采用單片機C8051F060的智能功率柜的原理及設(shè)計

概述：簡要介紹了智能勵磁功率柜的概念及C8051F060單片機的特點，詳細論述了基于C8051F060的智能勵磁功率柜的結(jié)構(gòu)、原理以及與CAN總線通信的實現(xiàn)方法。該控制方案系統(tǒng)集成度高、硬件簡單、工作可靠，具有很好的推廣價值。

１　引言

目前，國產(chǎn)的勵磁功率柜普遍存在檢測功能不全、信息傳送技術(shù)、控制和檢測技術(shù)落后等問題。為了解決這一問題，本文給出了通過采用高集成度單片機Ｃ８０５１Ｆ０６０實現(xiàn)的智能勵磁功率柜與ＣＡＮ總線的通信方法，該方案具有完備的檢測、控制和通信功能。

２　Ｃ８０５１Ｆ０６０單片機的特點

Ｃ８０５１ＦＸＸ系列單片機是美國ＣＹＧＮＡＬ公司推出的一種與５１系列單片機內(nèi)核兼容的單片機。僅就筆者對Ｃ８０５１Ｆ０６０的使用實踐介紹一下其新特點：

（１）內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，速度可達２５ＭＩＰＳ（２５ＭＨｚ晶振），比普通的５１單片機快１０倍；其指令與標準系列５１單片機兼容，因而掌握開發(fā)過程非常容易；該芯片的ＪＴＡＧ調(diào)試方式支持在系統(tǒng)、全速、非插入調(diào)試和編程，且不占用片內(nèi)資源。

（２）片上集成有６４ｋＢ Ｆｌａｓｈ、４３５２Ｂ內(nèi)部ＲＡＭ（２５６＋４ｋＢ，可外擴至６４ｋＢ）、５９個Ｉ／Ｏ口、 ２通道１６位１ＭＳＰＳ的可編程增益ＡＤＣ、８通道１０位２００ｋＳＰＳ可編程增益ＡＤＣ、２路１２位ＤＡＣ、３路模擬比較器、內(nèi)部電壓基準以及片內(nèi)電源監(jiān)視、降壓檢測和看門狗等功能。由于Ｃ８０５１Ｆ０６０的高集成度，因而無需外擴ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＡＤ、ＤＡ、ｗａｔｃｈｄｏｇ、可編程Ｉ／Ｏ口和ＥＥＰＲＯＭ（用片內(nèi)Ｆｌａｓｈ實現(xiàn)），從而大大簡化了硬件電路，并為構(gòu)成以Ｃ８０５１Ｆ０６０為核心的單片機系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，同時也提高了系統(tǒng)的可靠性。



??? （３）片內(nèi)集成有２個ＵＡＲＴ、１個ＳＭ（兼容Ｉ２Ｃ）和１個ＳＰＩ。最為便利的是，Ｃ８０５１Ｆ０６０集成了ＣＡＮ總線控制器，這使得ＣＡＮ總線具有開發(fā)費用低廉、抗干擾性強、可適用于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用等特點，并可廣泛應(yīng)用于干擾環(huán)境非常嚴重的各種工業(yè)現(xiàn)場測控領(lǐng)域。Ｃ８０５１Ｆ０６０只需加上ＣＡＮ總線收發(fā)電路就可掛接到ＣＡＮ通信網(wǎng)絡(luò)上，因而大大簡化了通信系統(tǒng)的設(shè)計，減少了通信節(jié)點受干擾的概率。

（４）可編程的１６位計數(shù)器陣列?ＰＣＡ　有６個捕捉／比較模塊和５個通用１６位計數(shù)器／定時器，這一為要求定時器／計數(shù)器具有較多的測控節(jié)點提供了方便。

（５）Ｃ８０５１Ｆ０６０能滿足絕大多數(shù)工業(yè)測控節(jié)點的要求，能夠形成以Ｃ８０５１Ｆ０６０為核心的單片機系統(tǒng)，如果配以外圍測量單元，還可形成完整的測控節(jié)點。

３　智能勵磁功率柜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能功率柜系統(tǒng)原理框圖如圖１所示。功率柜中最關(guān)鍵的部件是三相全控橋，控制此橋的核心參數(shù)為觸發(fā)角度，該參數(shù)可由ＣＡＮ總線通過調(diào)節(jié)器送出，同時送達本地柜應(yīng)發(fā)的電流值。經(jīng)檢測得到的輸出電流與調(diào)節(jié)器的應(yīng)發(fā)給定電流進行比較并完成ＰＩ運算，即可產(chǎn)生新的微調(diào)觸發(fā)角度。該觸發(fā)角度經(jīng)ＰＣＡ形成觸發(fā)脈沖繼而驅(qū)動三相全控橋，從而實現(xiàn)柜間均流。與此同時，通過信號檢測模塊還可將柜內(nèi)溫度、晶閘管通斷狀態(tài)、輸出電流值送入微控制器，以對各參數(shù)進行計算分析，并將其與設(shè)定的閾值進行比較，最后實時顯示測量結(jié)果，同時報警。

圖3 同步信號采集電路

??? ３．１ 基于ＰＣＡ模塊實現(xiàn)的數(shù)字移相觸發(fā)

三相晶閘管全控橋的工作原理及六個晶閘管的觸發(fā)脈沖相序關(guān)系如圖２所示。

該ＰＣＡ中包含６個基于同一１６位計數(shù)器，并可作為時基的捕捉／比較模塊，每個模塊可構(gòu)成正沿捕捉、負沿捕捉、正負沿捕捉、軟件定時器、高速輸出、脈沖寬度調(diào)制器等６種方式。本設(shè)計中采用的是高速輸出模式，當ＰＣＡ計數(shù)器與模塊的１６位捕捉／比較寄存器相匹配時，相應(yīng)模塊的ＣＥＸ引腳的邏輯電平將發(fā)生變化，并引起相應(yīng)中斷。

觸發(fā)信號從同步信號過零點開始計時，調(diào)節(jié)器則經(jīng)ＣＡＮ網(wǎng)將觸發(fā)角的電角度值α、同步信號周期值ＴＳＹＮ和脈沖寬度Ｗ發(fā)送給各功率柜。同步信號采樣電路見圖３，當同步信號過零產(chǎn)生中斷時，ＰＣＡ計數(shù)器開始計數(shù)，并根據(jù)α、Ｗ、ＴＳＹＮ及ＰＣＡ計數(shù)頻率計算出α的對應(yīng)值Ｔα１～Ｔα６和脈沖后沿的對應(yīng)值ＴＷ１～ＴＷ６，然后將Ｔα１～Ｔα６寫入６個模塊的１６位捕捉／比較寄存器中。當捕捉寄存器的值與ＰＣＡ計數(shù)器的值相符時，ＣＥＸ引腳將變?yōu)楦唠娖剑允瓜鄳?yīng)模塊產(chǎn)生中斷，同時在中斷子程序中，相應(yīng)的ＴＷＮ被寫入１６位捕捉／比較寄存器。當其與ＰＣＡ計數(shù)器值相符時，ＣＥＸ引腳變?yōu)榈碗娖剑渲幸宦酚|發(fā)單脈沖。用門電路便可將６路單脈沖合為６路雙窄脈沖。下式為Ｔα和ＴＷ計算方法：

ＴαＮ＝ＴＳＹＮ?α＋９０?Ｎ－１　?／３６０ＴＣＬＫ

ＴＷＮ＝ＴＳＹＮ?α＋Ｗ＋９０?Ｎ－１　?／３６０ＴＣＬＫ

式中，Ｎ可取１?２?．．．?６， ＴＣＬＫ為ＰＣＡ計數(shù)器的計數(shù)周期。

３．２ 通過片內(nèi)Ｆｌａｓｈ在線修改參數(shù)

Ｃ８０５１Ｆ０６０中Ｆｌａｓｈ的０Ｘ００００～０Ｘ００７Ｆ地址范圍既可用于片內(nèi)６４ｋＢ Ｆｌａｓｈ，也可用于附加的１２８Ｂ的扇區(qū)，這可通過設(shè)置ＰＳＣＴＬ寄存器的ＳＦＬＥ位來實現(xiàn)。由于片內(nèi)Ｆｌａｓｈ必須先擦除再寫入，而且應(yīng)當以５１２Ｂ為一扇區(qū)進行，故附加的１２８Ｂ的扇區(qū)更適合用作非易失性數(shù)據(jù)的存儲。在功率柜中，通常需要在線修改的參數(shù)為ＰＩ調(diào)節(jié)器的Ｐ和Ｉ，下面以ＫＥＩＬ Ｃ語句為例給出在線修改參數(shù)的程序：

ＷｒＲｅ Ｆｌａｓｈ?　?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｘｄａｔａ ＊ｐｗｒｉｔｅ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｃｏｄｅ ＊ｐｒｅａｄ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｉ ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｉ１?

ＷＤＴＣＮ＝０ｘｄｅ? ／／禁止看門狗

ＷＤＴＣＮ＝０ｘａｄ?

ＦＬＳＣＬ｜＝０ｘ０９? ／／２５ＭＨｚ時鐘的擦寫頻率

ＰＳＣＴＬ｜＝０Ｘ０２? ／／允許Ｆｌａｓｈ扇區(qū)擦除

ＰＳＣＴＬ｜＝０Ｘ０５? ／／允許Ｆｌａｓｈ扇區(qū)寫

ｐｗｒｉｔｅ＝０ｘ００００? ０ｘ００００指向１２８Ｂ扇區(qū)

＊ｐｗｒｉｔｅ＝０? ／／擦除Ｆｌａｓｈ

ＰＳＣＴＬ＆＝～０Ｘ０２? ／／禁止擦除Ｆｌａｓｈ

ｆｏｒ?ｉ＝０?ｉ＜２?ｉ＋＋　 ／／將Ｐ和Ｉ參數(shù)寫入

?＊ｐｗｒｉｔｅ＋＋＝ＰＩ?ｉ?? ?

ＰＳＣＴＬ＆＝～０ｘ０１? ／／禁止寫Ｆｌａｓｈ

ｐｒｅａｄ＝０ｘ００００? ／／讀入當前值

ｆｏｒ?ｉ１＝０?ｉ１＜２?ｉ１＋＋　

? ＰＩ?ｉ１?＝＊ｐｒｅａｄ＋＋????

４　ＣＡＮ總線在勵磁裝置中的應(yīng)用

ＣＡＮ總線是主要的現(xiàn)場總線之一。由于其低廉的開發(fā)費用、良好的抗干擾能力，ＣＡＮ總線在工業(yè)測控領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。關(guān)于ＣＡＮ總線的基本概念和接口電路，其相關(guān)內(nèi)容較多，本文只介紹如何用Ｃ８０５１Ｆ０６０實現(xiàn)ＣＡＮ總線通信的方法。

４．１ Ｃ８０５１Ｆ０６０的ＣＡＮ控制器結(jié)構(gòu)

圖４給出了Ｃ８０５１Ｆ０６０的內(nèi)部ＣＡＮ結(jié)構(gòu)圖，由于ＭＣＵ不能直接訪問信息ＲＡＭ，因此，必須通過ＩＦ寄存器與信息ＲＡＭ交換數(shù)據(jù)。信息ＲＡＭ共可存儲３２幀信息。而ＩＦ寄存器則分為ＩＦ１和ＩＦ２兩組，以分別定義為接受、發(fā)送功能，ＩＦ的ＣｏｍｍａｎｄＲｅｑｕｅｓｔ寄存器可用于定義訪問３２幀信息的哪一幀，ＣｏｍｍａｎｄＭａｓｋ則用于定義將一幀信息的哪一部分傳到信息ＲＡＭ中。

當中斷寄存器ＩＲ為０ｘ００００時，表示沒有中斷發(fā)生；當其為０ｘ０００１～０ｘ００２０時，表示３２幀信息的哪一幀引起中斷，而當其為０ｘ８０００時，則表示狀態(tài)改變（發(fā)送完成、接收完成、錯誤狀態(tài)等）引起中斷。

４．２ ＣＡＮ通信

通信的初始化過程與其它ＣＡＮ控制器類似，圖５給出了其發(fā)送、信息ＲＡＭ與ＩＦ通信和接收中斷子程序的框圖。

４．３ ＣＡＮ總線在智能功率柜中的應(yīng)用

??? ＣＡＮ通信系統(tǒng)由四個節(jié)點組成，其中包括一個調(diào)節(jié)器和三個功率柜。功率柜由Ｃ８０５１Ｆ０６０完成通信功能，調(diào)節(jié)器由集成了ＣＡＮ協(xié)議的網(wǎng)卡ＨＴ－１３０２Ｂ負責通信。調(diào)節(jié)器可將單柜應(yīng)發(fā)電流值、觸發(fā)角、同步信號周期以及脈沖寬度等參數(shù)發(fā)送給各功率柜。功率柜則將各柜的輸出電流值、導通監(jiān)視結(jié)果、柜內(nèi)各點溫度反饋回調(diào)節(jié)器。

５　結(jié)束語

由于Ｃ８０５１Ｆ０６０的高集成度，因而只需少量外圍測量電路便可組成集控制與通信功能于一體的單片系統(tǒng)，同時可提高系統(tǒng)的整體可靠性。另外，Ｃ８０５１Ｆ０６０內(nèi)核與普通５１系列兼容，且指令簡單易學，因此，可縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。本系統(tǒng)由帶屏蔽層的雙絞線構(gòu)成通信介質(zhì)，最大通信距離不超過１５０米，通信速率可達２５０ｋｂｐｓ。實際運行證明：通信效果很好。由此可見：本控制方案集成度高、硬件簡單、工作可靠，具有很好的推廣價值。