基于DSP的光纖監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案

0引言

中性束注入加速極電源是為國(guó)家大科學(xué)工程超導(dǎo)托克馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）研制的一套高壓大功率脈沖電源。此電源采用PulseStepModulaTION技術(shù)，用80個(gè)相同的1100v/100A輸出的電源模塊串聯(lián)而成，其額定輸出為：80kv/80A，最大脈寬1000s。由于該電源置于高壓、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，因此，為保證該電源系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定，須對(duì)各電源模塊的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)對(duì)各種方案的比較，采用計(jì)算機(jī)RS232口和DSP（DigitalSignalProcessor，數(shù)字信號(hào)處理器）的RS232口通過(guò)光纖轉(zhuǎn)換器組建光纖環(huán)網(wǎng)。整個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，易擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)。

1 光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 光纖網(wǎng)絡(luò)硬件

該光纖監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用RS485總線的單主多從結(jié)構(gòu)，主站用PC機(jī)，從站用DSP，采用多模光纖連接，組建成帶雙環(huán)自愈功能的光纖環(huán)網(wǎng)。帶雙環(huán)自愈功能光纖環(huán)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上某個(gè)節(jié)點(diǎn)的光纖轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障時(shí)，其它節(jié)點(diǎn)仍能正常通訊。光纖轉(zhuǎn)換器采用武漢邁威公司生產(chǎn)的MWF5100P，它把RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的光信號(hào)傳輸。DSP采用TI公司的TMS320LF2407A。

主站串口COM1與各從站通訊，主站發(fā)出信號(hào)，從站經(jīng)過(guò)判斷決定是否要發(fā)送數(shù)據(jù)給主控計(jì)算機(jī)。當(dāng)遇到故障時(shí)主站可以發(fā)出信號(hào)使所有的電源模塊復(fù)位。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)（圖1）。

1.2 光纖網(wǎng)絡(luò)軟件

主站采用MSCOMM控件編寫(xiě)的WINDOWS系統(tǒng)的通訊界面，簡(jiǎn)單易用?？梢愿鶕?jù)需要設(shè)定不同的參數(shù)。從站采用TI公司針對(duì)TMS320C2XX開(kāi)發(fā)的一套集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CC（CODECOMPOSE）。CC采用圖形接口，提供編輯指令、參數(shù)修改工具，能對(duì)TMS320C2000系列DSP進(jìn)行指令級(jí)的仿真和進(jìn)行可視化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，可大大提高開(kāi)發(fā)者的工作效率，縮短應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。

DSP多處理器通訊有兩種方法：空閑線模式和地址位模式。由于地址位模式在高的發(fā)送速度下，程序速度不足以避免在傳輸流中的一個(gè)10bit的空閑，且空閑線模式與RS232通訊兼容，因此該光纖網(wǎng)絡(luò)采用空閑線通訊模式。

主站通過(guò)COM1口與從站通訊，用軟件中斷的方法接收從站上傳的信息。主站不管是接收還是發(fā)送的數(shù)據(jù)都是NRZ（非歸零）格式的。NRZ的格式包括以下組成部分：一個(gè)起始位、1~8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)奇偶校驗(yàn)位（可選）、1或2個(gè)停止位。

從站接收到一幀數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷，并判斷是否與自己的虛擬地址一致。主站與從站的設(shè)定如下：從站虛擬地址從01到80，當(dāng)從站接收到的數(shù)據(jù)與自己的地址一致時(shí)，發(fā)送信息給主站，否則處于等待接收狀態(tài)（圖2），各從站之間不通訊，同一時(shí)刻只有一個(gè)從站發(fā)送信息給主站。DSP有一個(gè)RS232通訊口，程序通過(guò)接收中斷、發(fā)送中斷，接收指令和發(fā)送指令進(jìn)行通訊。

從站能夠通過(guò)程序設(shè)定波特率、奇偶校驗(yàn)位和數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度等通訊參數(shù)。

2 模擬調(diào)試

用一臺(tái)PC機(jī)，2塊合眾達(dá)公司的SEED—DSK2407評(píng)估板，3個(gè)光纖轉(zhuǎn)換器和多模跳線組建了一個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)，對(duì)通訊時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試儀器是泰克公司的TDS3032B示波器。用PC機(jī)COM1通訊口的3號(hào)引腳的第一個(gè)上升沿為觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)電平為5V。通訊時(shí)間測(cè)試過(guò)程如下：

COM1通訊口3號(hào)引腳發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個(gè)上升沿作為起始時(shí)間，到2號(hào)引腳接收到從站上傳數(shù)據(jù)的第一個(gè)上升沿為止，這個(gè)時(shí)間即為主站與從站一次通訊的時(shí)間。經(jīng)多次測(cè)試，通訊沒(méi)出現(xiàn)錯(cuò)誤，一次通訊時(shí)間為560us（圖3），波動(dòng)在20us以內(nèi)，數(shù)據(jù)的傳輸速度設(shè)定為9600bps。

圖3通訊時(shí)間波形圖（1為發(fā)送，4為接收）復(fù)位信號(hào)時(shí)間的測(cè)量如下：采用PC機(jī)COM1口的3號(hào)引腳的第一個(gè)上升沿為起始時(shí)間（觸發(fā)電平5V），到從站IOPF0引腳產(chǎn)生的第一個(gè)下降沿為止，這個(gè)時(shí)間即為從站復(fù)位的時(shí)間。經(jīng)多次測(cè)量，平均復(fù)位時(shí)間為3.24ms左右（圖4），波動(dòng)在80us以內(nèi)。

圖4復(fù)位信號(hào)時(shí)間（1為主站發(fā)出信號(hào)，4為復(fù)位信號(hào)）經(jīng)在9600bps，38400bps，115200bps三個(gè)不同傳輸速率下的測(cè)量，在程序調(diào)試成功的情況下，主站與從站之間的通訊一次就能建立，通訊不出現(xiàn)誤碼。之所以出現(xiàn)時(shí)間上的波動(dòng)，是因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂胶蜏y(cè)量誤差決定的。

光纖轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換延時(shí)測(cè)試，由COM1通訊口的3號(hào)引腳觸發(fā)信號(hào)，兩塊DSP的RS232口接收信號(hào)。測(cè)試結(jié)果是：經(jīng)過(guò)一個(gè)光纖轉(zhuǎn)換器延時(shí)為500ns。在以后實(shí)際的光纖網(wǎng)絡(luò)中接80個(gè)光纖轉(zhuǎn)換器，采用雙環(huán)自愈方式的光纖環(huán)網(wǎng)，最長(zhǎng)的一次通訊延時(shí)要經(jīng)過(guò)40個(gè)光纖轉(zhuǎn)換器，傳輸延時(shí)是20us，與一次通訊時(shí)間560us相比可以忽略。又因?yàn)椴捎玫氖钱惒酱谕ㄓ?，所?0us的延時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊的影響很小，從監(jiān)控角度考慮可以忽略。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)多次測(cè)試結(jié)果的分析，監(jiān)控系統(tǒng)的主站與其中一個(gè)從站通訊的平均時(shí)間為42.3ms（從站發(fā)送31個(gè)字符）。在測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)通訊故障，該光纖網(wǎng)絡(luò)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。與目前我們使用的基于PLC的光纖監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)相比，可靠性更高，成本大約節(jié)省了十幾萬(wàn)。我們開(kāi)發(fā)的這套光纖網(wǎng)絡(luò)也適用于其它高電壓隔離、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的監(jiān)控系統(tǒng)。