激光电源中央控制器系统的通信设计

2012-10-13韦忠朝于克训马志源叶才勇

湖北工业大学学报 2012年1期

胡闯，韦忠朝，于克训，马志源，叶才勇

（华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉430074）

激光设备的电源系统在整个激光系统中扮演着至关重要的角色，是整个系统的能量之源.激光设备中的电源必须以高效率、高可靠性、工作寿命长等优良特性来履行其系统心脏的任务.而激光电源系统的中央控制器是连接上级与下级的纽带，它承担通信任务，在整个系统中至关重要.本文的激光电源中央控制器针对不同的通信对象、不同的通信任务采用了不同的通信方式使整个电源系统能够稳定、准确、快速地反应和工作.

1 激光自备电源中央控制器通信系统

激光自备电源系统框图见图1.中央控制器是整个系统的中枢，为了实现对系统的实时监测与控制，必须保证内部各器件间正常的通信工作，以及与总控和下级各模块之间的快速、稳定、准确的通信.中央控制器核心控制部分框图见图2，其中内部的通信包括DSP与EEPROM的SPI通信和DSP与FPGA之间的总线通信.外部通信分为三类，一是中央控制器与总控的RS485通信；二是中央控制器CPU与下级模块CPU间的CAN通信；三是中央控制器CPU与下级模块CPU间的I／O通信.由于中央控制器与总控和下级模块间存在较远的距离，为了防止信号受到干扰，保证信号的准确性，必须进行全隔离.

图1 激光电源系统总框图

图2 中央控制器核心控制单元框图

1.1 DSP与EEPROM的通信

系统的一些状态参数不仅要在线修改，并且要求这些修改过的参数在断电后能够继续保持，以备下次上电时恢复系统的状态.由于系统I／O紧张，所以采用了只需要4根线的SPI通信EEPROM，25LC256来完成在线参数以及数据存储.其硬件连接电路见图3.其中HOLD管脚在低电平时允许用户在流程中途暂停时钟，本系统未用到，即直接上拉.WP引脚具有写保护功能，本系统未用到，也直接上拉［1］.将剩下的接口与DSP28335的SPI接口对应相接即可.

图3 DSP与EEPROM硬件连接原理图

1.2 DSP与FPGA的通信

整个电源系统较为庞大，单由一块CPU很难实现对整个系统的监控，故选择了一块管脚较多的FPGA作为协处理器.它们之间主要是通过DSP28335的地址总线和数据总线进行通信.其连接原理见图4.系统主要靠FPGA对DSP传输过来的数据进行译码，然后做出相应控制.通过9位数据线，和XZCS7选通信号，即通过DSP28335 XINTF ZONE7多达29＝512个译码空间对FPGA最多为512种不同控制，足以满足本系统的控制要求.通过16位数据总线可以实现DSP与FPGA一次最多为两个字节的数据传输.XRD与X WE0分别为DSP给FPGA的读、写使能信号［2］.

图4 DSP与FPGA通信原理图

1.3 中央控制器与下级模块的CAN通信

由于系统中具有多个下级模块，故采用CAN总线.CAN总线是一种串行通信协议，具有较高的通信速率和较强的抗干扰能力，可以作为现场总线应用于电磁噪声比较大的场合，尤其适合本系统的通信.其硬件电路连接见图5，由于DSP不适合直接驱动光耦，所以CANTX输出信号通过74LVC07，即通过一个正向OD门后接入高速光耦6 N137隔离，然后经过CAN通信专用电平转换芯片PCA82C250引出，同理CAN接收到信号后通过PCA82C250进行电平转换后再经过6N137隔离后传送回DSP的CAN接口.

图5 中央控制器与下级模块CAN通信硬件连接图

1.4 中央控制器与总控的RS485通信

RS－485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力.加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200 mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复［3］.一般RS485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制.本系统中央控制器与总控的RS485硬件连接见图6.

采用DSP的异步通信串口，输出信号通过74LVC07后进入快速光耦6 N137进行隔离，然后通过RS485通信专用电平转换芯片SN65 HVD08引出信号，同理输入信号由SN65 HVD08转换后经6 N137隔离再送给DSP.由于RS485工作在半双工状态下，需要引入一个“信号输入或者输出”的控制信号，由光耦TLP121完成对这路信号的隔离.

图6 中央控制器与总控RS485通信硬件连接图

1.5 中央控制器与下级模块的I／O通信

中央控制器与各模块之间紧急用通信，如故障通信等，采用I／O口直接通信的方式（图7）.由于通信距离较远，且通信信号要求充分准确，所以必须进行隔离控制，本系统采用24 V辅助电源作为隔离用电源，电压较高，传输能力强，受干扰小，其中隔离光耦均采用TLP121.由于DSP驱动能力弱，所以光耦LED端的驱动信号仍由74LVC07来完成.

图7 中央控制器与下级模块间I／O通信原理图

2 激光电源中央控制器各类通信的软件实现

2.1 DSP与25LC256通信的软件实现

25LC256有一个8位的指令寄存器，通过SPI总线访问，指令寄存器写不同的指令，告知25LC256将要进行的操作，然后读取或者写入数据.其读取数据的时序见图8.

图8 CPU读取25LC256时序图

由于需要先发送8位指令，再紧接着发送16位地址，所以令DSP的SPI发送缓冲区SPITXBUF为16位，首先规格化16位需发送数据，即让8位“读”指令作为此16位数据的高8位，让16位地址的高8位作为需发送的16位数据的低8位，从而组成一组16位数据，发送给SPITXBUF，发送完毕后再紧接着发送16位地址的低8位.读取25LC256的一个周期流程图（图9）.

图9 CPU读取25LC256流程图

同理可以完成对DSP、对EEPROM的写操作.

2.2 RS485通信软件的实现

由DSP28335的SCI接口，通过专用的RS485电平转换芯片，即可达到RS485总线通信的目的.本系统由设置DSP的SCI模块寄存器，每一帧由一个起始位、8个数据位、一个停止位组成，采用9 600的波特率进行数据传输.由于工作于半双工状态，所以需由DSP一个I／O脚控制传输系统工作于发送还是接收状态.其一个周期的流程图见图10.

图10 中央控制器RS485通信流程图

2.3 CAN通信软件实现

DSP28335的e CAN模块与CAN2.0B协议完全兼容；总线通信率可达1 Mbps；拥有32个邮箱，均可配置为接收或者发送，支持的数据位由0～8个字节组成.邮箱之间通过标识符过滤接收到的消息.在使用CAN模块之前必须进行正确的初始化，并且只有CAN模块工作在初始化模式下才能进行初始化［4］.图11给出了CAN模块的初始化流程.