用于電源檢修的遠(yuǎn)程控制裝置研制

李 洋，陳 斌，龍鋒利，程 健，董琳瑯

（中國科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049）

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPCⅡ）的電源系統(tǒng)共有各類磁鐵電源500余臺(tái)。這些電源具有被本地控制和遠(yuǎn)程控制的功能。本地控制可通過電源面板進(jìn)行操作；遠(yuǎn)程控制則通過電源的模擬量和數(shù)字量接口實(shí)現(xiàn)對(duì)接。若需在本地通過電源的遠(yuǎn)程接口實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的控制，就需開發(fā)一款裝置，通過電纜連接電源的模擬量和數(shù)字量接口，這樣就可代替中控室來模擬遠(yuǎn)程控制電源。本文擬研制電源檢修用遠(yuǎn)程控制裝置，以便在電源出現(xiàn)問題時(shí)，通過遠(yuǎn)程控制接口來操作電源。

1 設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的模擬遠(yuǎn)程控制，裝置應(yīng)具備操控電源所需的全部功能。如能開、關(guān)電源，給定電流，并將給定電流及負(fù)載電流回采回來，通過顯示屏顯示。電源的外部控制、電流給定和回采是通過電源后面的DB25 針和DB9 針標(biāo)準(zhǔn)接插件實(shí)現(xiàn)的。裝置按電源遠(yuǎn)程控制接口的協(xié)議設(shè)計(jì)，通過連接電源后面的DB25針和DB9針接口輸出數(shù)字量和模擬量。電源接收到相關(guān)信號(hào)，執(zhí)行相關(guān)操作。表1、2 列出了DB25針和DB9針接口定義。

表1 DB25針接口定義Table 1 Definition of DB25

表2 DB9針接口定義Table 2 Definition of DB9

1.1 硬件設(shè)計(jì)

裝置的硬件設(shè)計(jì)包括控制電路、A／D 采樣電路、D／A 輸出電路［1］、顯示電路［2］、鍵盤電路以及供電和參考源設(shè)計(jì)等。硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Hardware design structure chart

裝置采用單片機(jī)＋高精度A／D、D／A 的控制方式。單片機(jī)選ATmega128單片機(jī)［3］。此款SCM 是Atmel公司的8位系列單片機(jī)中配置最高的一款單片機(jī)，具備16 MHz的振蕩頻率，并有多個(gè)8位和16位定時(shí)器和中斷源，完全滿足硬件的需要，穩(wěn)定性極高，應(yīng)用極其廣泛［4］。圖2為ATmega128單片機(jī)的I／O 配置。

模擬量輸出方面，采用1個(gè)具備16位輸出精度的AD5542，5V 供電電壓，低功耗［5］。由于AD5542芯片內(nèi)部輸出無驅(qū)動(dòng)運(yùn)放，需外加1個(gè)低噪聲、低失調(diào)電壓、低失調(diào)電流和低溫度系數(shù)的運(yùn)放［6］。芯片通過串行連接方式與單片機(jī)進(jìn)行通訊，硬件電路如圖3所示。

模擬量采樣方面，采用兩個(gè)高精度24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1251，1個(gè)負(fù)責(zé)電流給定的回采，1個(gè)負(fù)責(zé)實(shí)際電流的回采［7］。ADS1251輸入采樣范圍為±2.5V，通過外圍電路，將±10V的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化成±2.5V。其與單片機(jī)連接和外圍電路如圖4所示［8］。

A／D和D／A 芯片需1個(gè)2.5V 的電壓作為參考電壓。選擇高精度電壓基準(zhǔn)芯片MAX6325作為參考源。其外圍電路如圖5所示。

人機(jī)接口方面，采用128×64點(diǎn)陣藍(lán)底白字液晶顯示器（LCD）顯示，采用矩陣式鍵盤輸入，節(jié)約了單片機(jī)的資源。狀態(tài)采用發(fā)光二極管顯示。整個(gè)裝置的操作界面大方、美觀。裝置界面的設(shè)計(jì)效果及制作實(shí)際圖如圖6所示。

圖2 ATmega128單片機(jī)I／O 配置Fig.2 ATmega128SCM I／O configuration

圖3 AD5542與單片機(jī)接口和外圍電路Fig.3 Connection between AD5542and SCM interface and peripheral circuit

1.2 軟件設(shè)計(jì)

裝置的軟件設(shè)計(jì)采用AVR Studio和ICC AVR 編程環(huán)境［9］。采用C語言編寫程序［10］。

利用ATmega128豐富的定時(shí)器和中斷資源，通過對(duì)A／D 和D／A 芯片的串行讀寫，可實(shí)現(xiàn)電源電流精確的給定和采樣。通過矩陣鍵盤，用戶可輸入設(shè)定電流并選擇電源量程。各系統(tǒng)運(yùn)行的程序流程圖如圖7所示。

圖4 ADS1251與單片機(jī)接口和外圍電路Fig.4 Connection between ADS1251and SCM interface and peripheral circuit

圖5 MAX6325外圍電路Fig.5 Peripheral circuit of MAX6325

圖6 裝置界面設(shè)計(jì)效果圖和制作實(shí)際圖Fig.6 Design effect picture and actual picture

圖7 程序流程圖Fig.7 Program flow chart

2 實(shí)驗(yàn)

該裝置在BEPCⅡ儲(chǔ)存環(huán)校正子電源廳進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和測(cè)試。實(shí)驗(yàn)包括通過遠(yuǎn)程控制打開和關(guān)閉電源輔電、主電；根據(jù)電源類型，設(shè)置電源量程；給定電源電流，包括正向給定和負(fù)向給定；以步進(jìn)的方式增加或減小電流。針對(duì)測(cè)試過程中出現(xiàn)的一些問題，對(duì)程序進(jìn)行了仔細(xì)更改，確保了裝置使用可靠性。

3 結(jié)論

通過儲(chǔ)存環(huán)校正子電源廳的測(cè)試證明，電源檢修用遠(yuǎn)程控制裝置設(shè)計(jì)合理、控制方便、應(yīng)用靈活。該裝置能通過遠(yuǎn)程控制數(shù)字量接口實(shí)現(xiàn)電源的開關(guān)機(jī)，能通過遠(yuǎn)程控制模擬量接口實(shí)現(xiàn)本地的電流給定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。為今后電源的測(cè)試和問題的查找提供了很好的幫助。

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