CN105527902B - 脉冲采样接口系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种脉冲采样接口系统，包括：上位机、取样接口板和固态脉冲功率源；所述上位机，给所述取样接口板发送指令；所述取样接口板，从所述上位机接收所述指令；并根据所述指令给所述固态脉冲功率源发送所述指令以对所述固态脉冲功率源的工作状态进行控制；或者根据所述指令读取所述固态脉冲功率源的信号来检测所述固态脉冲功率源的工作状态。本发明能够对固态脉冲功率源进行实时监测或者控制。

Description

脉冲采样接口系统

技术领域

本发明涉及电器设备领域，尤其涉及一种脉冲采样接口系统。

背景技术

固态功率源在对腔体进行老练，经常用脉冲信号，固态功率源必须给出稳定的功率输出。因此，在工作中要对脉冲信号、连续波信号进行实时控制和测量。

发明内容

本发明的实施例提供了一种脉冲采样接口系统，能够对固态脉冲功率源进行实时监测或者控制。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种脉冲采样接口系统，包括：

上位机、取样接口板和固态脉冲功率源；

所述上位机，给所述取样接口板发送指令；

所述取样接口板，从所述上位机接收所述指令；并根据所述指令给所述固态脉冲功率源发送所述指令以对所述固态脉冲功率源的工作状态进行控制；或者根据所述指令读取所述固态脉冲功率源的信号来检测所述固态脉冲功率源的工作状态；

所述取样接口板包括：单片机、FPGA、D/A模块、A/D模块以及第一输出模块；

所述单片机，接收上位机的检测指令，并发送给所述FPGA；

所述FPGA，根据所述检测指令，接收所述固态脉冲功率源的时钟信号作为基准时钟信号；所述FPGA在所述基准时钟信号到来时开始计时，延时计时预订时长后到达测量点时，给所述A/D模块发送控制命令，使得所述A/D模块对所述固态脉冲功率源的输出信号进行采样；

所述FPGA，对采样后的所述输出信号进行编译，并发送给所述D/A模块；

所述D/A模块，对编译后的所述输出信号进行处理，生成采样后的电压值并，并发送给所述第一输出模块；

所述第一输出模块，输出所述采样后的电压值。

所述的系统，还包括：运算放大器；

所述第一输出模块通过所述运算放大器与所述D/A模块连接；

所述运算放大器对所述采样后的电压值进行放大，生成放大后的采样后的电压值；

所述第一输出模块，输出放大后的所述采样后的电压值。

所述取样接口板包括：单片机、FPGA、A/D模块以及第二输出模块；

所述单片机，接收上位机的检测指令，并发送给所述FPGA；

所述FPGA，接收所述固态脉冲功率源的时钟信号作为基准时钟信号；所述FPGA在所述基准时钟信号到来时开始计时，延时计时预订时长后到达测量点后，给所述A/D模块发送控制命令，使得所述A/D模块对所述固态脉冲功率源的输出信号进行采样生成测量点的电压值，并发送给所述FPGA；

所述FPGA还用于，将所述测量点的电压值发送给所述单片机；

所述单片机还用于，将所述测量点的电压值发送给上位机，使得所述上位机根据所述测量点的电压值生成功率值；从所述上位机接收所述功率值，发送给所述第二输出模块；

所述第二输出模块，输出所述功率值。

所述FPGA接收所述固态脉冲功率源的时钟信号作为基准时钟信号具体为：

所述固态脉冲功率源输出的时钟信号，经电压比较器处理后输出给所述FPGA，作为所述FPGA的基准时钟信号，使得所述固态脉冲功率源输出的时钟信号高于阈值时，所述基准时钟信号为高电平，所述固态脉冲功率源输出的时钟信号低于预定阈值时，所述基准时钟信号为低电平。

所述输出信号为所述固态脉冲功率源的入射功率信号或所述固态脉冲功率源的反射功率信号。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例中，所述取样接口板，从所述上位机接收所述指令；并根据所述指令给所述固态脉冲功率源发送所述指令以对所述固态脉冲功率源的工作状态进行控制；或者根据所述指令读取所述固态脉冲功率源的信号来检测所述固态脉冲功率源的工作状态，能够对固态脉冲功率源进行实时监测或者控制。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种脉冲采样接口系统的连接示意图；

图2为本发明一实施例提供的脉冲采样接口系统的连接示意图；

图3为本发明另一实施例提供的脉冲采样接口系统的连接示意图；

图4为本发明实施例的脉冲采样接口系统中计频模块的原理示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示，为本发明的一种脉冲采样接口系统，包括：上位机11、取样接口板12和固态脉冲功率源13；

所述上位机11，给所述取样接口板12发送指令；

所述取样接口板12，从所述上位机11接收所述指令；并根据所述指令给所述固态脉冲功率源13发送所述指令以对所述固态脉冲功率源的工作状态进行控制；或者根据所述指令读取所述固态脉冲功率源13的信号来检测所述固态脉冲功率源13的工作状态。

也就是说，所述取样接口板12输出或者控制固态脉冲功率源的状态，也可以测试固态脉冲功率源的功率等信号。

另外，所述取样接口板12也可以将固态脉冲功率源的工作状态发送给上位机，工作状态信号可以为固态脉冲功率源的信号的采样信息。

在第一个实施例中，如图2所示，所述取样接口板12包括：单片机121、FPGA 122、D/A模块123、A/D模块124以及第一输出模块125；

所述单片机121，接收所述上位机的检测指令，并发送给所述FPGA；

所述FPGA 122，根据所述检测指令，控制所述D/A模块以及所述A/D模块进行处理；

所述A/D模块123，根据所述FPGA的检测指令，对所述固态脉冲功率源的输出信号进行采样，并发送给所述FPGA；

所述FPGA 122，对采样后的所述输出信号进行编译，并发送给所述D/A模块；

所述D/A模块124，对编译后的所述输出信号进行处理，生成采样后的电压值，并发送给所述第一输出模块125；

所述第一输出模块125，输出所述采样后的电压值。输出模块可以为显示屏、功率表等。

在第二个实施例中，如图2所示，所述取样接口板12包括：单片机121、FPGA 122、A/D模块123、D/A模块124、以及第一输出模块125；

所述单片机121，接收上位机的检测指令，并发送给所述FPGA；

所述FPGA 122，根据所述检测指令，接收所述固态脉冲功率源的时钟信号作为基准时钟信号；所述FPGA在所述基准时钟信号到来时开始计时，延时计时预订时长后到达测量点时，给所述A/D模块发送控制命令，使得所述A/D模块对所述固态脉冲功率源的输出信号进行采样；

所述FPGA 123，对采样后的所述输出信号进行编译，并发送给所述D/A模块；

所述D/A模块124，对编译后的所述输出信号进行处理，生成采样后的电压值，并发送给所述第一输出模块125；

所述第一输出模块125，输出所述采样后的电压值。

在第一和第二实施例中，所述系统还可以包括：运算放大器126；

所述输出模块125通过所述运算放大器126与所述D/A模块124连接；

所述运算放大器126，对所述采样后的电压值进行放大，生成放大后的采样后的电压值；

所述第一输出模块125，输出放大后的所述采样后的电压值。

在第三个实施例中，如图3所示，所述取样接口板12包括：单片机121、FPGA122、A/D模块123以及第二输出模块127；

所述单片机121，接收上位机的检测指令，并发送给所述FPGA；

所述FPGA122，根据所述检测指令，控制所述A/D模块的处理；

所述A/D模块123，根据所述检测指令，对所述固态脉冲功率源的输出信号进行采样，生成测量点的电压值，并发送给所述FPGA；

所述FPGA122还用于，将所述测量点的电压值发送给所述单片机；

所述单片机121还用于，将所述测量点的电压值发送给上位机，使得所述上位机根据所述测量点的电压值生成功率值；从所述上位机接收所述功率值，发送给所述第二输出模块；单片机可以通过外设i/o口spi串行外设接口发给第二显示模块。

所述第二输出模块127，输出所述功率值.

在第四个实施例中，如图3所示，所述取样接口板12包括：单片机121、FPGA122、A/D模块123以及第二输出模块127；

所述单片机121，接收上位机的检测指令，并发送给所述FPGA；

所述FPGA122，接收所述固态脉冲功率源的时钟信号作为基准时钟信号；所述FPGA在所述基准时钟信号到来时开始计时，延时计时预订时长后到达测量点后，给所述A/D模块发送控制命令，使得所述A/D模块对所述固态脉冲功率源的输出信号进行采样生成测量点的电压值，并发送给所述FPGA；

所述FPGA122还用于，将所述测量点的电压值发送给所述单片机；

所述单片机121还用于，将所述测量点的电压值发送给上位机，使得所述上位机根据所述测量点的电压值生成功率值；从所述上位机接收所述功率值，发送给所述第二输出模块；

所述第二输出模块，输出所述功率值。

上述实施例中，所述输出信号为所述固态脉冲功率源的入射功率信号或所述固态脉冲功率源的反射功率信号。

上述实施例中，所述系统还可以包括：存储模块128，与单片机连接。可以要把当前状态实时记录下来，达到掉电信息内容不丢失。存储模块实时更新，通过单片机串行外设接口smbus与外挂芯片进行高速同步数据传输，当开机后可调出存储内容，方便使用者状态查询。

其中，上述实施例中，在所述FPGA接收所述固态脉冲功率源的时钟信号作为基准时钟信号具体为：

所述固态脉冲功率源输出的时钟信号，经电压比较器处理后输出给所述FPGA，作为所述FPGA的基准时钟信号，使得所述固态脉冲功率源输出的时钟信号高于阈值时，所述基准时钟信号为高电平，所述固态脉冲功率源输出的时钟信号低于预定阈值时，所述基准时钟信号为低电平。

以下描述本发明的应用场景。

现有技术中，对于脉冲的测量一直采用示波器进行测量，测量脉冲功率普遍使用平均指示，对有脉冲部分对电容充电，在无脉冲部分(下降部分无脉冲电压)电容保持现有电压，等下一个脉冲来临再进行充电。这种方法就是必须使用一只大电容，采用大电容的方式采集直流电压进行功率显示，脉冲的上升沿遭到破坏，不能反映脉冲的真实状态，因此在使用上受到了局限。

本发明可以完成固态脉冲功率源的整机脉冲功率指示测量、给出保护信息等。本发明可以给出整机的功率指示，并上传上位机；同时上位机发出命令给取样接口板，对取样接口板进行操作，取样接口板给出接点和现在的工作状态信息(如本控状态还是远控状态、继电器状态、光收光发状态、锁定状态等)，并上传上位机。同时，可通过输出模块显示当前功率状态。也就是说，本发明的取样接口板能够对任意点脉冲进行测量，即对脉冲的上升沿、下降沿及平顶电压进行测量，同时，还可对连续波进行测量。

本发明的脉冲取样接口板主要是以单片机(新华龙C8051040)和FPGA(spartan2)作为输出脉冲信号的逻辑控制核心，搭建硬件设计平台。在工作时，参考端测量脉冲的频率，建立取样基点，以此定位对测量脉冲进行测量，给出电压值。

上位机的状态显示内容可以为：当正常时，保护、锁定、光收、继电器1、继电器2为绿灯，本控和远控只能有一个是绿灯，一个是红灯。当某一路不正常时，保护、锁定、光收、继电器1、继电器2中的一路为红灯。

可以根据基准脉冲来设置在多少微秒后采样，当用户按下“设置”按钮，则测量当前电压值。同时，当前值会显示“设置“后的结果。由于脉冲取样接口板具有实时存储功能，保证掉电也能存储下使用者前一刻的使用状态。当前值在不设置时，显示正在使用的测量的脉冲周期。

上位机可以向单片机发送测量控制数据、本控、远控、锁定、继电器1、2、光收、保护等命令，单片机接收到指令后，把数据传送给FPGA，FPGA立即解析指令信息，一方面执行本控、远控、锁定、继电器1、2、光收、保护指令让开关动作，另一方面计算延时时间(delay)，确定测量点(10us后的pulse)，在基准时钟信号(standard)到来时开始计时，延时计时到达测量点后，立即发送控制命令给A/D模块进行接口1、2、3、4的采样工作。采样完成后，A/D模块把测量点电压值回传给FPGA,FPGA再传输给单片机，单片机通过串口回传给上位机，实现了脉冲信号的实时测量。同时，FPGA也可根据采样的电压值进行编译，再通过D/A模块输出；此处设计的输出接口可以为8路。单片机还可通过I2C把处理后的电压值转化为功率值显示到数码显示板上。另外，存储模块中存储的控制参数不仅保证参数掉电不丢失，还可以供上位机查询。

如图4所示，本发明采用25M晶振输入FPGA作为全系统时钟(CLK)，当基准脉冲到来时(如delay 10us处需要1个时钟周期)，则在一个时钟周期后，对Pulse进行上升沿采样，所以每次上位机只需传递需要多少个全系统时钟周期数，即可准确找到测量点。

本发明的取样接口板可以测量脉冲，特别是对以基准点为基础测量脉冲，可对5路信号同时测量。

本发明中，上位机通过通讯模块下发通讯命令给单片机，采用MAX3071EESA电平转换芯片和ADUM1201隔离芯片与单片机的uart通讯接口配合。上位机下发通讯命令给单片机的协议内容如下：

由于外部输入时钟晶振为25M，上位机下发计数器计数个数需先转化成纳秒后再除以40传输。单片机解析上位机下发的数据，打包传入FPGA，FPGA把计算完整的counting值传给D/A转换模块，实现测量过程。

由于需要显示功率信息，并且会显示功率值的小数点位，外接硬件为4位数码管，所以上位机把计算好的功率信息和小数点位分别传递给单片机，单片机通过spi端口显示功率信息。

同时，由于在可视界面上，可人为下达保护、复位、本控、远控命令，如当在可视界面上点击保护命令，保护命令会通过uart下发给单片机，单片机把命令传输给FPGA，FPGA再输出电压给光耦驱动继电器动作。

如果地址设置为0x01上位机下发数据给单片机，如果地址改为0x02，则下位机回传数据信息。表1如下：

下位机回传上位机

例如：当实际频率值为40Hz时，下位机回传上位机传输值为400(频率L＝0X90，频率H＝0x01)，需除以10，得到实际频率值；功率值则是根据传输数据量的小数点位来判断，1：除以1000,0：除以100得到，功率单位为千瓦；

表2

表3

表3中，如输入功率为8.210KW则输入功率小数点位为1，如输入功率为25.1KW，则输入功率有效位为0，输出功率同输入功率。

A/D转换模块

4路信号通过AD7933采样，把模拟信号转换成数字信号，FPGA与AD7933采样时钟均为外部晶振25M给出。首先配置寄存器设置为轮流采样1、2、3、4接口，然后当输入激励到来时开始计时，到达上位机下发的counting值后，再把CS、RD端拉低以读取信号，这样可调节counting值，测量一个周期内采样点的状态。

D/A转换模块、

当A/D模块采样到4个端口输入状态后，需把采样的电压转换为实际的功率值(实际也是电压值)给功率表用于状态显示。在电压采样过程中，电压与实际功率呈线性关系，可根据实际需要在FPGA中做加减运算(根据信号损耗情况)，完成功率显示过程。同时，在本设计电路中，D/A模块后接运算放大器LM358,，使输出电压从0-3.3V扩大到0-15V，并达到隔离效果。

计频模块

电路设计采用lm393与fpga时钟口相连，lm393基准电压为0.066v,高出基准电压输入FPGA为高电平，低于基准电压输入则为0V，用此法把输入电压控制在0-3.3V，处理成FPGA所能接收的0-3.3V电压，保证FPGA顺利检测到。根据外部输入时钟晶振为25M，测算1s内FPGA检测到输入脉冲的频率X，实际公式为：X＝1/(40ns*Fx)

Fx	Ns
		x	25M

采样模块

本发明采样端口硬件电路设计有本控、远控、复位、光收、继电器1、继电器2、锁定。FPGA原始输出为3.3V，当驱动控制命令到来时，FPGA输出0V，通过D32光耦控制继电器动作，同时D23、24光耦会采样控制信息，实时传回控制状态。同时，在回传端设有led小灯，方便使用者调试。

单片机与FPGA数据交换

硬件电路设计上采用8路输入8路输出并行通信。当单片机为写入数据时，会检测到FPGA传入第8位和第7位是01，剩余位为传输编号如(000000)，那么下一拍即为传入数据。下面是写入fpga传输协议

当单片机为读出数据时，会检测到FPGA传入第8位和第7位是10，剩余位为传输编号，如(000000)那么下一拍第八位和第七位变为00，后六位为传入数据。下面是读出FPGA传输协议

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种脉冲采样接口系统，其特征在于，包括：上位机、取样接口板和固态脉冲功率源；

所述上位机，给所述取样接口板发送指令；

所述取样接口板，从所述上位机接收所述指令；并根据所述指令给所述固态脉冲功率源发送所述指令以对所述固态脉冲功率源的工作状态进行控制；或者根据所述指令读取所述固态脉冲功率源的输出信号来检测所述固态脉冲功率源的工作状态；

所述取样接口板包括：单片机、FPGA、D/A模块、A/D模块以及第一输出模块；

所述单片机，接收上位机的检测指令，并发送给所述FPGA；

所述FPGA，根据所述检测指令，接收所述固态脉冲功率源的时钟信号作为基准时钟信号；所述FPGA在所述基准时钟信号到来时开始计时，延时计时预订时长后到达测量点时，给所述A/D模块发送控制命令，使得所述A/D模块对所述固态脉冲功率源的输出信号进行采样；

所述FPGA，对采样后的所述输出信号进行编译，并发送给所述D/A模块；

所述D/A模块，对编译后的所述输出信号进行处理，生成采样后的电压值并，并发送给所述第一输出模块；

所述第一输出模块，输出所述采样后的电压值。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：运算放大器；

所述第一输出模块通过所述运算放大器与所述D/A模块连接；

所述运算放大器对所述采样后的电压值进行放大，生成放大后的采样后的电压值；

所述第一输出模块，输出放大后的所述采样后的电压值。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述取样接口板包括：单片机、FPGA、A/D模块以及第二输出模块；

所述单片机，接收上位机的检测指令，并发送给所述FPGA；

所述FPGA，接收所述固态脉冲功率源的时钟信号作为基准时钟信号；所述FPGA在所述基准时钟信号到来时开始计时，延时计时预订时长后到达测量点后，给所述A/D模块发送控制命令，使得所述A/D模块对所述固态脉冲功率源的输出信号进行采样生成测量点的电压值，并发送给所述FPGA；

所述FPGA还用于，将所述测量点的电压值发送给所述单片机；

所述单片机还用于，将所述测量点的电压值发送给上位机，使得所述上位机根据所述测量点的电压值生成功率值；从所述上位机接收所述功率值，发送给所述第二输出模块；

所述第二输出模块，输出所述功率值。

4.根据权利要求1或3所述的系统，其特征在于，所述FPGA接收所述固态脉冲功率源的时钟信号作为基准时钟信号具体为：

所述固态脉冲功率源输出的时钟信号，经电压比较器处理后输出给所述FPGA，作为所述FPGA的基准时钟信号，使得所述固态脉冲功率源输出的时钟信号高于阈值时，所述基准时钟信号为高电平，所述固态脉冲功率源输出的时钟信号低于预定阈值时，所述基准时钟信号为低电平。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述输出信号为所述固态脉冲功率源的入射功率信号或所述固态脉冲功率源的反射功率信号。