多路高壓放大器輸出直流電壓監測與顯示系統軟件設計

自適應光學(xué)系統由波前探測、波前控制、波前校正和監控系統組成。壓電陶瓷變形鏡是用于波前校正的核心元件，驅動(dòng)壓電陶瓷往往需要幾百伏特的直流高壓電。在實(shí)際系統中，自適應控制器AD輸出的弱電信號通過(guò)高壓放大器后產(chǎn)生可用于驅動(dòng)壓電陶瓷的高壓電，出于系統安全和現場(chǎng)調試的需要，往往需要對高壓放大器的輸出電壓進(jìn)行高可靠性監測?；谶@種需求，設計了一型直流電壓監測與顯示系統，實(shí)現了單板對20路0～500V直流電壓的實(shí)時(shí)監測與顯示，通過(guò)實(shí)際測試表明，系統工作穩定，可靠性高，測量精度高，全量程線(xiàn)性度優(yōu)于0．2％。

1 系統硬件設計

1．1 核心芯片簡(jiǎn)介

本系統采用C8051F310單片機作為核心控制器，C8051F310器件是完全集成的混合信號片上系統型MCU芯片，具有高速流水線(xiàn)結構的CIP-51內核，工作頻率可達25 MIPS，具有1 280 B片內RAM，具有片內上電復位，VDD監視器，看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的C8051F310是真正能獨立工作的片上系統。

系統采用CS5460A作為核心測量芯片，CS5460A是具有有功功率計算引擎的CMOS單片功率測量芯片，它包含了兩個(gè)增益可編程放大器、兩個(gè)△-∑調制器、兩個(gè)高速濾波器，具有系統校準和有效值／功率計算功能，以提供瞬時(shí)電壓／電流／功率數據采樣及有功能量、IRMS、VRMS的周期計算結果。1．2 系統總體設計

系統框圖如圖1所示。輸入高壓經(jīng)過(guò)精密電阻分壓后，通過(guò)三個(gè)8路模擬開(kāi)關(guān)切換20路輸入信號電壓，使用CS5460A分時(shí)采樣與量化，輸出20路電壓測量值，一方面通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示，另一方面通過(guò)RS 485接口傳送至上位機實(shí)時(shí)監測。

1．3 電壓輸入接口設計

對于0～150 V直流高壓輸入，需要對輸入電壓進(jìn)行分壓后才能進(jìn)行采樣，本設計中采用電阻分壓電路，將動(dòng)態(tài)范圍達150 V的直流高壓輸入，轉換為100 mV級的CS5460A采樣電壓，為了實(shí)現20路電壓測量，選擇3個(gè)74HC4051模擬開(kāi)關(guān)分時(shí)選通20路輸入電壓。具體電路圖如圖2所示。

圖2中R1為750 kΩ2，0．5 W功率電阻，R2為620Ω電阻，為了滿(mǎn)足系統線(xiàn)性度優(yōu)于0．2％的要求，選擇分壓電阻R1，R2精度優(yōu)于0．1％，溫度系數優(yōu)于25 ppm，從而實(shí)現了全動(dòng)態(tài)范圍精確采樣。

1．4 CS5460A通信接口設計

CS5460A與單片機的通信接口為標準SPI接口，共由4根線(xiàn)組成，CS5460A有4條串行接口線(xiàn)：CS，SDI，SDO和SCLK。其中CS為片選控制線(xiàn)，低電平有效；SDI為串行數據輸入線(xiàn)；SDO為串行數據輸出線(xiàn)，當CS為高電平時(shí)，SDO端呈高阻狀態(tài)；SCLK為串行時(shí)鐘，用于控制CS5460A與微控制器之間數據傳輸的同步；RESET為外部復位接口，單片機可通過(guò)它來(lái)控制C85460A的復位。

1．5 LCD顯示與RS 485接口設計

本系統選擇LM320160CCW型液晶顯示器作為系統顯示界面，LM320160CCW是320×160全圖形點(diǎn)陣的液晶顯示模塊。支持并口通信，內置升壓電路，模塊顯示屏由內置的主控芯片S1D13700控制，可靠性高，指令簡(jiǎn)單，易于操作?？梢杂行э@示20路采集電壓，液晶顯示器與單片機接口電路如圖3所示。

本設計中選擇RS 485電氣標準作為上位機通信接口電路，RS 485接口作為標準半雙工網(wǎng)絡(luò )接口，一般采用兩線(xiàn)制，以?xún)删€(xiàn)間正壓差+0．2～+6 V表示邏輯1，以負壓差-0．2～+6 V表示邏輯0。RS 485接口是采用平衡驅動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。最大的通信距離約為1 219 m，最大傳輸速率為10 Mb／s。RS 485總線(xiàn)一般最大支持32個(gè)節點(diǎn)，如果使用特制的485芯片，可以達到128個(gè)或者256個(gè)節點(diǎn)。RS 485電路圖如圖4所示。

使用MAX487EESA芯片作為485電平轉換芯片，最大數據率為250 Kb／s，最多可以驅動(dòng)128個(gè)有效負載，工作溫度為-40～+85℃。RS 485接口信號線(xiàn)通過(guò)磁偶芯片ADuM1201，實(shí)現電氣隔離，485總線(xiàn)接口使用專(zhuān)用TVS管SM712實(shí)現ESD保護，出于信號完整性考慮，485電平輸出端采用差分120 Ω，單端50 Ω阻抗匹配。

2 系統軟件設計

系統軟件主要由CS5460A校準程序以及測量主程序兩個(gè)部分組成。

CS5460A提供了方便的數字校準功能，可以實(shí)現電壓通道直流偏置校準和直流增益校準。對于校準程序必須首先進(jìn)行偏置校準，在20路電壓輸入端均給出參考0電位，運行偏置校準程序，其程序流程圖如圖5所示。