基于dsPIC30F的脈沖氙燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

隨著計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電子技術(shù)的發(fā)展，道路檢測(cè)車使得大規(guī)模、快速、準(zhǔn)確地獲取道路使用信息成為可能。檢測(cè)車上的攝像系統(tǒng)按攝像速度分為普通攝像機(jī)、高速攝像機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)，其中高速攝像機(jī)主要用于對(duì)路面的裂縫、坑槽等破壞狀況進(jìn)行圖像采集。然而在使用高速攝像機(jī)時(shí)，大多數(shù)檢測(cè)車采用的是持續(xù)照射的光源。由于光源的強(qiáng)度較低，在實(shí)際使用時(shí)往往需要增加曝光時(shí)間來達(dá)到高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)。因此，提高照射的光源強(qiáng)度可以提高圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。而脈沖氙燈就能解決光亮度與伴隨熱量的矛盾。它放電時(shí)發(fā)出強(qiáng)烈的光，但閃光持續(xù)時(shí)間很短，所以熱量影響較小。由于瞬時(shí)光能量大，圖像的層次還原較好[1]。
　　為了延長(zhǎng)脈沖氙燈的壽命，提高光電轉(zhuǎn)換效率，必須研制出適合脈沖氙燈的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了滿足脈沖氙燈工作時(shí)的起輝、預(yù)燃和高壓放電三個(gè)階段的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。脈沖氙燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用Microchip dsPIC30F為主控芯片。該芯片是一款將單片機(jī)與DSP技術(shù)相結(jié)合的高性能16位數(shù)字信號(hào)控制器，綜合了單片機(jī)（MCU）的控制功能和集成了多種外設(shè)的優(yōu)點(diǎn)，以及數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)處理吞吐能力[2]。此外，它在異常事件處理,軟件開發(fā)環(huán)境等方面也表現(xiàn)出強(qiáng)大的性能[3]。由于dsPIC30F芯片的內(nèi)部資源豐富，基于dsPIC30F平臺(tái)開發(fā)的脈沖氙燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要的外設(shè)很少，不但系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性能夠滿足脈沖氙燈在各種環(huán)境下運(yùn)行的要求，而且可以提高系統(tǒng)的靈活性，縮短開發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)成本。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
　　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在脈沖氙燈起輝時(shí)能夠提供足夠的輸入電壓(約5kV)使其發(fā)生輝光放電，在預(yù)燃及高壓放電時(shí)能夠提供穩(wěn)定的預(yù)燃電流(約100mA)及高壓放電電壓(1～3kV)。本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)四組并聯(lián)的脈沖氙燈，以dsPIC30F4011芯片為核心，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由dsPIC30F控制電路、高壓充放電電路、預(yù)燃電路、高壓起輝電路，面板輸出顯示及計(jì)算機(jī)通信接口構(gòu)成。

圖1 脈沖氙燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

dsPIC30F控制電路
　　dsPIC30F控制電路以dsPIC30F4011為主控芯片，主要實(shí)現(xiàn)脈沖氙燈工作時(shí)起輝、預(yù)燃和高壓放電三個(gè)階段時(shí)對(duì)相應(yīng)電路的工作進(jìn)行調(diào)節(jié)，以及對(duì)檢測(cè)和保護(hù)信號(hào)進(jìn)行處理和面板顯示?？刂齐娐飞想娺M(jìn)行主電控制，將220V/AC輸入電壓接入到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主回路，包括高壓充放電電路、預(yù)燃電路和高壓起輝電路。然后通過功率變換，即可輸出脈沖氙燈工作時(shí)三個(gè)階段所需要的電壓。
　　起輝時(shí)，控制電路使常閉觸點(diǎn)繼電器斷開，高壓起輝電路工作，發(fā)生輝光放電；起輝后，繼電器閉合，高壓起輝電路停止工作，預(yù)燃電路開始工作，輸出脈沖氙燈預(yù)燃工作時(shí)的維持電流；此后，脈沖氙燈的等效電阻逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)并保持恒定，由輝光放電過渡到弧光放電。
　　脈沖氙燈被預(yù)燃成功后，高壓充放電電路開始工作，控制電路下降沿同步觸發(fā)信號(hào)控制高壓充放電電路中的功率開關(guān)器件IGBT對(duì)充放電電容進(jìn)行充電。電容充電完成后，控制電路觸發(fā)可控硅導(dǎo)通使充放電電容放電，脈沖氙燈產(chǎn)生弧光頻閃現(xiàn)象。觸發(fā)信號(hào)分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)，內(nèi)觸發(fā)信號(hào)主要用于脈沖氙燈正常工作前的調(diào)試，一般頻率較低，由dsPIC30F4011內(nèi)部的定時(shí)器1輸出10Hz且負(fù)脈沖為0.2ms的內(nèi)觸發(fā)信號(hào)；外觸發(fā)信號(hào)來自于正常工作時(shí)的高速攝像機(jī)的同步信號(hào)，頻率到達(dá)30kHz，由dsPIC30F4011的輸入捕捉功能產(chǎn)生同步信號(hào)來控制高壓充放電電路。高壓充放電電路的輸出高壓則通過高壓大小給定輸入調(diào)節(jié)，由dsPIC30F4011內(nèi)部的10位A/D轉(zhuǎn)換模塊采集高壓大小給定輸入的模擬量，然后根據(jù)采集的數(shù)據(jù)輸出高壓大小給定值，從而可調(diào)節(jié)高壓充放電電路輸出1~3kV的高電壓。同時(shí)，dsPIC30F4011根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)在面板上顯示各種狀態(tài)及處理各種故障，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。
　　本系統(tǒng)可以通過計(jì)算機(jī)通信接口進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，由dsPIC30F4011的串口通信接口實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)停止，內(nèi)外觸發(fā)、高壓放充電調(diào)節(jié)及各種信號(hào)指示，從而可完全脫離對(duì)裝置的手動(dòng)操作。
起輝預(yù)燃電路
　　起輝預(yù)燃電路的原理如圖2所示，主電路由高頻推挽變換器、高頻變壓器、高壓?jiǎn)⑤x電路、UC3825控制電路、dsPIC30F控制電路、預(yù)燃檢測(cè)電路以及、輸入輸出整流濾波電路構(gòu)成。交流220V輸入電壓通過變壓器隔離，整流濾波后作為推挽變換器的輸入，推挽變換器將輸入電壓變換成高頻交流脈沖電壓，通過高頻變壓器完成電壓匹配和高頻隔離功能[4]；經(jīng)過輸出整流濾波環(huán)節(jié)后，dsPIC30F4011根據(jù)預(yù)燃檢測(cè)電路檢測(cè)到的電流信號(hào)控制繼電器輸出預(yù)燃電壓和高壓起輝電壓。UC3825控制電路由高速PWM控制器UC3825及外圍電路組成，根據(jù)推挽變換主電路反饋的電流信號(hào)，為開關(guān)器件提供PWM驅(qū)動(dòng)。

圖2 起輝預(yù)燃電路原理框圖