一种全光纤通信高功率微波源测控系统的制作方法

本实用新型属于信号处理控制技术领域，具体涉及一种全光纤通信高功率微波源测控系统。

背景技术：

高功率微波(HPM)源测控系统主要用于实现接收远程指控中心的工作参数和运行指令，完成现场HPM源及其相关设备的工作时序控制，同时将状态信息返回至指控中心进行显示和处理。HPM源测控系统一般采用以太网与指控中心通信，选用不同标准现场总线接口(RS485、CAN等)与受控单元连接，部分通过电/光转换处理经光纤连接，其余使用同轴电缆及屏蔽双绞线缆的电连接控制方式。在开展高功率微波及其相关技术研究的过程中，随着HPM源功率的进一步提高，系统产生的微波、高压放电、X射线、电子束强引导磁场等构成复杂的强电磁环境，对电网设备及附近的测控系统等电子单元造成电磁环境污染，导致功能性故障或永久损坏。因此，改进HPM源测控系统的抗电磁干扰设计，拓展其强电磁环境的适用性是HPM源测控系统研究中的重点之一。

HPM源系统工作时，由于现场测控系统与HPM源集成在一起，与受控单元多采用屏蔽线缆连接，因此影响测控系统的因素主要是：HPM源系统中大功率电力电子器件的频繁开关操作等将产生很陡的瞬态脉冲，高功率微波经天线辐射，其旁瓣、后瓣以及反射微波均可经近场耦合和远场辐射形成高频传导和辐射干扰，经过供电、接地、互连以及空间辐射等耦合到测控系统内。

技术实现要素：

为了克服现有的测控系统无法满足稳定工作于高功率微波源强电磁干扰环境的不足，本实用新型提供一种全光纤通信的测控系统，该系统基于全光纤数据通讯接口设计，不仅能可靠接受远程指控中心监控，还能够在HPM源强电磁环境稳定工作。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种全光纤通信高功率微波源测控系统，包括测控平台和光纤通信处理单元；

测控平台包括嵌入式控制处理器模块、时序信号产生模块、数字输入/输出模块、模拟信号输出模块、数据采集模块、串口通信模块和以太网通信接口模块；

光纤通信处理单元包括数字信号光电转换模块、模拟信号光电转换模块、串口光电转换模块和以太网光纤转换模块；

时序信号产生模块和数字输入/输出模块分别与数字信号光电转换模块连接；

模拟信号输出模块和数据采集模块分别与模拟信号光电转换模块连接；

串口通信模块与串口光电转换模块连接；

以太网通信接口模块与以太网光纤转换模块连接。

作为优选方式，时序信号产生模块采用Xilinx Virtex-5可重配置I/O(RIO)FPGA核心。

作为优选方式，数字输入/输出模块采用双向100ns高速数字输入/输出模块。

作为优选方式，模拟信号输出模块采用16位/±10V输出模块。

作为优选方式，串口通信模块采用RS422/RS485串行接口模块。

作为优选方式，数据采集模块采用16位差分隔离采集模块。

作为优选方式，以太网通信接口模块采用单模双纤千兆光纤收发器。

作为优选方式，光纤通信处理单元模拟信号光电转换模块采用基于V/F调制的光纤隔离传输器件。

作为优选方式，本实用新型还包括电磁屏蔽机柜，测控平台和光纤通信处理单元安装在电磁屏蔽机柜内；

电磁屏蔽机柜包括柜体和屏蔽门；

电磁屏蔽机柜柜体采用镀锌钢板焊接组装成箱体；

屏蔽门采用屏蔽簧片、冷轧钢板焊接组成门扇。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型与现有技术相比：由于测控系统采用了全光纤数据接口的数字化信息传输网络，切断了经信号传输及通信连接线缆形成的干扰途径。全光纤通信测控系统能很好地应用于包含初级储能、脉冲形成与传输、高功率微波产生和辐射等强电磁环境的高功率微波源系统中。

附图说明

图1是本实用新型的测控平台及光纤通信处理单元电路框图；

图中，1-测控平台，2-光纤通信处理单元，101-嵌入式控制处理器模块，102-时序信号产生模块，103-数字输入/输出模块，104-模拟信号输出模块，105-数据采集模块，106-串口通信模块，107-以太网通信接口模块，201-数字信号光电转换模块，202-模拟信号光电转换模块，203-串口光电转换模块，204-以太网光纤转换模块。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种全光纤通信高功率微波源测控系统，包括测控平台1和光纤通信处理单元2；

测控平台1包括嵌入式控制处理器模块101、时序信号产生模块102、数字输入/输出模块103、模拟信号输出模块104、数据采集模块105、串口通信模块106和以太网通信接口模块107；

光纤通信处理单元2包括数字信号光电转换模块201、模拟信号光电转换模块202、串口光电转换模块203和以太网光纤转换模块204；

时序信号产生模块102和数字输入/输出模块103分别与数字信号光电转换模块201连接；

模拟信号输出模块104和数据采集模块105分别与模拟信号光电转换模块202连接；

串口通信模块106与串口光电转换模块203连接；

以太网通信接口模块107与以太网光纤转换模块204连接。

测控平台1的网络通信接口接受上级指控中心发布的工作参数和运行指令，再通过测控平台1的各功能模块产生相应的开关操作、串口通信和时序控制，经光纤通信处理单元2的不同功能模块连接至受控单元，并返回上级指控中心运行信息。

在一个优选实施例中，时序信号产生模块102采用Xilinx Virtex-5可重配置I/O(RIO)FPGA核心，可实现逻辑控制、输入输出、定时、触发和同步设计。

在一个优选实施例中，数字输入/输出模块103采用双向100ns高速数字输入/输出模块，产生系统工作时序脉冲、开关控制信号，实时采集监测状态信息。

在一个优选实施例中，模拟信号输出模块104采用16位/±10V输出模块，产生高功率微波源初级电源和触发源等设备的工作电压等参数设置。

在一个优选实施例中，串口通信模块106采用RS422/RS485串行接口模块，与受控单元进行通讯以实现信息交换。

在一个优选实施例中，数据采集模块105采用16位差分隔离采集模块。

在一个优选实施例中，以太网通信接口模块107采用单模双纤千兆光纤收发器。

在一个优选实施例中，光纤通信处理单元2数字信号光电转换模块201工作波长为820nm，最高传输速率为5MdB，传输距离可达4km，被传送的数字信号以TTL电平形式经过驱动放大电路输入光发送器，接收端经过光接收器实现光电转换输出数字信号，光纤选用多模光纤。

在一个优选实施例中，光纤通信处理单元2模拟信号光电转换模块202采用基于V/F调制的光纤隔离传输器件，完成高功率微波源电压模拟信号的传输和电气隔离：基于频率调制的光纤隔离高压侧检测的直流信号经过V/F电路，转换成频率信号，然后通过频率信号去驱动光源；电/光(E/O)将电能转换成光能，耦合进光纤；光/电(O/E)将接收到的光信号转换成电信号(频率)，经过F/V恢复成原始的测量信号。

在一个优选实施例中，测控平台1通过以太网络通信接口模块连接单模双纤千兆光纤收发器(即以太网光纤转换模块204)进行传输信号的光电转换，通过RS422/RS485串行接口模块(即串口通信模块106)生成数据帧、指令帧，经过RS422/RS485转光纤模块(即串口光电转换模块203)转换成光信号进行通信。

测控平台1按实现功能通过紧凑型实时输入输出系统(CompactRIO)的RT和FPGA进行两层设计，其中，实时性要求较高的功能实现放在FPGA层，如：高功率微波源时序流程控制、I/O数据采集与输出、安全连锁与紧急故障自动处理、CAN总线通信等功能；

人机交互操作及实时性要求不高的功能放在RT层实现，如上/下位机网络通信、高功率微波源状态查询等。

FPGA层程序由上位机LabVIEW FPGA模块开发，采用FPGA Compile Worker编译生成比特位文件，通过以太网部署到FPGA机箱中；RT层程序由上位机LabVIEW Real-Time模块开发并部署到实时控制器中运行。

在一个优选实施例中，本实用新型还包括电磁屏蔽机柜，测控平台1和光纤通信处理单元2安装在电磁屏蔽机柜内(在20MHz～10GHz频率范围内屏蔽效能不小于60dB)；

电磁屏蔽机柜包括柜体和屏蔽门；

电磁屏蔽机柜柜体采用镀锌钢板焊接组装成箱体，经过镀锌与喷塑防腐蚀处理；

屏蔽门采用屏蔽簧片、冷轧钢板焊接组成门扇；

柜体和转接板之间填充双芯屏蔽丝网，其余缝隙部位采用屏蔽丝网；柜体内外通信信号以光缆形式通过专用光纤波导管引入；屏蔽通风窗做成截止波导形式，波导窗由多个小波导组成波导束，小波导截面形状为六角形，其插入衰减与屏蔽机柜指标一致。

采用单相隔离变压器提供屏蔽机柜的电源输入，减少主电网电压波动和高功率微波源线路串扰对测控系统的影响；同时，屏蔽机柜采用电源滤波器进一步抑制经过电源线缆引入的干扰噪声，其泄漏电流为mA级，压降小于1V，在14kHz到40GHz频率范围内，插入损耗达到100dB。由于采用了隔离变压器和电源滤波器等隔离滤波技术，抑制了经过电源线缆引入内部测控系统的干扰噪声；控制设备安放在电磁屏蔽机柜内，在要求的20MHz～10GHz频率范围内屏蔽效能均不小于60dB；控制系统地线分组敷设，可以将信号地与高压地分隔开，避免高功率微波源工作时接地线瞬时电位抬高损坏测控系统。

在一个优选实施例中，本实用新型的全光纤通信高功率微波源测控系统，包括测控平台1和光纤通信处理单元2。测控平台1包括嵌入式控制处理器模块101、时序信号产生模块102、数字输入/输出模块103、模拟信号输出模块104、数据采集模块105、串口通信模块106和以太网通信接口模块107；光纤通信处理单元2包括数字信号光电转换模块201、模拟信号光电转换模块202、串口光电转换模块203和以太网光纤转换模块204。测控平台1的嵌入式控制处理器模块101是核心，通过网络通信接口经以太网光纤转换模块204接收远程指控中心发布的工作参数和运行指令，通过数字输入/输出模块103经数字信号光电转换模块201产生相应的开关操作或状态采集，通过模拟信号输出模块104经模拟信号光电转换模块202输出参数设置，通过数据采集模块105经模拟信号光电转换模块202采集测量数据，通过串口通信模块106经串口光电转换模块203实现与高功率微波源受控单元的串口通信，并返回指控中心运行信息。

嵌入式控制处理器模块101采用紧固型实时控制器cRIO-9024作为嵌入式系统核心，时序信号产生和数字输入/输出模块103采用定时/计数及8通道双向100ns高速数字输入/输出模块NI 9401，模拟信号输出模块104采用NI 9263(16位，±10V模拟输出)，数据采集模块105采用NI 9205(16通道差分隔离输入)、串口通信模块106采用cRIO四端口RS422/RS485串行接口模块NI 9871，以太网光纤转换模块204采用单模双纤千兆光纤收发器HTB-GS-03，串口光电转换模块203采用RS422/RS485转光纤转换器ADAM-4541，光纤接口选用安华高科技(Avago Technology)的HFBR14XX/24XX系列——集成光电转换器HFBR-1414(发送)/HFBR-2412(接收)，模拟信号光电转换模块202采用VFC芯片LM331，光纤接头类型为ST，光纤采用62.5/125μm多模光纤(光纤信号波长820nm)。

对上述结构模块下的全光纤通信高功率微波源测控系统，开展了高功率微波源相关技术验证试验，在电子束源输出电压数百千伏，电流数十千安，功率GW量级，脉冲宽度百ns左右条件下得到如下结果：一种全光纤通信高功率微波源测控系统工作于1Hz～数十Hz，1s～数十s，长期重复工作稳定，性能可靠。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，应当指出的是，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。