何 巧，馬游春，馬子光，劉鵬媛

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051)

0 引言

高功率脈沖電源是電磁發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分與能量來(lái)源，其工作狀況直接影響電磁發(fā)射[1-2]。安全可靠地獲取高功率脈沖電源的充、放電電壓，是確保電磁發(fā)射試驗(yàn)順利開(kāi)展的關(guān)鍵步驟。

由于脈沖電源測(cè)試環(huán)境的特殊性，在放電過(guò)程中，伴有kV級(jí)大電壓和MA級(jí)超大電流，同時(shí)電源系統(tǒng)周?chē)€會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，該測(cè)試環(huán)境危險(xiǎn)性大，需要使用特殊的高壓設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，具有ns級(jí)的上升時(shí)間、高電阻率的高壓探頭是測(cè)量脈沖電壓的標(biāo)準(zhǔn)傳感器[3]。在電壓測(cè)試試驗(yàn)前，參試人員需撤離試驗(yàn)場(chǎng)地，這對(duì)電壓采集裝置提出了更高的要求。為解決傳統(tǒng)的采集設(shè)備無(wú)法遠(yuǎn)程控制的問(wèn)題，提出了利用無(wú)線串口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集裝置的控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

對(duì)于2.5 kV以上大容量、高性能的電壓測(cè)量，P6015A高壓探頭已經(jīng)成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]。P6015A能夠測(cè)量高達(dá)20 kV RMS的直流電壓，以及高達(dá)40 kV的脈沖電壓(峰值，100 ms脈沖寬度)，以1 000∶1的比率將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓。電壓采集裝置主要由電源管理模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、FLASH存儲(chǔ)模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、USB讀數(shù)模塊等組成。該測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程控制發(fā)送采集命令，采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理之后由A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)編幀之后存儲(chǔ)在大容量FLASH存儲(chǔ)芯片之中，最后經(jīng)過(guò)USB接口芯片F(xiàn)T232H將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示與分析。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 高電壓測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線收發(fā)模塊

無(wú)線控制系統(tǒng)由2個(gè)相同的無(wú)線串口通信模塊組成，完成采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間的通信，兩模塊間由射頻天線完成數(shù)據(jù)傳輸。該無(wú)線串口收發(fā)模塊選用無(wú)線射頻收發(fā)芯片SI4463作為數(shù)據(jù)收發(fā)器件，選用STM8L101F3P6型單片機(jī)作為無(wú)線模塊的微控制器，控制SI4463對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行射頻接收及發(fā)送[5]。無(wú)線射頻芯片SI4463采用TTL電平輸出，兼容3.3 V與5 V的I/O口電壓,其工作頻段為119～1 050 MHz，最大傳輸距離5 km，最大輸出功率+20 dB，發(fā)射電流18 mA，接收電流10 mA。SI4463與STM8L101F3P6及FPGA的電路連接示意圖如圖2所示。單片機(jī)與SI4463之間通過(guò)4線SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而與系統(tǒng)主控FPGA之間通過(guò)串口通信?？紤]到該電壓檢測(cè)試驗(yàn)對(duì)主控電路沒(méi)有特殊需求，系統(tǒng)選用了Spartan3系列XC3S400PQG208芯片[6]。

圖2 SI4463電路連接示意圖

2.2 FT232H接口電路

系統(tǒng)采用USB接口芯片F(xiàn)T232H與上位機(jī)進(jìn)行通信，F(xiàn)T232H芯片，全速為12 Mbps，高速模式速度高達(dá)480 Mbps[7]。FT232H硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。為減少信號(hào)干擾，VPHY引腳與VPLL引腳接至3.3 V電壓時(shí)采用LC低通濾波[8]。引腳ADBUS0～ADBUS7是I/O數(shù)據(jù)接口，在異步FIFO模式下ACBUS0～ACBUS4分別配置為讀準(zhǔn)備信號(hào)(RXF#)、寫(xiě)準(zhǔn)備信號(hào)(TXE#)、讀信號(hào)(RD#)、寫(xiě)信號(hào)(WR#)和睡眠喚醒信號(hào)(SIMU)。

3 無(wú)線串口收發(fā)模塊邏輯設(shè)計(jì)

2個(gè)無(wú)線串口通信模塊的程序設(shè)計(jì)基本相同，電壓采集裝置的無(wú)線串口收發(fā)模塊邏輯設(shè)計(jì)如下。電壓采集裝置首先完成對(duì)操作指令的無(wú)線接收，進(jìn)而由主控芯片F(xiàn)PGA做出相對(duì)應(yīng)的應(yīng)答反饋。對(duì)模塊中的無(wú)線射頻芯片SI4463來(lái)說(shuō)，其要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)都需要單片機(jī)通過(guò)SPI接口來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行寫(xiě)入和讀取，并且SI4463對(duì)不同的操作都有相應(yīng)的指令，只需通過(guò)SPI進(jìn)行配置。該芯片有一個(gè)CTS信號(hào)，用以向單片機(jī)反饋它的工作狀態(tài)。該信號(hào)在地址為0x44的寄存器中，當(dāng)該寄存器中的數(shù)值為0xFF時(shí)，表示芯片已經(jīng)做好準(zhǔn)備，可以接收來(lái)自單片機(jī)的新指令，否則將不能接收。讀取CTS信號(hào)的時(shí)序如圖4所示。

3.1 SI4463數(shù)據(jù)讀取

電流采集系統(tǒng)在數(shù)據(jù)接收時(shí)，一直打開(kāi)無(wú)線接收功能，接收來(lái)自遠(yuǎn)程上位機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)包。收到數(shù)據(jù)包后，微控制器STM8L101F3P6首先從射頻芯片SI4463中讀取無(wú)線數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)通過(guò)串口TXD引腳發(fā)送給FPGA[9]。在數(shù)據(jù)接收模式下，單片機(jī)從SI4463中讀取數(shù)據(jù)的程序流程如圖5所示。

3.2 SI4463數(shù)據(jù)寫(xiě)入

當(dāng)電壓采集裝置準(zhǔn)備發(fā)送相應(yīng)操作指令的反饋信號(hào)時(shí)，無(wú)線模塊中的微控制器STM8L101F3P6首先通過(guò)串口RXD引腳接收來(lái)自FPGA的數(shù)據(jù)包，每個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度為32byte，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)量達(dá)到32byte時(shí)，啟動(dòng)無(wú)線發(fā)射。此時(shí)可以繼續(xù)寫(xiě)入需要發(fā)射的數(shù)據(jù)；當(dāng)需要發(fā)送的字節(jié)小于32byte時(shí)，射頻芯片等待3個(gè)字節(jié)的時(shí)間，在這期間若無(wú)數(shù)據(jù)再輸入，即認(rèn)為數(shù)據(jù)終止，發(fā)送模塊將所有數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)無(wú)線發(fā)出，然后經(jīng)SPI接口將數(shù)據(jù)寫(xiě)入SI4463，由射頻天線無(wú)線發(fā)送。在數(shù)據(jù)發(fā)送模式下，單片機(jī)向SI4463中寫(xiě)入數(shù)據(jù)的程序流程圖如圖6所示。

圖3 FT232H接口電路

圖4 讀取CTS信號(hào)時(shí)序圖

圖5 SI4463數(shù)據(jù)讀取流程圖

圖6 SI4463數(shù)據(jù)寫(xiě)入流程圖

3.3 無(wú)線串口控制邏輯仿真

當(dāng)主控模塊FPGA收到來(lái)自串口的操作指令時(shí)，會(huì)做出相應(yīng)的應(yīng)答反饋。以數(shù)據(jù)記錄為例，當(dāng)遠(yuǎn)程上位機(jī)發(fā)來(lái)“開(kāi)始記錄”的命令時(shí)，F(xiàn)PGA即控制Flash開(kāi)始數(shù)據(jù)寫(xiě)入，并向遠(yuǎn)程上位機(jī)發(fā)送10包數(shù)據(jù)作為應(yīng)答，每包數(shù)據(jù)的格式為“幀頭EB90+幀計(jì)數(shù)+工作狀態(tài)+Flash當(dāng)前地址+觸發(fā)狀態(tài)+0Dh+0Ah”共10個(gè)字節(jié)。其中，10包數(shù)據(jù)中的地址數(shù)據(jù)呈遞增狀態(tài)，即證明數(shù)據(jù)正常寫(xiě)入Flash存儲(chǔ)模塊中[10]；同樣地，當(dāng)遠(yuǎn)程上位機(jī)發(fā)來(lái)停止記錄”的命令時(shí)，F(xiàn)PGA即控制Flash停止寫(xiě)入數(shù)據(jù)，也向遠(yuǎn)程上位機(jī)發(fā)送10包數(shù)據(jù)作為應(yīng)答，與開(kāi)始記錄不同的是，每一包數(shù)據(jù)中都包含F(xiàn)lash停止記錄時(shí)的地址，10包數(shù)據(jù)中的地址相同，即證明數(shù)據(jù)停止寫(xiě)入Flash存儲(chǔ)模塊中。對(duì)無(wú)線串口收發(fā)模塊的Verilog控制邏輯代碼做仿真，其時(shí)序仿真圖如圖7所示。從圖中可以看出，程序設(shè)計(jì)滿足要求。

圖7 無(wú)線串口收發(fā)程序邏輯仿真圖

4 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)例及分析

4.1 系統(tǒng)測(cè)試流程

電壓測(cè)試試驗(yàn)開(kāi)始前，電壓采集裝置上電，經(jīng)5 s的復(fù)位延時(shí)后，系統(tǒng)正式進(jìn)入待工作狀態(tài)；電壓采集裝置與上位機(jī)連接，在上位機(jī)中對(duì)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行擦除操作后，采集系統(tǒng)進(jìn)入待采集模式；在收到“開(kāi)始記錄”的命令之后，打開(kāi)無(wú)線串口控制軟件，遠(yuǎn)程啟動(dòng)采集裝置，系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)模塊開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)；脈沖電源放電結(jié)束后，在無(wú)線串口控制軟件中遠(yuǎn)程控制設(shè)備停止記錄，試驗(yàn)結(jié)束；在上位機(jī)數(shù)據(jù)回讀結(jié)束后，對(duì)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析繪圖，最終還原被測(cè)電壓的波形。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

額定工作電壓為7.6 kV的電容儲(chǔ)能型脈沖電源充、放電電壓波形如圖8和圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用P6015A高壓探頭測(cè)量高電壓，并利用無(wú)線串口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓采集裝置的控制，能夠?qū)ξｋU(xiǎn)環(huán)境下的脈沖電源電壓進(jìn)行安全可靠的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)及分析。

圖8 充電電壓波形

圖9 放電電壓波形

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采用P6015A高壓探頭作為傳感器，將高壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷盒盘?hào),以FPGA作為中心控制單元，采用無(wú)線串口模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)采集裝置的遠(yuǎn)程控制，通過(guò)USB接口芯片F(xiàn)T232H將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。應(yīng)用試驗(yàn)表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高功率脈沖電源充、放電電壓高可靠安全采集存儲(chǔ)和分析，且操作簡(jiǎn)單，具有良好的通用性與穩(wěn)定性，其設(shè)計(jì)可供類(lèi)似系統(tǒng)參考。