多路高压放大器输出直流电压监测与显示系统设计

摘要：在自适应光学系统中，自适应控制器AD输出控制信号需要通过高压放大器放大成高压电驱动压电陶瓷变形镜，从而实现波前实时校正。在实际系统中，往往需要对高压放大器输出电压进行实时监测。本系统采用小体积单片机C8051F310作为控制器，采用专用电表芯片CS5460A作为核心测量芯片，实现了单板对20路0～500 V直流电压的实时监测与显示，线性度优于0．2％。
关键词：电压监测；CS5460A；高压放大器；自适应光学

0 引言
自适应光学系统由波前探测、波前控制、波前校正和监控系统组成。压电陶瓷变形镜是用于波前校正的核心元件，驱动压电陶瓷往往需要几百伏特的直流高压电。在实际系统中，自适应控制器AD输出的弱电信号通过高压放大器后产生可用于驱动压电陶瓷的高压电，出于系统安全和现场调试的需要，往往需要对高压放大器的输出电压进行高可靠性监测。基于这种需求，设计了一型直流电压监测与显示系统，实现了单板对20路0～500V直流电压的实时监测与显示，通过实际测试表明，系统工作稳定，可靠性高，测量精度高，全量程线性度优于0．2％。

1 系统硬件设计
1．1 核心芯片简介
本系统采用C8051F310单片机作为核心控制器，C8051F310器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具有高速流水线结构的CIP-51内核，工作频率可达25 MIPS，具有1 280 B片内RAM，具有片内上电复位，VDD监视器，看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F310是真正能独立工作的片上系统。
系统采用CS5460A作为核心测量芯片，CS5460A是具有有功功率计算引擎的CMOS单片功率测量芯片，它包含了两个增益可编程放大器、两个△-∑调制器、两个高速滤波器，具有系统校准和有效值／功率计算功能，以提供瞬时电压／电流／功率数据采样及有功能量、IRMS、VRMS的周期计算结果。
1．2 系统总体设计
系统框图如图1所示。输入高压经过精密电阻分压后，通过三个8路模拟开关切换20路输入信号电压，使用CS5460A分时采样与量化，输出20路电压测量值，一方面通过LCD实时显示，另一方面通过RS 485接口传送至上位机实时监测。

1．3 电压输入接口设计
对于0～150 V直流高压输入，需要对输入电压进行分压后才能进行采样，本设计中采用电阻分压电路，将动态范围达150 V的直流高压输入，转换为100 mV级的CS5460A采样电压，为了实现20路电压测量，选择3个74HC4051模拟开关分时选通20路输入电压。
具体电路图如图2所示。
图2中R1为750 kΩ2，0．5 W功率电阻，R2为620Ω电阻，为了满足系统线性度优于0．2％的要求，选择分压电阻R1，R2精度优于0．1％，温度系数优于25 ppm，从而实现了全动态范围精确采样。
1．4 CS5460A通信接口设计
CS5460A与单片机的通信接口为标准SPI接口，共由4根线组成，CS5460A有4条串行接口线：CS，SDI，SDO和SCLK。其中CS为片选控制线，低电平有效；SDI为串行数据输入线；SDO为串行数据输出线，当CS为高电平时，SDO端呈高阻状态；SCLK为串行时钟，用于控制CS5460A与微控制器之间数据传输的同步；RESET为外部复位接口，单片机可通过它来控制C85460A的复位。
1．5 LCD显示与RS 485接口设计
本系统选择LM320160CCW型液晶显示器作为系统显示界面，LM320160CCW是320×160全图形点阵的液晶显示模块。支持并口通信，内置升压电路，模块显示屏由内置的主控芯片S1D13700控制，可靠性高，指令简单，易于操作。可以有效显示20路采集电压，液晶显示器与单片机接口电路如图3所示。

本设计中选择RS 485电气标准作为上位机通信接口电路，RS 485接口作为标准半双工网络接口，一般采用两线制，以两线间正压差+0．2～+6 V表示逻辑1，以负压差-0．2～+6 V表示逻辑0。RS 485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。最大的通信距离约为1 219 m，最大传输速率为10 Mb／s。RS 485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点。RS 485电路图如图4所示。
使用MAX487EESA芯片作为485电平转换芯片，最大数据率为250 Kb／s，最多可以驱动128个有效负载，工作温度为-40～+85℃。RS 485接口信号线通过磁偶芯片ADuM1201，实现电气隔离，485总线接口使用专用TVS管SM712实现ESD保护，出于信号完整性考虑，485电平输出端采用差分120 Ω，单端50 Ω阻抗匹配。

2 系统软件设计
系统软件主要由CS5460A校准程序以及测量主程序两个部分组成。
CS5460A提供了方便的数字校准功能，可以实现电压通道直流偏置校准和直流增益校准。对于校准程序必须首先进行偏置校准，在20路电压输入端均给出参考0电位，运行偏置校准程序，其程序流程图如图5所示。