基于dsPIC30F的脈沖氙燈驅動系統的設計方案

隨著計算機、機械、電子技術的發展，道路檢測車使得大規模、快速、準確地獲取道路使用信息成為可能。檢測車上的攝像系統按攝像速度分為普通攝像機、高速攝像機和數碼攝像機，其中高速攝像機主要用于對路面的裂縫、坑槽等破壞狀況進行圖像采集。然而在使用高速攝像機時，大多數檢測車采用的是持續照射的光源。由于光源的強度較低，在實際使用時往往需要增加曝光時間來達到高質量的圖像數據。因此，提高照射的光源強度可以提高圖像數據的質量。而脈沖氙燈就能解決光亮度與伴隨熱量的矛盾。它放電時發出強烈的光，但閃光持續時間很短，所以熱量影響較小。由于瞬時光能量大，圖像的層次還原較好[1]。
　　為了延長脈沖氙燈的壽命，提高光電轉換效率，必須研制出適合脈沖氙燈的驅動系統。本文設計了滿足脈沖氙燈工作時的起輝、預燃和高壓放電三個階段的驅動系統。脈沖氙燈驅動系統采用Microchip dsPIC30F為主控芯片。該芯片是一款將單片機與DSP技術相結合的高性能16位數字信號控制器，綜合了單片機（MCU）的控制功能和集成了多種外設的優點，以及數字信號處理器（DSP）的計算能力和數據處理吞吐能力[2]。此外，它在異常事件處理,軟件開發環境等方面也表現出強大的性能[3]。由于dsPIC30F芯片的內部資源豐富，基于dsPIC30F平臺開發的脈沖氙燈驅動系統需要的外設很少，不但系統的抗干擾性和可靠性能夠滿足脈沖氙燈在各種環境下運行的要求，而且可以提高系統的靈活性，縮短開發時間，降低開發成本。
驅動系統的硬件設計
　　驅動系統在脈沖氙燈起輝時能夠提供足夠的輸入電壓(約5kV)使其發生輝光放電，在預燃及高壓放電時能夠提供穩定的預燃電流(約100mA)及高壓放電電壓(1～3kV)。本系統驅動四組并聯的脈沖氙燈，以dsPIC30F4011芯片為核心，硬件結構圖如圖1所示，主要由dsPIC30F控制電路、高壓充放電電路、預燃電路、高壓起輝電路，面板輸出顯示及計算機通信接口構成。

圖1 脈沖氙燈驅動系統硬件結構圖

dsPIC30F控制電路
　　dsPIC30F控制電路以dsPIC30F4011為主控芯片，主要實現脈沖氙燈工作時起輝、預燃和高壓放電三個階段時對相應電路的工作進行調節，以及對檢測和保護信號進行處理和面板顯示。控制電路上電進行主電控制，將220V/AC輸入電壓接入到驅動系統的主回路，包括高壓充放電電路、預燃電路和高壓起輝電路。然后通過功率變換，即可輸出脈沖氙燈工作時三個階段所需要的電壓。
　　起輝時，控制電路使常閉觸點繼電器斷開，高壓起輝電路工作，發生輝光放電；起輝后，繼電器閉合，高壓起輝電路停止工作，預燃電路開始工作，輸出脈沖氙燈預燃工作時的維持電流；此后，脈沖氙燈的等效電阻逐漸達到穩態并保持恒定，由輝光放電過渡到弧光放電。
　　脈沖氙燈被預燃成功后，高壓充放電電路開始工作，控制電路下降沿同步觸發信號控制高壓充放電電路中的功率開關器件IGBT對充放電電容進行充電。電容充電完成后，控制電路觸發可控硅導通使充放電電容放電，脈沖氙燈產生弧光頻閃現象。觸發信號分為內觸發和外觸發，內觸發信號主要用于脈沖氙燈正常工作前的調試，一般頻率較低，由dsPIC30F4011內部的定時器1輸出10Hz且負脈沖為0.2ms的內觸發信號；外觸發信號來自于正常工作時的高速攝像機的同步信號，頻率到達30kHz，由dsPIC30F4011的輸入捕捉功能產生同步信號來控制高壓充放電電路。高壓充放電電路的輸出高壓則通過高壓大小給定輸入調節，由dsPIC30F4011內部的10位A/D轉換模塊采集高壓大小給定輸入的模擬量，然后根據采集的數據輸出高壓大小給定值，從而可調節高壓充放電電路輸出1~3kV的高電壓。同時，dsPIC30F4011根據檢測到的信號在面板上顯示各種狀態及處理各種故障，從而使系統工作穩定可靠。
　　本系統可以通過計算機通信接口進行遠程控制，由dsPIC30F4011的串口通信接口實現啟動停止，內外觸發、高壓放充電調節及各種信號指示，從而可完全脫離對裝置的手動操作。
起輝預燃電路
　　起輝預燃電路的原理如圖2所示，主電路由高頻推挽變換器、高頻變壓器、高壓啟輝電路、UC3825控制電路、dsPIC30F控制電路、預燃檢測電路以及、輸入輸出整流濾波電路構成。交流220V輸入電壓通過變壓器隔離，整流濾波后作為推挽變換器的輸入，推挽變換器將輸入電壓變換成高頻交流脈沖電壓，通過高頻變壓器完成電壓匹配和高頻隔離功能[4]；經過輸出整流濾波環節后，dsPIC30F4011根據預燃檢測電路檢測到的電流信號控制繼電器輸出預燃電壓和高壓起輝電壓。UC3825控制電路由高速PWM控制器UC3825及外圍電路組成，根據推挽變換主電路反饋的電流信號，為開關器件提供PWM驅動。

圖2 起輝預燃電路原理框圖