 为 基 于R S 总 线 的 标 准MO D B U S_R TU协议,为了满足远程上位机高速通信的要求,总线的波特率配置为 b p s,机箱的设备地址配置为.R S 通信的软件设计上采用中断接收、查询发送的形式,有效提升D S P的C P U工作效率.R S 串口中断接收到远程的通信数据后,在 m s后对接收的数据进行处理和判断,若符合MO D B U S_R TU协议形式和寄存器要求,主控制板按照约定的寄存器内容以MO D B U S_R TU协议形式进行回复,表为功能码为 x 读保持寄存器有关电压设置(地址为 x x )的协议内容.表读保持寄存器(x x )地址说明 x U 电压设置值(例如:x F C V)x U 电压设置值(例如:x F F F V)x 负压电压设置值(例如:x F C V)x U 电压设置值(例如:x V)x U 电压设置值(例如:x E C V)x U 电压设置值(例如:x V)故障处理软件设计为了保证高压电源稳定安全运行,防止发生事故危及人身及财产安全,需要对高压电源相关故障信号进行判断和处理,要求在检测到故障信号后及时切断高压以降低故障对整个机箱的损害.故障信号主要来自两个部分:一是各高压模块的故障信号;二是机箱急停、外部联保信号.实验结果一套E T S高压电源在按照设计完成组装、调试后,对控保系统性能进行测试.本地控制电源机箱进入低压供电状态后,触摸屏亮起进入倒计时画面,秒后进入高压电源控制台界面,如图所示,经测试表明本地触摸屏控制可实现技术规格书要求的控制功能和显示功能.其中参数信息和故障信息子界面如图所示.图高压电源控制台界面真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S a b 图子界面示意图 远程控制基于L a b V I EW软件和MO D B U S_R TU通信协议开发上位机控制软件,上位机软件的主界面如图所示.根据通信协议规定的寄存器地址,远程控制可实现和本地控制相同的控制功能和显示功能,并且远程控制可根据后期的D S P软件升级拓展功能.图上位机主界面 故障保护高压电源应在故障发生或按下急停后及时切断高压进行系统保护,经过电源的多次故障试验表明:E T S高压电源在发生规定的故障动作和急停动作后能以m s级的速度自动切断高压输出.传统的低压系统故障提示的动作相应为s级,且需要人工去切断电压进行保护.与传统的低压系统相比,高压电源在故障保护方面具有及时性和自动化性.结论本文基于D S P为主控芯片设计的高压电源控保系统,内部采用C AN通信架构,可满足四路高压电源同步输出的工作要求;机箱本地控制采用触摸屏的形式,操作简单、显示直观,有利于使用者更加直观、方便地监控系统的运行情况;远程提供基于MO D B U S_R TU协议的R S 接口,简化了上位机软件的通信设计,增强了电源系统的兼容性和可拓展性;在故障信号或有联保信号发生时E T S高压系统可迅速切断高压进行保护.目前,该E T S电源经过长时间的累计运行后,系统运行稳定,控制和显示可靠,满足该电源系统技术规格书要求和验收的标准.参考文献张卿杰,徐友,左楠,等手把手教你学D S P:基于TM S F M北京:北京航空航天大学出版社,:陈健斌智能化数字电源系统研究J数字技术与应用,():翟颖烨,周越文,梁学明,等A T E中的故障诊断系统设计与实现J空军工程大学学报(自然科学版),():H u iY,S h u m i n gC,WuTB P a r a m e t e r i z e dI n t e g r a t e dP o w e r a n dP e r f o r m a n c e(P I P P)M o d e l f o rH i g h P e r f o r m a n c eo fT O P SL e v e lD S PJ C h i n e s eo fJ o u r n a lE l e c t r o n i c s ,():郑永秋,史赟,李圣昆,等多通道高精度数据采集电路的设计与实践J电测与仪表,():孙志强,田铭兴基于D S P 的电能质量监测系统设计J水电能源科学,():收稿日期:作者简介:吴文君,女,硕士,年毕业于哈尔滨工业大学,主要研究方向为控制系统、通信系统设计.E m a i l:q q c o m.于汇琳,女,硕士,年毕业于华北电力大学,主要研究方向为嵌入式系统设计、电路设计.E m a i l:o l d f i s h_n c e p u c o m.