基于dsPIC30F的脈沖氙燈驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

引言

　　隨著計算機、機械、電子技術(shù)的發(fā)展，道路檢測車使得大規(guī)模、快速、準(zhǔn)確地獲取道路使用信息成為可能。檢測車上的攝像系統(tǒng)按攝像速度分為普通攝像機、高速攝像機和數(shù)碼攝像機，其中高速攝像機主要用于對路面的裂縫、坑槽等破壞狀況進行圖像采集。然而在使用高速攝像機時，大多數(shù)檢測車采用的是持續(xù)照射的光源。由于光源的強度較低，在實際使用時往往需要增加曝光時間來達(dá)到高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)。因此，提高照射的光源強度可以提高圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。而脈沖氙燈就能解決光亮度與伴隨熱量的矛盾。它放電時發(fā)出強烈的光，但閃光持續(xù)時間很短，所以熱量影響較小。由于瞬時光能量大，圖像的層次還原較好[1]。

　　為了延長脈沖氙燈的壽命，提高光電轉(zhuǎn)換效率，必須研制出適合脈沖氙燈的驅(qū)動系統(tǒng)。本文設(shè)計了滿足脈沖氙燈工作時的起輝、預(yù)燃和高壓放電三個階段的驅(qū)動系統(tǒng)。脈沖氙燈驅(qū)動系統(tǒng)采用Microchip dsPIC30F為主控芯片。該芯片是一款將單片機與DSP技術(shù)相結(jié)合的高性能16位數(shù)字信號控制器，綜合了單片機（MCU）的控制功能和集成了多種外設(shè)的優(yōu)點，以及數(shù)字信號處理器（DSP）的計算能力和數(shù)據(jù)處理吞吐能力[2]。此外，它在異常事件處理,軟件開發(fā)環(huán)境等方面也表現(xiàn)出強大的性能[3]。由于dsPIC30F芯片的內(nèi)部資源豐富，基于dsPIC30F平臺開發(fā)的脈沖氙燈驅(qū)動系統(tǒng)需要的外設(shè)很少，不但系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性能夠滿足脈沖氙燈在各種環(huán)境下運行的要求，而且可以提高系統(tǒng)的靈活性，縮短開發(fā)時間，降低開發(fā)成本。

驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　驅(qū)動系統(tǒng)在脈沖氙燈起輝時能夠提供足夠的輸入電壓(約5kV)使其發(fā)生輝光放電，在預(yù)燃及高壓放電時能夠提供穩(wěn)定的預(yù)燃電流(約100mA)及高壓放電電壓(1～3kV)。本系統(tǒng)驅(qū)動四組并聯(lián)的脈沖氙燈，以dsPIC30F4011芯片為核心，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由dsPIC30F控制電路、高壓充放電電路、預(yù)燃電路、高壓起輝電路，面板輸出顯示及計算機通信接口構(gòu)成。

圖1 脈沖氙燈驅(qū)動系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

dsPIC30F控制電路

　　dsPIC30F控制電路以dsPIC30F4011為主控芯片，主要實現(xiàn)脈沖氙燈工作時起輝、預(yù)燃和高壓放電三個階段時對相應(yīng)電路的工作進行調(diào)節(jié)，以及對檢測和保護信號進行處理和面板顯示?？刂齐娐飞想娺M行主電控制，將220V/AC輸入電壓接入到驅(qū)動系統(tǒng)的主回路，包括高壓充放電電路、預(yù)燃電路和高壓起輝電路。然后通過功率變換，即可輸出脈沖氙燈工作時三個階段所需要的電壓。

　　起輝時，控制電路使常閉觸點繼電器斷開，高壓起輝電路工作，發(fā)生輝光放電；起輝后，繼電器閉合，高壓起輝電路停止工作，預(yù)燃電路開始工作，輸出脈沖氙燈預(yù)燃工作時的維持電流；此后，脈沖氙燈的等效電阻逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)并保持恒定，由輝光放電過渡到弧光放電。

　　脈沖氙燈被預(yù)燃成功后，高壓充放電電路開始工作，控制電路下降沿同步觸發(fā)信號控制高壓充放電電路中的功率開關(guān)器件IGBT對充放電電容進行充電。電容充電完成后，控制電路觸發(fā)可控硅導(dǎo)通使充放電電容放電，脈沖氙燈產(chǎn)生弧光頻閃現(xiàn)象。觸發(fā)信號分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)，內(nèi)觸發(fā)信號主要用于脈沖氙燈正常工作前的調(diào)試，一般頻率較低，由dsPIC30F4011內(nèi)部的定時器1輸出10Hz且負(fù)脈沖為0.2ms的內(nèi)觸發(fā)信號；外觸發(fā)信號來自于正常工作時的高速攝像機的同步信號，頻率到達(dá)30kHz，由dsPIC30F4011的輸入捕捉功能產(chǎn)生同步信號來控制高壓充放電電路。高壓充放電電路的輸出高壓則通過高壓大小給定輸入調(diào)節(jié)，由dsPIC30F4011內(nèi)部的10位A/D轉(zhuǎn)換模塊采集高壓大小給定輸入的模擬量，然后根據(jù)采集的數(shù)據(jù)輸出高壓大小給定值，從而可調(diào)節(jié)高壓充放電電路輸出1~3kV的高電壓。同時，dsPIC30F4011根據(jù)檢測到的信號在面板上顯示各種狀態(tài)及處理各種故障，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

　　本系統(tǒng)可以通過計算機通信接口進行遠(yuǎn)程控制，由dsPIC30F4011的串口通信接口實現(xiàn)啟動停止，內(nèi)外觸發(fā)、高壓放充電調(diào)節(jié)及各種信號指示，從而可完全脫離對裝置的手動操作。

起輝預(yù)燃電路

　　起輝預(yù)燃電路的原理如圖2所示，主電路由高頻推挽變換器、高頻變壓器、高壓啟輝電路、UC3825控制電路、dsPIC30F控制電路、預(yù)燃檢測電路以及、輸入輸出整流濾波電路構(gòu)成。交流220V輸入電壓通過變壓器隔離，整流濾波后作為推挽變換器的輸入，推挽變換器將輸入電壓變換成高頻交流脈沖電壓，通過高頻變壓器完成電壓匹配和高頻隔離功能[4]；經(jīng)過輸出整流濾波環(huán)節(jié)后，dsPIC30F4011根據(jù)預(yù)燃檢測電路檢測到的電流信號控制繼電器輸出預(yù)燃電壓和高壓起輝電壓。UC3825控制電路由高速PWM控制器UC3825及外圍電路組成，根據(jù)推挽變換主電路反饋的電流信號，為開關(guān)器件提供PWM驅(qū)動。

圖2 起輝預(yù)燃電路原理框圖

高壓充放電電路

　　高壓充放電電路的原理如圖3所示，主電路由IGBT組成的全橋變換器、電容充放電電路、UCC3895控制電路、dsPIC30F控制電路、過流保護、放電檢測及輸入輸出整流濾波電路構(gòu)成。交流電220V輸入經(jīng)過二極管全橋整流后由電容高壓濾波，全橋變換器將輸入電壓變換成高頻交流脈沖電壓，通過高頻變壓器完成電壓匹配和高頻隔離功能，然后經(jīng)過輸出整流給充放電電容充電。電容充電完成后，dsPIC30F4011觸發(fā)可控硅VT1控制電容通過脈沖氙燈放電，產(chǎn)生弧光頻閃。同時dsPIC30F控制電路根據(jù)過流保護及放電檢測的信號封鎖IGBT及處理故障。

驅(qū)動系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　驅(qū)動系統(tǒng)的軟件主要由主程序和子程序模塊組成。主程序流程圖如圖4所示，主程序主要完成遠(yuǎn)程通信控制和手動控制的人機接口服務(wù)、面板顯示及故障處理。遠(yuǎn)程通信控制和手動控制時的程序流程基本一樣，如圖5所示，只是遠(yuǎn)程通信控制時是由單片機的串行通信完成計算機對單片機的指令傳輸?shù)?。子程序模塊包括輸入捕捉中斷、Timer1定時中斷、A/D轉(zhuǎn)換和處理子程序、高壓給定輸出子程序和串口通信子程序。

圖4 主程序流程圖

　　dsPIC30F4011具備許多允許器件與外界交換信息的外設(shè)，其中包括定時器、輸入捕捉模塊、10位A/D轉(zhuǎn)換器及串口通信的UART模塊，并由6路占空比隨時更新的PWM輸出[5]。

圖5 手動/遠(yuǎn)程通信控制程序流程圖

　　輸入捕捉中斷子程序主要是檢測輸入捕捉引腳上的輸入電平的每個下降沿并產(chǎn)生中斷，輸出同步觸發(fā)信號及IGBT封鎖信號，同時中斷標(biāo)志位被硬件置1，每次進入輸入捕捉中斷后需對中斷標(biāo)志位軟件清零。另外，一次中斷完成后需對輸入捕捉控制寄存器清零復(fù)位，然后再重新配置參數(shù)，初始化輸入捕捉功能。

　　Timer1定時中斷子程序主要是通過設(shè)定Timer1定時器每延時0.1s產(chǎn)生一次中斷，同時中斷標(biāo)志位被硬件置1，由此產(chǎn)生10Hz且負(fù)脈寬為0.2ms的同步觸發(fā)信號及IGBT封鎖信號。每次進入Timer1定時中斷后需對中斷標(biāo)志位軟件清零。

　　A/D轉(zhuǎn)換采用Timer3定時器定時，每10ms自動轉(zhuǎn)換的模式，即ADCON1 = 0x0044；采用掃描輸入的方式，每16個采樣點后發(fā)生中斷，即ADCON2 =0x043C。本系統(tǒng)使用了2路通道掃描輸入，一次轉(zhuǎn)換后，每路通道的信號都采集了8個采樣點，然后通過求平均值處理，減少了外界對數(shù)據(jù)的干擾，增強了數(shù)據(jù)的可靠性。

　　高壓給定輸出子程序主要是利用dsPIC30F4011內(nèi)部的PWM發(fā)生器根據(jù)給定輸入的模擬量裝載相應(yīng)的占空比，從而輸出對應(yīng)不同高壓的給定值。配置PWM信號為獨立輸出模式PWMCON1=0x0101，運行在自由模式PTCON=0x8040，并設(shè)定時間基值周期PTPER=0x7FFF。

　　串口中斷設(shè)定為最高中斷優(yōu)先級，使能接收中斷，禁止發(fā)送中斷。波特率發(fā)生器的值由公式U2BRG=FCY/(16×波特率)-1計算得到，其中FCY為指令周期時鐘頻率，波特率選擇9600bps，通過接收器和發(fā)送器進行數(shù)據(jù)傳輸。

結(jié)語

　　本文提出的基于dsPIC30F4011高性能數(shù)字信號控制器的脈沖氙燈驅(qū)動系統(tǒng)充分利用了dsPIC30F4011高性能數(shù)字信號控制器的內(nèi)部資源，提高了驅(qū)動系統(tǒng)的運行速度，而且簡化了電路設(shè)計，縮短了開發(fā)時間，降低了開發(fā)成本，提高了驅(qū)動的可靠性和抗干擾性。按照此方案研制的高速攝影閃光儀已經(jīng)成功調(diào)試并安裝運行于道路檢測車。實際的調(diào)試和運行表明，此驅(qū)動系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定、抗干擾能力強、體積小，成本低，能驅(qū)動多種型號的脈沖氙燈。