肿瘤治疗仪超声电源的研制（可编辑）

肿瘤治疗仪超声电源的研制（可编辑） 肿瘤治疗仪超声电源的研制 北方交通大学 硕士学位论文 肿瘤治疗仪超声电源的研制 姓名:薛慧杰 申请学位级别:硕士 专业:电力电子与电力传动 指导教师:张晓冬 2002.1.1摘要 摘 要 尊 本文首先分绍了肿癌治鳢超声电源的应蠲背景, 路电源的结构原理和主电路图。设计了整流电路、 变换电鼹以及邀变电路静电路拓羚,计算丁有关参数。系 统输出功率可调通过电路控制直流侧电压实现,通 过援节器傻遗路辕茏电匮稳定。逆变器瓣控测电 路中采用锁相频率合成技术和数字移相技术,实现了逆变 嚣浚出频率、秘位可溺。各路电源戆运行获态逶过 控制、检测,各个单片机通过.接口与中控站实现主 款式多秘逶滚,中控潞逶过一墨鸟主瓿实臻事行通 讯,操作人员通过主机控制、监视电源的运行,其软件采 蹋 编程,具有友爵瓣入撬器瑟。锻后绘密了 系统的几个主要控制信号和输出波形。 超声 串行通讯 移相控制 关键词:逆变 频率合成 \一 ~ ? 垒呈垦皇 :些翌垄丝叁堕?兰壁堡塞,,. . , . .. 一 一 . 】.:, , , 翌二羔?鱼 :坐复奎丝叁:堕?堂壁堡奎 论 第一章 绪 . 超声刀结构原理 超声波在医学上可做超声治疗,把高能超声波聚焦于肿瘤 组织上,可以使肿瘤细胞的细胞膜破裂,同时超声波释放出的 使焦点处肿瘤组织的温度达 能量可以转化为热能, 。一。,从而将肿瘤组织细胞杀死。 超声刀治疗仪的结构原理如图卜所示,它通过超机探 测到肿瘤的位置和大小,然后把其影像信息输入到计算机中, 计算机在接收到这些信息后,控制超声波焦点以一定的方式扫 描肿瘤组织,从而杀死肿瘤细胞,又不伤及肿瘤周围的正常组 图卜超声刀结构原理图 织。超声波是一种机械波,不合放射性,对人体无伤害。 . 超声电源基本要求 图.中的治疗头是由安装于一个球面内侧的个压电换 能器组成的。压电换能器是一种压电晶体,超声波就是利用它 的压电效应产生的,当在压乜晶体两个端面加上交变电压时,第一蕈绪论 北万交通人学硕十学侮论文 由于电场作用,将导致晶体的几何应变.使晶体产生厚度上的 图卜单路电源框图 振动,当此种振动加于弹性介质时,会产生交替的压缩和伸张 即在介质中形成波动,就产生了超声波输出。 在超声刀中,根据治疗的要求,各路输出功率可设为 不同的值,所以需要三十路功率可以独立调节的电源。为获得 最大的超声输出能量,电源的输出频率应是压电换能器的串联 谐振频率。但在实际应用中,换能器由于老化而使其参数发生 变化,从而影响到其谐振频率,所以系统输出频率应能在一定 范围内调节。另外,由于换能器安装误差的存在,使得在同一 点各路超声波的相位不一定相同,所以需要调节各路电源交流 输出的相位,以确保各路超声波到达焦点时同相。所以,本电 源的基本要求是: 三十路电源输出功率独立可调,调节范围?,钨一章绪论 此力交通人学顾十学侮论文 步进 一 可调, 各路电源输出频率相同,且 步进: 各路逆变输出的电压相位。一。独立可调,。步进。 . 电源框图和主电路原理图 单路电源的框图见图.,如图所示,交流电直接接 全桥整流电路,整流电压经过变换电路调压后,供给半 桥逆变电路,输出功率的调节是通过变换电路调节直流 磐 ::胪 童 十牛 弭 图.电源主电路原理图 侧电压实现的。压电换能器采用电感串联匹配。各路功率、频 率、相位的设定由操作人员在上位机进行,所设的数据由上位 机通过一串口发送到中控站,再山中控站发送到相应的 下位机。电源的主电路图见图一。笙兰至壁堕兰呈望 鉴生堕堕 :坐立窒堕叁兰堡主兰壁丝塞 整流与电路设计 第二章 . 整流电路设计 的市电供电,先经过整 本电源采用单相交流, 以便做进一步处理。整流电 流电路将交流电源变成直流电源 路的结构如图.所示。 图? 整流电路原理图 如图所示,整流电路包括单相不可控全桥整流部分雨电容 滤波部分。系统上电瞬间,对滤波电容直接充电会引起较大的 浪涌电流,这里采用电阻一接触器并联网络对其进行抑。系 统启动时,接触器断开,电流流过,启动完成后,接触器 闭合,电阻短接,电流流过接触器触点。图中是大容量 电解电容,对整流输出起滤波作用,是高频涤纶电容,用 来吸收直流母线上的高频电压尖峰。 下面计算有关参数,整流电压最大值为: 。。× 整流电压最小值为:笙:::雯竺堕兰璺望 堡生:盐 立銮塑叁堂堕:堂壁堡塞 ‰。:坐:矿 电源工作时,整流电路输出电压随负载的变化而在 。。、和【,。。之阳变化,设计时取: ..×。 整流二极管承受的最大反向电压为: 而:压×矿 系统最大输出功率是,设效率为%,则整流电路 输出电流平均值为: :. ,。: .× 流过二极管的电流平均值是输出直流电流的一半,即: . 为选择二极管,需考虑发热问题,所以应按有效值相等的 原则来选择二极管的电流定额,但得到二极管的乜流波形需求 解超越方程组,推导繁琐,不易处理。此处选择/的整 流桥。 设整流电路输出电压允许的峰.峰值纹波电压?,为, 滤波电容维持输出电压的时间志脚,则滤波电容 :生』:, ? 取‖,额定电压取。 . 电路设计第?章祭流与 路砹汁 北方交通人学硕十学俺论文 本电源的输出功率是可调的,这通过调节逆变器输出电压 实现。逆变器的输出电压一般有三种调节方法,即调直流侧电 压,,以及移相调压。由于不关频率太高,在这晕 不宜采用,移相调压适合全侨逆变电路,在这罩也不适合,所 以采用变换电路来调节直流侧电压来调节逆变器输出 电压,从而调节其输出功率。 的电路的主电路如图.所示: 图 变换电路 单片机根据上位机的命令给定图中变换电路的输 出电压,在控制电路里通过一个调节器控制变换器, 使其输出电压跟随给定值。 .. 主电路设计 主开关器件选择 功率是一种单极型电压控制器件,所需的驱动 功率小,驱动电路简单,开关速度快,无二次击穿问题,安全 工作区宽,热稳定性好。 本系统中,变换电路的频率较高,为 ,输 出功率最大为,所以选用功率做为主开关器件。 具体选择公司的,其电流电压等级是/, 通态电阻为.。续流二极管选用,其电压等级是笙垦鳖堕:旦旦坠竖壁堕 :些立茎塑叁堂堡?兰丝堡茎 ,平均『向电流是,可承受的浪涌电流,最大恢 。 复时间是 系统工作时,的最大功率损耗 为: 尸。一盯只。去。。。。。旷:“. 。 设环境最高温度为 。,最高结温是 则所需的散热器热阻。为: ‰。毕一‰吨,.?,所以只需很小的散热 器。 电感选择 变换电路的占空比范围是..,输出电压范围是 . , 则输出电流 按%的效率计算, 设 南斋‰一,?南斋‰. 芦,则滤波电感 电流纹波是%,周期面毒万 三?型:二望::::::.。,?,可选用 .×? ,的电感。此时,。。?,×%.×..。 电容选择 图中的两个电容串联,电容的额定电压取,设输出 则所需电容的 允许纹波电压,, 垒生:旦鉴:?,选取::/,图。中的电 /,. 阻,起平衡两个电容电压的作用,,是高频涤纶 电容,用来吸收高频电.压尖峰。 ,:方交通人学硕十学俺论文 第一一章牡流与路敬汁 ..控制电路 控制电路基于,它是一种定频凋宽型不关电源集成 控制器。其内部等效电路如图.所示。它主要山振荡器、触 发器、比较器、误差比较器、基准电源以及驱动三极管 等组成。的工作频率取决于振荡器外结的定时元件尺,、,其关系为;?。振 荡器输出的锯齿波送到比较器的 』‘ 反相输入端,比较器的同相输入端分别输入死区控制电压和误 差放大器的输出电压。锯齿波与相应的电压信号比较,当锯齿 波电压大与控制信号时,或门输出低电平,从而使能驱动输出 三极管的或非门。所以,改变控制信号电压值,就可以改变输 出脉冲宽度。此外,还具有欠压锁定功能。 ?? ??? ?.: ‘? 图 结构框图 控制电路中的电路原理图见图.。图中上半部分是一个 调节器,电压给定信号和电压反馈信号经过调节器后, 产生误差的比例和积分信号,然后送入控制输出脉冲宽 度。 图中下半部分是在控制电路中的连接情况,误差放堕三垩堕生兰旦旦壁坠堕 塑坠 :坐堑窒塑叁堂堕?堂壁堡奎 脚接?订, 大器的同相输入端脚接地,反相输入端 所以误差放大器在这早不起作用。误差放大器的同相输入 端接山?,分压产生的固定电平,反相输入端接【调 图 变换器控制电路原理图 节器输出。 图中定时电阻. ,定时电容.【‖,所以振荡 器输出频率为:厂芸百万赫。砒,的输出蔓三里竺堕兰呈竺 堕旦哩羔生 :坐立銮堕叁兰堕?主生堡奎 控制端接地,两个驱动三极管并联输出,所以信号频率 。的输出经过逻辑组合后,作为控制信号输 也是 入驱动电路。 ..驱动电路 , 是高压、高速功 驱动电路采用公司的 率和驱动电路,其输入逻辑与 图? 结构框图 的结构 电平兼容,具有欠压保护功能。图?是 框图。它主要包括输入逻辑、脉冲发尘、输出驱动、高压电平 转换以及欠压锁定等几部分。其中高压电平转换部分将输入的 相对于信号地的控制信号转换为相对于源极信号。 既可以工作在自举法又可以工作在浮地电源供电法, 在这里工作于自举法,具体电路见图?。 电路启动时,自举电容电压为,由于欠压锁定, 输出为,此时,通过、主电路滤波电感电容此处未 画,主电路下极通过,滤波电感电容对充电,直到其电 压高于欠压动作电压, 下常工作。此后,每当主电路 的续流二极管导通时,通过、续流二极管对卜央速充 笙三童堡堕兰里竺坠生量堕生 :些互窒望叁翌堕?::丝堡苎 怕 的 剑 ;。晦 ?“ 掣‘妻 控制信号输入丽三? 到 图 变换器驱动电路 ,并联在它两端的稳压管可以防止 电,使其维持在约 电压过充。从而起到保护的作用。 的选择要保证在最长导通期间其电压仍高于欠 压动作电压,这里选陶瓷电容。自举二极管选恢复时 间为数十纳秒,耐压的快速恢复二极管。 .. 功率检测与保护电路 功率检测电路 电源控制所需的输出电压、电流信号通过电压电流传感器 获得。功率信号通过电压电流信号相乘,再通过低通滤波器滤 波得到。这里采用了模拟器件公司的模拟乘法器。 是单片集成模拟乘法器。只需很少的外部元件就可以完 成乘法、除法、平方、开方等运算。 的具体连接见图.,图中,电压、电流信号经过 滤波放大后,由实现相乘,再经过滤波放大就得到了 所需的功率信号。笙三量辇堕兰里旦望三堕兰堡 垄奎堡叁::堕?堂堡垒奎 图?功率信号的获取 保护电路 保护电路实际上是控制、驱动电路的一部分,主要包括过 流保护、过压保护。 过流保护 信号 图 过流保护电路 系统发生过流时,有可能烧毁电路,造成严重的后果,必 须采取一定的保护。 过流保护电路见图.,在图中使用实现过流保 护,正常情况下,的同相输入端电平高于反相输入端电 平,输出 ,当发生过流时,的同相输入端墨::里鳖堕璺竺垡三生堕:坠 :坐立奎塑叁堂堕?堂壁堡壅 电平低于反相输入端电平,输出约为,此时钳位二 极管导通,的同相输入端电平保持在.,使得 输出保持为。此过流信号封锁控制信号并向单片机 申请中断,以便做相应处理。 过压保护 当主电路电压超过允许范围时,有可能击穿管子、造成事 故,所以在此采用过压保护电路对过电压进行检测和保护,其 电路见.图?。 整 流 输 出 电 爪 图过压保护电路 图中光耦的驱动电流为 ,、,稳压管的击穿 电压是,所以,当整流电压小于××× 时,保护电路输出高电平,当整流电压高于时,保护电 路输出低电平,与过流信号相同,过压信号也封锁控制脉冲并 向单片机申请中断。釜三皇望塞匹蔓尘兰奎圭些堕:盐 互窒望叁鲎堕?堂篁堡塞 负载匹配与逆变电路主电路设计 第三章 . 负载匹配 本电源的负载为压电换能器,它具有容抗特性,流经它的 电流超前于它两端的电压,不能直接做为电压型逆变器的负 载,通常采用匹配网络进行匹配。在此采用串联电感匹配,其 原理可由图.说明。 一 图一 匹配方法示意图 图.中是压电换能器的电路符号,其等效电路可用图 .的的网络来表示,其中是换能器的静态电容,上.是其 动态电感,.是动态电容,.是动念电阻。换能器的串联谐 振频率 . / 而 当电源的频率等于,时,串联支路谐振,等效为图?的 图。再进行串并联电路之间的等效变换,得到图.的中 的“,』串联电路,图中 北方交通人学项十学仿论文 第二章负载匹型兰型变皇塑丝生 ,? ‘。’ 雨 。‘’ “彖斋 式中甜。矾是串联谐振角频率。取匹配电感 南 ?: 则由换能器和电感组成的系统在工上谐振,如图的 所示,对外呈现为一纯电阻。这时,电源和换能器之间只有功 率的定向传递而无能量的往复交换。调节电源的输出电压就可 以使换能器上的功率达到所要求的值。 , 超声刀治疗仪所用的换能器的 ,, ,根据上面的式?、和式可计算得匹配电 工 感为.趔,此时.。由于负载是谐振负载,其得 到的功率主要是基波功率,电源的输出功率变化范围是 .,出于『.,所以所需的逆变器输出基波电压范 田是: 。?只。. ??。。:. 半桥逆变的输出基波电压有效值与直流侧电压关系为: 。。:盟:.虬 如前所述,变换电路的输出电压范围是., 所以逆变电路的输出电压范围是.。所以如图所示, 采用.:::的高频变压器将逆变器输出电压变到 .,即可满足负载要求。北方交通人学硕十学位论文 第三章负载匹配与逆变 土毡路设计 . 逆变主电路设计 其工作频率很高, 如图所示,主电路采用半桥逆变 ,流过的最大电 输出功率不大,承受的最大正向?臻粼 开关器件,具体选 流约为。所以选用功率作为主 用公司的。其主要参数如下: 漏源击穿电压‰ 漏极持续电流。 通态漏源直流电阻?. , 开通关断时间。 , 图? 逆变电路 的寄生二极管的导通压降是.,反向恢复时间 是,在这里不能满足要求,所以采用并联超快恢复二极 管的方法,如图.所示。这星采用的超快恢复二极管是 公司的,其主要参数为: 重复峰值反向阻断电压%。 『向平均电流。,、第二章负载匹配与逆变土电路没汁 北方交通人学顶十学何论文 正向压降以. 反向恢复时『 ,, 超快恢复二极管导通时,其压降是.,在这个电压下, 功率的寄生二极管不能导通,使得反向电流流经超 快恢复二极管。 逆变器工作时,功率的最大功率损耗只为: 乃.一够匕%』二。..‖ 设管子的结温乃。,电源内部的最高环境温度是 。,则所需热阻 ‰?掣一‰一矿.?的散热器。,化方交通人学硕士学何论文 第四章逆变器 控制电路塑 堕堕 逆变器控制与驱动电路设计 第四章 . 逆变器控制电路 现在有很多电力电子系统的集成控制电路,可以满足一般 应用场合的要求,这些电路的集成度、可靠性都比较高,所以 在设计控制电路时应首选这些集成控制电路。 在本系统中,控制电路的主要功能是:形成两个互补、带 , 死区的? 步进的方波信号,常用的集成控制 电路的频率都比较低,另外,这些控制电路的频率大都是通过 尺电路来设定的,即使勉强使用,其频率稳定度也较低,而 且无法生成大量离散频率;本系统中所采用的的时 钟频率为.,其时钟周期约为.胪,所以用软件 生成控制信号的办法也是不可取的。所以不得不设计专用控制 电路。控制电路的框图如图一所示 图. 控制电路框图 其工作原理为:锁相环频率合成器合成出从 到 , 步进的信号,经过分频后,形成 到第四章逆变器控制电路与驱动电路设计 北方交通人学硕十学俺论文 , 步进的信号,该信号输入到计数器的预置端, 锁相环频率合成器合成出的 到 信号作为计数 器的时钟,计数器预置的数据与该路的相位设置相对应。 计数器对置入的数进行加一计数,当加到全时,输出进位位, 进位输出置位触发器,并将固定数值.置入另一 计数器,该计数器计到时,输出进位位,进位输出使触 , 发器输出清零,从而产生? 步进的方波信号。 改变计数器预置的数值,就可以改变计数器进位输出时所 经过的时钟脉冲数,从而就改变了触发器的翻转时刻,就实 现了移相控制,生成了系统所需的控制信号。 ..频率合成电路 逆变器所需的大量高精度、高稳定度离散频率信号由频率 合成技术产生。常用的频率合成技术有直接数字合成技术和锁 相环频率合成技术,直接数字合成法的输出频率一般远低于其 时钟频率,而锁相环合成法的输出频率则可以高于其参考频 率。 图?基本锁相环路 一基本锁相环路 如图?所示,基本锁相环路由环路低通滤波器,压控振 荡器,数字分频器以及鉴相器组成。参考频率的相位舅和压控北方交通人学 硕:学位论文 第四章逆变器控制电路驱动乜路设 振荡器输出经过分频器后的相位,两者在鉴相器中比较产尘 相位误差控制信号,使得压控振荡器跟踪参考输入。因为鉴相 器的输出中含有无用的频率信号分量,所以要通过低通滤波器 将其滤掉,它的输出控制了压控振荡器,使之跟踪参考输入信 号。 环路一旦锁定,压控振荡器的输出频率就正好等于倍参 考输入信号的频率,用这种办法可】以实现理想的频率控制,不 会出现普通的自动频率控制方法所引起的频率误差。 图? 锁相环频率合成器原理框图 二锁相环频率合成原理 图?是采用高速前置分频器的锁相环频率合成器,输出 频率丘经肘分频后再经过可控制分频数的分频,然后与。, 实现相位锁定,出于锁定以后 盯厶。,所以。,, 工。岛,改变?,正就随之改变,从而可以合成出所需的 大量离散频率信号。 三 . 在控制电路的设计中,采用了公司的 ?,它是一种并行码输入的大规模数字集成单模锁 相环频率合成器,通过位并行输入线对计数器编程,通北方交通人学硕十学 位论文 第四章逆变器控制?乜路鉴垫。垫堕壁盐 过位输入线对计数器编程。电路包括参考振荡器,分频比 有种选择的参考分频器,数字鉴相器和位可编程除计 数器。 其方框图如图.所示 ? ‰ ?积 / ~ 图? .的方框图 图中,厶是频率合成器?计数器的输入端,厶来自环路 ?。 ,以交流耦合输入 。~,是参考地址输入端,根据这三个输入端输入的数 据,可以控制参考分频器的分频比,三位数据总共有八种选择, 对应的分频比从到。 ?~川,是?计数器编程输入端,当??计数器计数到零时, 这些输入端就把编程数据预置到?计数器,其中?。是最低有 效位,?。是最高有效位。 ,。。是参考振荡器输入/输出端,当这两个引出端 外接并联谐振晶体时,就构成了一个片中的参考振荡器。?。 也可用做外部参考信号的输入端。 。是鉴相器的三态输出端,可以作为环路误差信号,笙婴童堂变堡丝型生堕兰 坚塑坐堕坠? 塑窒踅叁竺堡?堂堡堡壅 当,.,或工相位超前时,。,输出负脉冲,当/:或/:.相 位滞后时,。,输出正脉冲。当环路锁定时,即工工且同相 时,输出端保持高阻。 .是?的缓冲输出端,内部与鉴相器输出端相连,使用 该输出端时,??计数器可以单独使用。 是锁定指示端,当环路锁定时,输出高电平,环路 失锁时,输出低电平。 四压控振荡器 压控振荡器的作用是产生频率随控制电压变化的振荡电 压,在这里采用了公司的,它有两个独立的压控 振荡器,在这里只用了其中的一个,每个压控振荡器都有两个 压敏输入端,用于确定频率范围,用于频率控制,在 这里接。压控振荡器的输出频率由外接的电容及这两 个压敏输入端的输入电压共同确定。 其稳定运行的频率范围是. 到 。根据其频率 控制特性曲线,可以求得: ‰,川时“一器.‖ 五环路低通滤波器 环路低通滤波器的作用是滤除鉴相器输出中的无用组合 频率分量以及其他干扰分量,以达到环路所要求的性能,并保 证环路的稳定性。 在实际中,二阶锁相环用的最多,它的环路低同滤波器是 一阶的。图.是在这里采用的一阶无源低通滤波器。其传递 函数为: 垒 ? 。: .,笙翌里堂奎竖堡塑些些生生堕坠墅笪兰鲨 塑銮塑叁堂堡主堂垡堡塞 ? 一阶环路滤波器 图 采用该低通滤波器后,锁相环是二阶的。其阻尼系数和自然振 荡角频率分别为: 阻尼系数: 峨叩十忐 /竺茎:竺 ? 自然振荡角频率:印。 。月: 其中,是反馈环路总分频数,。是鉴相器增益, 。输出时,,堡,压控振荡器增益死瓦了。 设计自然振荡角频率峨号擎,阻尼系数,这 样响应比较快,而且没有超调。根据以上式子,具体 算结果得: 堡土。. 。?掣。.笙婴童垄变墅丝型皇堕兰坚垫生墅兰生 :坚查銮塑叁堂堕:生堂壁堡壅 龉哥嚣求冥攫如瓣爨。占匝北方交通人学硕学何论文 第四章逆变器控制电 路。驱动也堕改汁 ?:堕: “ 由以上数据和式.、?可得 ,× .×~ 取.,‖,,.,, 频率合成和分频电路原理图见图。 ..移相控制电路 移相控制电路包括图.中的分频器、计数器以及触发 器。分频器把压控振荡器输出的~的信号分成 ~的信号,用这个信号装入计数器的预置值,计 数器到全时,输出一个时钟周期的进位标志,该进位输出通 过一个非门后置位触发器,并装入计数器的预置值, 当计数器计到全时,输出一个时钟周期的进位标志,进 位输出通过一个非门后复位触发器。这样就生成了所需 的控制信号。具体电路见图.。 图中的过流、过压信号来自图?、图。当发生过压、 过流时,这些信号变为低电平,封锁控制输出,从而保护了主 电路中的器件。 书卜陟吨陟 莎?举忡 ??一?????、赢 图死区设置电路笙婴兰垄壅堡堡鱼世塑生生堕垫些堕 :些塑奎望叁堂婴主兰堡鎏茎北方交通入学硕十学俺论文 第四章逆变器控 带岍路冁动路啦 .. 死区设置电路 为防止逆变桥上下两个管子直通,必须对控制信号设置死 区。在这里采用了延时电路束实现。每一片 、? 的延时门。 都有两组延时时问分别为、.和两个. 的延时门串联,实现 这里用了两个 左右的延时。 如图所示,来自图?中的两个互补的信号,每一个 信号通过延时电路延时后,再与未延时的的信号求与,这样就 得到了有死区的控制信号。 . 逆变器驱动电路 是电压驱动型器件,所需的驱动功率比较小,但 随着开关频率的增加,所需的驱动功率也线性增加。在本电源 中,的开关频率为七肌左右,虽然有一些集成驱 动电路的速度可以达到几百,但其输出功率达不到要求, 所以这里采用自行设计的驱动电路。它主要由光电耦合器 和六高压输出反相缓冲器组成。 如图.所示, 由发光二极管和集成光 图. 逻辑图.:/韭学硕十学妒论文 第四章逆变器控制毡路生翌垫皇堕壁生 检测电路组成。其中光检测电路由光电二极管、高增益放大器、 集电极开路的肖特基三极管组成。 ,上升厂 是一种超高速光耦,其传输延时为 的数字信号,并能隔离 降时间为 ,可传输 电压,广泛应用于输入输出需要高压隔离的高速数字接口电 路。 的集电极开路三极管所能承受的电压是,不能 的要求,所以采用两片 满足驱动电压 来缓冲 的输出。是六高压输出反相缓冲器,其 输出三极管也是集电极开路的,最高输出电压是,可以驱 动。 具体电路见图?,图中将反相器的输入输出并 图.驱动电路 联,以增强其驱动能力。图中控制信号通过的加到光 耦的发光二极管上,的输出上拉电阻, 的输出上拉电阻,门极电阻, 。驱动输出端反向串联两个 的稳压管,以保护 。 第瓦章单片机系统没计 北方交通人学硕十学伉论文 单片机系统设计 第五章 如前所述,操作人员在上位机设置的电源工作状态命令通 过一串行口传送到中控站中,再由其传送到单片机中。 系统组成框图见图?。 图.多机系统拓扑图 图中的每一个单片机控制一路电源。三十个单片机通过 .总线连接到中控站上,中控站再通过.总线连到 上位机上,组成一个小型集散控制系统。其中,机做为 主机负责管理、控制,根据具体要求对每一从机发出相应的控 制命令。单片机做为从机负责控制、检测各路电源的工作。中 控站是主从机之间的接口,完成./.转换,管理主 从机之间的串行通讯,定时查询从机的工作状态并上报主机。 在这罩单片机处理的数据量不大,所以用位单片机是比 较适合的,片内有字节的 ,与笙蔓兰茎生垫墨墅丛 塑窒塑叁堂堡?兰:生堡奎 一的指令系统、引脚功能完全兼容。它将通用的和 组合在一起,在许多嵌入式系统中获得了广泛的 应用。所以选用做为系统中的单片机。 .中控站设计 ..中控站硬件设计 中控站的核心是单片机,其串行口与各个从机 按主从式串行总线网络结构相连,与主机的通讯通过扩展串口 柬完成。其硬件结构如图所示,在图中,完 成电平与.电平的转换,完成电平 到并从帆 图 中控站硬件结构 . , 与一电平的转换。的时钟频率为 经过、一、面组合后,产生. 的信号,做为笙互童望苎墨丝坠立 立銮堕叁堂雯?堂垡堡奎 的信号, 的信号,再经过分频后得到. 做为的发送器和接收器的时钟信号、。。波特率 因子取,所以波特率为 。的取非后做 为的丽的输入信号,片选西接.,/万接., 所以其控制字、状态字寄存器地址为,数据缓冲器地址 为。图中的两个构成频率设置端,控制锁相 环频率合成,其地址为和。,?接锁相环失锁 中断。 ..中控站软件设计 中控站软件主要包括其与上位机通信部分和与下位单 片机通信部分,以及频率设置部分。 一 中控站与主机通讯软件设计 中控站与主机之间的通信主要有以下几点: 一接口,波特率 ,~位起始位,八位数 据位,一位奇校验位,一位停止位。 欲通信时,由主口方发送起始字节,若内 收到被叫方回应的如果没有收到回应,过再试, 若三次呼叫仍未收到回应,则提示通讯失败,就发送数 据字节。每发送完一字节后,延时 ,被叫方对收到的数据 进行奇校验,若发现错误,就回应,主叫方若收到, 重新发送该字节。若延时到未收到被叫方回应的,则继续 发送。 主机呼叫中控站时,发送的数据字节数由发送的第二 字节的低半字节指定。中控站设置成功后,回应,否则回 应,结束本次通讯。中控站呼叫主机时,每次发送两个数 据字节,发送完毕后,结束通讯。 主机请求与中控站通讯时,中控站工作在中断方式。中控笙互童兰笪塑墨竺 生 查窒塑叁堂堡?堂垡堡塞 站的丽中断处理子程序图如图所示。 图. 中控站,仃中断服务子程序流程图笙互垦皇曼塑墨篓鲨生 查奎堕叁堂堡主堂笪堡壅 图.中控站故障处理子程序流程图 中控站依次查询各从机工作状态,当从机回应故障信息 时,中控站就将故障信息发送给主机,以便操作者进行处理。 流程图见图?。此外,当锁相环失锁,产生而中断时,在笙互重兰笠塑重堕兰坠 立窒塑叁堂婴?堂堡堡奎 中断处理予程序中,也要调用该子程序 图. 中控站设置从机流程图笙互兰』墨生塑兰塑丛 互奎丝奎竺堕主堂堡堡兰 图中控站查询从机流程图 第斤章单片机系统设计 北方交通人学预学俺论文 二 中控站与从机通讯软件设计 中控站接收到主机的控制命令后,按照一定的通信协议发 给从机。中控站呼从机前置,发送一地址帧,从机接 收到的地址帧与本机地址相一致时,令,并本机地址做 为数据帧回送,否则保持。中控站确认后,置, 发送数据帧,从机接受完毕后,置。流程图见图.。 此外,中控站按顺序向各从机发送地址帧,以查询的方式 检查各从机控制的每路电源的工作状态,若有故障就调用故障 处理子程序通知主机。流程图见图。 图?频率设置子程序流程图