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，驅動壓電陶瓷往往需要幾百伏特的直流高壓電。在實際系統中，自適應控制器AD輸出的弱電信號通過高壓放大器后產生可用于驅動壓電陶瓷的高壓電，出于系統安全和現場調試的需要，往往需要對高壓放大器的輸出電壓進行高可靠性監測。基于這種需求，設計了一型直流電壓監測與顯示系統，實現了單板對20路0～500V直流電壓的實時監測與顯示，通過實際測試表明，系統工作穩定，可靠性高，測量精度高，全量程線性度優于0．2％。

1 系統硬件設計

1．1 核心芯片簡介

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，看門狗定時器和時鐘振蕩器的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，它包含了兩個增益可編程放大器、兩個△-∑調制器、兩個高速濾波器，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。輸入高壓經過精密電阻分壓后，通過三個8路模擬開關切換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實時顯示，另一方面通過RS 485接口傳送至上位機實時監測。

1．3 電壓輸入接口設計

對于0～150 V直流高壓輸入，需要對輸入電壓進行分壓后才能進行采樣，本設計中采用電阻分壓電路，將動態范圍達150 V的直流高壓輸入，轉換為100 mV級的CS5460A采樣電壓，為了實現20路電壓測量，選擇3個74HC4051模擬開關分時選通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，為了滿足系統線性度優于0．2％的要求，選擇分壓電阻R1，R2精度優于0．1％，溫度系數優于25 ppm，從而實現了全動態范圍精確采樣。

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為串行數據輸入線；SDO為串行數據輸出線，當CS為高電平時，SDO端呈高阻狀態；SCLK為串行時鐘，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，單片機可通過它來控制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絡接口，一般采用兩線制，以兩線間正壓差+0．2～+6 V表示邏輯1，以負壓差-0．2～+6 V表示邏輯0。RS 485接口是采用平衡驅動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總線一般最大支持32個節點，如果使用特制的485芯片，可以達到128個或者256個節點。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128個有效負載，工作溫度為-40～+85℃。RS 485接口信號線通過磁偶芯片ADuM1201，實現電氣隔離，485總線接口使用專用TVS管SM712實現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部分組成。

CS5460A提供了方便的數字校準功能，可以實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。