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基于dsPIC30F4011高性能数字信号控制器的脉冲氙灯驱动系统
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2017-10-25
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随着计算机、机械、电子技术的发展，道路检测车使得大规模、快速、准确地获取道路使用信息成为可能。检测车上的摄像系统按摄像速度分为普通摄像机、高速摄像机和数码摄像机，其中高速摄像机主要用于对路面的裂缝、坑槽等破坏状况进行图像采集。然而在使用高速摄像机时，大多数检测车采用的是持续照射的光源。由于光源的强度较低，在实际使用时往往需要增加曝光时间来达到高质量的图像数据。因此，提高照射的光源强度可以提高图像数据的质量。而脉冲氙灯就能解决光亮度与伴随热量的矛盾。它放电时发出强烈的光，但闪光持续时间很短，所以热量影响较小。由于瞬时光能量大，图像的层次还原较好［1］。
为了延长脉冲氙灯的寿命，提高光电转换效率，必须研制出适合脉冲氙灯的驱动系统。本文设计了满足脉冲氙灯工作时的起辉、预燃和高压放电三个阶段的驱动系统。脉冲氙灯驱动系统采用Microchip dsPIC30F为主控芯片。该芯片是一款将单片机与DSP技术相结合的高性能16位数字信号控制器，综合了单片机（MCU）的控制功能和集成了多种外设的优点，以及数字信号处理器（DSP）的计算能力和数据处理吞吐能力［2］。此外，它在异常事件处理，软件开发环境等方面也表现出强大的性能［3］。由于dsPIC30F芯片的内部资源丰富，基于dsPIC30F平台开发的脉冲氙灯驱动系统需要的外设很少，不但系统的抗干扰性和可靠性能够满足脉冲氙灯在各种环境下运行的要求，而且可以提高系统的灵活性，缩短开发时间，降低开发成本。
驱动系统的硬件设计
驱动系统在脉冲氙灯起辉时能够提供足够的输入电压（约5kV）使其发生辉光放电，在预燃及高压放电时能够提供稳定的预燃电流（约100mA）及高压放电电压（1～3kV）。本系统驱动四组并联的脉冲氙灯，以dsPIC30F4011芯片为核心，硬件结构图如图1所示，主要由dsPIC30F控制电路、高压充放电电路、预燃电路、高压起辉电路，面板输出显示及计算机通信接口构成。
图1 脉冲氙灯驱动系统硬件结构图
dsPIC30F控制电路
dsPIC30F控制电路以dsPIC30F4011为主控芯片，主要实现脉冲氙灯工作时起辉、预燃和高压放电三个阶段时对相应电路的工作进行调节，以及对检测和保护信号进行处理和面板显示。控制电路上电进行主电控制，将220V/AC输入电压接入到驱动系统的主回路，包括高压充放电电路、预燃电路和高压起辉电路。然后通过功率变换，即可输出脉冲氙灯工作时三个阶段所需要的电压。
起辉时，控制电路使常闭触点继电器断开，高压起辉电路工作，发生辉光放电；起辉后，继电器闭合，高压起辉电路停止工作，预燃电路开始工作，输出脉冲氙灯预燃工作时的维持电流；此后，脉冲氙灯的等效电阻逐渐达到稳态并保持恒定，由辉光放电过渡到弧光放电。
脉冲氙灯被预燃成功后，高压充放电电路开始工作，控制电路下降沿同步触发信号控制高压充放电电路中的功率开关器件IGBT对充放电电容进行充电。电容充电完成后，控制电路触发可控硅导通使充放电电容放电，脉冲氙灯产生弧光频闪现象。触发信号分为内触发和外触发，内触发信号主要用于脉冲氙灯正常工作前的调试，一般频率较低，由dsPIC30F4011内部的定时器1输出10Hz且负脉冲为0.2ms的内触发信号；外触发信号来自于正常工作时的高速摄像机的同步信号，频率到达30kHz，由dsPIC30F4011的输入捕捉功能产生同步信号来控制高压充放电电路。高压充放电电路的输出高压则通过高压大小给定输入调节，由dsPIC30F4011内部的10位A/D转换模块采集高压大小给定输入的模拟量，然后根据采集的数据输出高压大小给定值，从而可调节高压充放电电路输出1~3kV的高电压。同时，dsPIC30F4011根据检测到的信号在面板上显示各种状态及处理各种故障，从而使系统工作稳定可靠。
本系统可以通过计算机通信接口进行远程控制，由dsPIC30F4011的串口通信接口实现启动停止，内外触发、高压放充电调节及各种信号指示，从而可完全脱离对装置的手动操作。
起辉预燃电路
起辉预燃电路的原理如图2所示，主电路由高频推挽变换器、高频变压器、高压启辉电路、UC3825控制电路、dsPIC30F控制电路、预燃检测电路以及、输入输出整流滤波电路构成。交流220V输入电压通过变压器隔离，整流滤波后作为推挽变换器的输入，推挽变换器将输入电压变换成高频交流脉冲电压，通过高频变压器完成电压匹配和高频隔离功能［4］；经过输出整流滤波环节后，dsPIC30F4011根据预燃检测电路检测到的电流信号控制继电器输出预燃电压和高压起辉电压。UC3825控制电路由高速PWM控制器UC3825及外围电路组成，根据推挽变换主电路反馈的电流信号，为开关器件提供PWM驱动。
图2 起辉预燃电路原理框图
高压充放电电路
高压充放电电路的原理如图3所示，主电路由IGBT组成的全桥变换器、电容充放电电路、UCC3895控制电路、dsPIC30F控制电路、过流保护、放电检测及输入输出整流滤波电路构成。交流电220V输入经过二极管全桥整流后由电容高压滤波，全桥变换器将输入电压变换成高频交流脉冲电压，通过高频变压器完成电压匹配和高频隔离功能，然后经过输出整流给充放电电容充电。电容充电完成后，dsPIC30F4011触发可控硅VT1控制电容通过脉冲氙灯放电，产生弧光频闪。同时dsPIC30F控制电路根据过流保护及放电检测的信号封锁IGBT及处理故障。
为了延长脉冲氙灯的寿命，提高光电转换效率，必须研制出适合脉冲氙灯的驱动系统。本文设计了满足脉冲氙灯工作时的起辉、预燃和高压放电三个阶段的驱动系统。脉冲氙灯驱动系统采用Microchip dsPIC30F为主控芯片。该芯片是一款将单片机与DSP技术相结合的高性能16位数字信号控制器，综合了单片机（MCU）的控制功能和集成了多种外设的优点，以及数字信号处理器（DSP）的计算能力和数据处理吞吐能力［2］。此外，它在异常事件处理，软件开发环境等方面也表现出强大的性能［3］。由于dsPIC30F芯片的内部资源丰富，基于dsPIC30F平台开发的脉冲氙灯驱动系统需要的外设很少，不但系统的抗干扰性和可靠性能够满足脉冲氙灯在各种环境下运行的要求，而且可以提高系统的灵活性，缩短开发时间，降低开发成本。
驱动系统的硬件设计
驱动系统在脉冲氙灯起辉时能够提供足够的输入电压（约5kV）使其发生辉光放电，在预燃及高压放电时能够提供稳定的预燃电流（约100mA）及高压放电电压（1～3kV）。本系统驱动四组并联的脉冲氙灯，以dsPIC30F4011芯片为核心，硬件结构图如图1所示，主要由dsPIC30F控制电路、高压充放电电路、预燃电路、高压起辉电路，面板输出显示及计算机通信接口构成。
图1 脉冲氙灯驱动系统硬件结构图
dsPIC30F控制电路
dsPIC30F控制电路以dsPIC30F4011为主控芯片，主要实现脉冲氙灯工作时起辉、预燃和高压放电三个阶段时对相应电路的工作进行调节，以及对检测和保护信号进行处理和面板显示。控制电路上电进行主电控制，将220V/AC输入电压接入到驱动系统的主回路，包括高压充放电电路、预燃电路和高压起辉电路。然后通过功率变换，即可输出脉冲氙灯工作时三个阶段所需要的电压。
起辉时，控制电路使常闭触点继电器断开，高压起辉电路工作，发生辉光放电；起辉后，继电器闭合，高压起辉电路停止工作，预燃电路开始工作，输出脉冲氙灯预燃工作时的维持电流；此后，脉冲氙灯的等效电阻逐渐达到稳态并保持恒定，由辉光放电过渡到弧光放电。
脉冲氙灯被预燃成功后，高压充放电电路开始工作，控制电路下降沿同步触发信号控制高压充放电电路中的功率开关器件IGBT对充放电电容进行充电。电容充电完成后，控制电路触发可控硅导通使充放电电容放电，脉冲氙灯产生弧光频闪现象。触发信号分为内触发和外触发，内触发信号主要用于脉冲氙灯正常工作前的调试，一般频率较低，由dsPIC30F4011内部的定时器1输出10Hz且负脉冲为0.2ms的内触发信号；外触发信号来自于正常工作时的高速摄像机的同步信号，频率到达30kHz，由dsPIC30F4011的输入捕捉功能产生同步信号来控制高压充放电电路。高压充放电电路的输出高压则通过高压大小给定输入调节，由dsPIC30F4011内部的10位A/D转换模块采集高压大小给定输入的模拟量，然后根据采集的数据输出高压大小给定值，从而可调节高压充放电电路输出1~3kV的高电压。同时，dsPIC30F4011根据检测到的信号在面板上显示各种状态及处理各种故障，从而使系统工作稳定可靠。
本系统可以通过计算机通信接口进行远程控制，由dsPIC30F4011的串口通信接口实现启动停止，内外触发、高压放充电调节及各种信号指示，从而可完全脱离对装置的手动操作。
起辉预燃电路
起辉预燃电路的原理如图2所示，主电路由高频推挽变换器、高频变压器、高压启辉电路、UC3825控制电路、dsPIC30F控制电路、预燃检测电路以及、输入输出整流滤波电路构成。交流220V输入电压通过变压器隔离，整流滤波后作为推挽变换器的输入，推挽变换器将输入电压变换成高频交流脉冲电压，通过高频变压器完成电压匹配和高频隔离功能［4］；经过输出整流滤波环节后，dsPIC30F4011根据预燃检测电路检测到的电流信号控制继电器输出预燃电压和高压起辉电压。UC3825控制电路由高速PWM控制器UC3825及外围电路组成，根据推挽变换主电路反馈的电流信号，为开关器件提供PWM驱动。
图2 起辉预燃电路原理框图
高压充放电电路
高压充放电电路的原理如图3所示，主电路由IGBT组成的全桥变换器、电容充放电电路、UCC3895控制电路、dsPIC30F控制电路、过流保护、放电检测及输入输出整流滤波电路构成。交流电220V输入经过二极管全桥整流后由电容高压滤波，全桥变换器将输入电压变换成高频交流脉冲电压，通过高频变压器完成电压匹配和高频隔离功能，然后经过输出整流给充放电电容充电。电容充电完成后，dsPIC30F4011触发可控硅VT1控制电容通过脉冲氙灯放电，产生弧光频闪。同时dsPIC30F控制电路根据过流保护及放电检测的信号封锁IGBT及处理故障。
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