基于C8051F310高壓放大器輸出直流電壓監(jiān)測與顯示系統(tǒng)設(shè)計

在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，自適應(yīng)控制器AD輸出控制信號需要通過高壓放大器放大成高壓電驅(qū)動壓電陶瓷變形鏡，從而實(shí)現(xiàn)波前實(shí)時校正。在實(shí)際系統(tǒng)中，往往需要對高壓放大器輸出電壓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。本系統(tǒng)采用小體積單片機(jī)C8051F310作為控制器，采用專用電表芯片CS5460A作為核心測量芯片，實(shí)現(xiàn)了單板對20路0～500 V直流電壓的實(shí)時監(jiān)測與顯示，線性度優(yōu)于0．2％。

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)由波前探測、波前控制、波前校正和監(jiān)控系統(tǒng)組成。壓電陶瓷變形鏡是用于波前校正的核心元件，驅(qū)動壓電陶瓷往往需要幾百伏特的直流高壓電。在實(shí)際系統(tǒng)中，自適應(yīng)控制器AD輸出的弱電信號通過高壓放大器后產(chǎn)生可用于驅(qū)動壓電陶瓷的高壓電，出于系統(tǒng)安全和現(xiàn)場調(diào)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(jiān)測?；谶@種需求，設(shè)計了一型直流電壓監(jiān)測與顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了單板對20路0～500V直流電壓的實(shí)時監(jiān)測與顯示，通過實(shí)際測試表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可靠性高，測量精度高，全量程線性度優(yōu)于0．2％。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1．1 核心芯片簡介

本系統(tǒng)采用C8051F310單片機(jī)作為核心控制器，C8051F310器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片，具有高速流水線結(jié)構(gòu)的CIP-51內(nèi)核，工作頻率可達(dá)25 MIPS，具有1 280 B片內(nèi)RAM，具有片內(nèi)上電復(fù)位，VDD監(jiān)視器，看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F310是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。

系統(tǒng)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，它包含了兩個增益可編程放大器、兩個△-∑調(diào)制器、兩個高速濾波器，具有系統(tǒng)校準(zhǔn)和有效值／功率計算功能，以提供瞬時電壓／電流／功率數(shù)據(jù)采樣及有功能量、IRMS、VRMS的周期計算結(jié)果。

1．2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)框圖如圖1所示。輸入高壓經(jīng)過精密電阻分壓后，通過三個8路模擬開關(guān)切換20路輸入信號電壓，使用CS5460A分時采樣與量化，輸出20路電壓測量值，一方面通過LCD實(shí)時顯示，另一方面通過RS 485接口傳送至上位機(jī)實(shí)時監(jiān)測。

1．3電壓輸入接口設(shè)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(shè)計中采用電阻分壓電路，將動態(tài)范圍達(dá)150 V的直流高壓輸入，轉(zhuǎn)換為100 mV級的CS5460A采樣電壓，為了實(shí)現(xiàn)20路電壓測量，選擇3個74HC4051模擬開關(guān)分時選通20路輸入電壓。

圖2中R1為750 kΩ2，0．5 W功率電阻，R2為620Ω電阻，為了滿足系統(tǒng)線性度優(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(shù)優(yōu)于25 ppm，從而實(shí)現(xiàn)了全動態(tài)范圍精確采樣。

1．4 CS5460A通信接口設(shè)計

CS5460A與單片機(jī)的通信接口為標(biāo)準(zhǔn)SPI接口，共由4根線組成，CS5460A有4條串行接口線：CS，SDI，SDO和SCLK。其中CS為片選控制線，低電平有效；SDI為串行數(shù)據(jù)輸入線；SDO為串行數(shù)據(jù)輸出線，當(dāng)CS為高電平時，SDO端呈高阻狀態(tài)；SCLK為串行時鐘，用于控制CS5460A與微控制器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?；RESET為外部復(fù)位接口，單片機(jī)可通過它來控制C85460A的復(fù)位。

1．5LCD顯示與RS 485接口設(shè)計

本系統(tǒng)選擇LM320160CCW型液晶顯示器作為系統(tǒng)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(nèi)置升壓電路，模塊顯示屏由內(nèi)置的主控芯片S1D13700控制，可靠性高，指令簡單，易于操作。可以有效顯示20路采集電壓，液晶顯示器與單片機(jī)接口電路如圖3所示。

本設(shè)計中選擇RS 485電氣標(biāo)準(zhǔn)作為上位機(jī)通信接口電路，RS 485接口作為標(biāo)準(zhǔn)半雙工網(wǎng)絡(luò)接口，一般采用兩線制，以兩線間正壓差+0．2～+6 V表示邏輯1，以負(fù)壓差-0．2～+6 V表示邏輯0。RS 485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，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總線一般最大支持32個節(jié)點(diǎn)，如果使用特制的485芯片，可以達(dá)到128個或者256個節(jié)點(diǎn)。RS 485電路圖如圖4所示。
使用MAX487EESA芯片作為485電平轉(zhuǎn)換芯片，最大數(shù)據(jù)率為250 Kb／s，最多可以驅(qū)動128個有效負(fù)載，工作溫度為-40～+85℃。RS 485接口信號線通過磁偶芯片ADuM1201，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，485總線接口使用專用TVS管SM712實(shí)現(xiàn)ESD保護(hù)，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(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件主要由CS5460A校準(zhǔn)程序以及測量主程序兩個部分組成。
CS5460A提供了方便的數(shù)字校準(zhǔn)功能，可以實(shí)現(xiàn)電壓通道直流偏置校準(zhǔn)和直流增益校準(zhǔn)。對于校準(zhǔn)程序必須首先進(jìn)行偏置校準(zhǔn)，在20路電壓輸入端均給出參考0電位，運(yùn)行偏置校準(zhǔn)程序，其程序流程圖如圖5所示。

然后在20路電壓輸入端均給出最大參考電壓，進(jìn)行增益校準(zhǔn)，首先要讀出偏置校準(zhǔn)寄存器配置值，然后進(jìn)行增益校準(zhǔn)，其程序流程圖如圖6所示。
在校準(zhǔn)完成后，就可以運(yùn)行測量主程序，實(shí)現(xiàn)20路直流電壓測量與顯示，程序流程圖如圖7所示。

3 結(jié)語

本設(shè)計實(shí)現(xiàn)了單板對20路0～500 V直流電壓監(jiān)測與顯示，系統(tǒng)應(yīng)用在了自適應(yīng)光學(xué)高壓放大系統(tǒng)中，實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測量結(jié)果可靠，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，滿足了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)壓電陶瓷驅(qū)動電壓監(jiān)測需要。