胡 闖，韋忠朝，于克訓，馬志源，葉才勇

（華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢430074）

激光設備的電源系統(tǒng)在整個激光系統(tǒng)中扮演著至關重要的角色，是整個系統(tǒng)的能量之源.激光設備中的電源必須以高效率、高可靠性、工作壽命長等優(yōu)良特性來履行其系統(tǒng)心臟的任務.而激光電源系統(tǒng)的中央控制器是連接上級與下級的紐帶，它承擔通信任務，在整個系統(tǒng)中至關重要.本文的激光電源中央控制器針對不同的通信對象、不同的通信任務采用了不同的通信方式使整個電源系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、準確、快速地反應和工作.

1 激光自備電源中央控制器通信系統(tǒng)

激光自備電源系統(tǒng)框圖見圖1.中央控制器是整個系統(tǒng)的中樞，為了實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時監(jiān)測與控制，必須保證內部各器件間正常的通信工作，以及與總控和下級各模塊之間的快速、穩(wěn)定、準確的通信.中央控制器核心控制部分框圖見圖2，其中內部的通信包括DSP與EEPROM的SPI通信和DSP與FPGA之間的總線通信.外部通信分為三類，一是中央控制器與總控的RS485通信；二是中央控制器CPU與下級模塊CPU間的CAN通信；三是中央控制器CPU與下級模塊CPU間的I／O通信.由于中央控制器與總控和下級模塊間存在較遠的距離，為了防止信號受到干擾，保證信號的準確性，必須進行全隔離.

圖1 激光電源系統(tǒng)總框圖

圖2 中央控制器核心控制單元框圖

1.1 DSP與EEPROM的通信

系統(tǒng)的一些狀態(tài)參數(shù)不僅要在線修改，并且要求這些修改過的參數(shù)在斷電后能夠繼續(xù)保持，以備下次上電時恢復系統(tǒng)的狀態(tài).由于系統(tǒng)I／O緊張，所以采用了只需要4根線的SPI通信EEPROM，25LC256來完成在線參數(shù)以及數(shù)據(jù)存儲.其硬件連接電路見圖3.其中HOLD管腳在低電平時允許用戶在流程中途暫停時鐘，本系統(tǒng)未用到，即直接上拉.WP引腳具有寫保護功能，本系統(tǒng)未用到，也直接上拉［1］.將剩下的接口與DSP28335的SPI接口對應相接即可.

圖3 DSP與EEPROM硬件連接原理圖

1.2 DSP與FPGA的通信

整個電源系統(tǒng)較為龐大，單由一塊CPU很難實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控，故選擇了一塊管腳較多的FPGA作為協(xié)處理器.它們之間主要是通過DSP28335的地址總線和數(shù)據(jù)總線進行通信.其連接原理見圖4.系統(tǒng)主要靠FPGA對DSP傳輸過來的數(shù)據(jù)進行譯碼，然后做出相應控制.通過9位數(shù)據(jù)線，和XZCS7選通信號，即通過DSP28335 XINTF ZONE7多達29＝512個譯碼空間對FPGA最多為512種不同控制，足以滿足本系統(tǒng)的控制要求.通過16位數(shù)據(jù)總線可以實現(xiàn)DSP與FPGA一次最多為兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸.XRD與X WE0分別為DSP給FPGA的讀、寫使能信號［2］.

圖4 DSP與FPGA通信原理圖

1.3 中央控制器與下級模塊的CAN通信

由于系統(tǒng)中具有多個下級模塊，故采用CAN總線.CAN總線是一種串行通信協(xié)議，具有較高的通信速率和較強的抗干擾能力，可以作為現(xiàn)場總線應用于電磁噪聲比較大的場合，尤其適合本系統(tǒng)的通信.其硬件電路連接見圖5，由于DSP不適合直接驅動光耦，所以CANTX輸出信號通過74LVC07，即通過一個正向OD門后接入高速光耦6 N137隔離，然后經(jīng)過CAN通信專用電平轉換芯片PCA82C250引出，同理CAN接收到信號后通過PCA82C250進行電平轉換后再經(jīng)過6N137隔離后傳送回DSP的CAN接口.

圖5 中央控制器與下級模塊CAN通信硬件連接圖

1.4 中央控制器與總控的RS485通信

RS－485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力.加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200 mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復［3］.一般RS485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制.本系統(tǒng)中央控制器與總控的RS485硬件連接見圖6.

采用DSP的異步通信串口，輸出信號通過74LVC07后進入快速光耦6 N137進行隔離，然后通過RS485通信專用電平轉換芯片SN65 HVD08引出信號，同理輸入信號由SN65 HVD08轉換后經(jīng)6 N137隔離再送給DSP.由于RS485工作在半雙工狀態(tài)下，需要引入一個“信號輸入或者輸出”的控制信號，由光耦TLP121完成對這路信號的隔離.

圖6 中央控制器與總控RS485通信硬件連接圖

1.5 中央控制器與下級模塊的I／O通信

中央控制器與各模塊之間緊急用通信，如故障通信等，采用I／O口直接通信的方式（圖7）.由于通信距離較遠，且通信信號要求充分準確，所以必須進行隔離控制，本系統(tǒng)采用24 V輔助電源作為隔離用電源，電壓較高，傳輸能力強，受干擾小，其中隔離光耦均采用TLP121.由于DSP驅動能力弱，所以光耦LED端的驅動信號仍由74LVC07來完成.

圖7 中央控制器與下級模塊間I／O通信原理圖

2 激光電源中央控制器各類通信的軟件實現(xiàn)

2.1 DSP與25LC256通信的軟件實現(xiàn)

25LC256有一個8位的指令寄存器，通過SPI總線訪問，指令寄存器寫不同的指令，告知25LC256將要進行的操作，然后讀取或者寫入數(shù)據(jù).其讀取數(shù)據(jù)的時序見圖8.

圖8 CPU讀取25LC256時序圖

由于需要先發(fā)送8位指令，再緊接著發(fā)送16位地址，所以令DSP的SPI發(fā)送緩沖區(qū)SPITXBUF為16位，首先規(guī)格化16位需發(fā)送數(shù)據(jù)，即讓8位“讀”指令作為此16位數(shù)據(jù)的高8位，讓16位地址的高8位作為需發(fā)送的16位數(shù)據(jù)的低8位，從而組成一組16位數(shù)據(jù)，發(fā)送給SPITXBUF，發(fā)送完畢后再緊接著發(fā)送16位地址的低8位.讀取25LC256的一個周期流程圖（圖9）.

圖9 CPU讀取25LC256流程圖

同理可以完成對DSP、對EEPROM的寫操作.

2.2 RS485通信軟件的實現(xiàn)

由DSP28335的SCI接口，通過專用的RS485電平轉換芯片，即可達到RS485總線通信的目的.本系統(tǒng)由設置DSP的SCI模塊寄存器，每一幀由一個起始位、8個數(shù)據(jù)位、一個停止位組成，采用9 600的波特率進行數(shù)據(jù)傳輸.由于工作于半雙工狀態(tài)，所以需由DSP一個I／O腳控制傳輸系統(tǒng)工作于發(fā)送還是接收狀態(tài).其一個周期的流程圖見圖10.

圖10 中央控制器RS485通信流程圖

2.3 CAN通信軟件實現(xiàn)

DSP28335的e CAN模塊與CAN2.0B協(xié)議完全兼容；總線通信率可達1 Mbps；擁有32個郵箱，均可配置為接收或者發(fā)送，支持的數(shù)據(jù)位由0～8個字節(jié)組成.郵箱之間通過標識符過濾接收到的消息.在使用CAN模塊之前必須進行正確的初始化，并且只有CAN模塊工作在初始化模式下才能進行初始化［4］.圖11給出了CAN模塊的初始化流程.

圖11 CAN模塊初始化流程圖

eCAN模塊發(fā)送消息過程主要包括了系統(tǒng)以及郵箱初始化、發(fā)送傳輸設置以及等待傳輸響應等幾個步驟.而當接收到消息時，接收消息掛起寄存器（CANRMP）相應的標志位置位，同時會使中斷標志位產(chǎn)生中斷.然后CPU可以讀取郵箱中接收到的數(shù)據(jù).圖12為消息發(fā)送和消息接收流程圖.

圖12 CAN模塊消息發(fā)送與接收流程圖

3 結論

針對激光電源系統(tǒng)中央控制器內部以及與外界模塊之間不同的通信對象以及不同的通信目的，分別采用了SPI、總線、RS485、CAN和I／O通信的方式，本文分別講述了它們的硬件和軟件的實現(xiàn)方法，從而使中央控制器能夠很好地履行系統(tǒng)紐帶的作用，保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定、準確和快速性.

［1］王 新，王歸新，張昌盛，等.數(shù)字信號處理器與串EEPROM 的接口設計［J］.電子工程師，2004，30（1）：63－68.

［2］ 馬 軍，張 彥 敏，黃 華 偉，等.基于 CPLD 的T MS320F2812硬件平臺設計［J］.現(xiàn)場總線技術應用200例，2007，5－2.

［3］耿立中，王 鵬，馬 騁，等.RS485高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設計與實現(xiàn)［J］.清華大學學報（自然科學版），2008，48（8）：1 311－1 314.

［4］蘇奎峰，呂 強，常天慶，等.T MS320X281X DSP原理及C程序開發(fā)［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.