基于LPC2119的微弧氧化電源控制系統的研制

?? 摘　要:本文介紹了一種自行研制的微弧氧化電源控制系統，硬件部分采用philips公司的基于ARM的LPC2119處理器代替傳統的51系列單片機，增強了系統的穩定性和可擴展性；軟件部分采用uC /OS-Ⅱ多任務設計方式代替傳統的前后臺軟件設計方式，增強了系統的精度和實時響應性。研制出的系統可以按上位機設置的各種參數，實現預定的功能。能夠滿足電壓，電流，脈沖頻率和占空比的大范圍調整。
關鍵詞：LPC2119 ,? 微弧氧化電源 ,? uC /OS-Ⅱ

1．引言

?? 微弧氧化（MAO）是一種在金屬表面原位生長陶瓷層的表面處理技術，該技術是利用等離子體化學和電化學原理，使材料表面產生微區弧光放電，在化學、電化學和等離子體的共同作用下，原位生長陶瓷層的新技術。微弧氧化電源是保證微弧氧化工藝的關鍵環節之一，其主要功能是在微弧氧化處理生產過程中，產生和控制具有脈沖電場以及過程參數的自動檢測和控制。

?? 本文研制的微弧氧化電源采用功率模塊換流技術，實現了微弧氧化工藝所需的高電壓、大電流、寬頻帶和高質正、負脈沖輸出。利用基于ARM的自動控制系統實現電壓、電流、脈沖頻率、占空比等電參數的自動監控。ARM（Advanced RISC Machines）處理器是一種32位嵌入式微處理器，和工業控制計算機相比，ARM嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點；和參考文獻2[2]中的16位單片機相比，ARM嵌入式微處理器具有速度快、功能多、功耗低、擴展性好等優點。而本文研制的微弧氧化電源控制系統采用的CPU就是基于ARM7的LPC2119處理器，它是一種支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位CPU，具有零等待的256K的片內FLASH和16K的SRAM，無需擴展存儲器，內部具有UART、硬件I2C、SPI總線、PWM、定時器、ADC、CAN總線控制器等眾多外圍部件，功能強大。

2．控制系統的說明

??? 微弧氧化電源的主電路由變壓器輸出、可控硅整流、電感電容濾波、IGBT斬波變換器四部分組成[3]。本文所設計的微弧氧化電源控制系統的主要任務就是根據工藝要求，對微弧氧化控制系統的晶閘管、IGBT等模塊進行驅動，完成設置工藝要求、存儲工藝編號、輸出報警信號的功能。所以本控制系統分為以下幾個部分：

最小系統部分：產生CPU工作電源、外部晶振及JATAG調試口；

A/D和D/A轉換部分：采集電壓和電流值，并把設置值發送到晶閘管模塊；

輸入輸出部分：產生一些輸入和輸出信號；

CAN通信部分：傳送和接收一些設置參數；

E2PROM部分：完成對工藝編號和實時數據的存儲。

3．硬件系統的設計

3.1最小系統部分

圖1最小系統圖

??? 如圖1所示，最小系統由復位電路、晶振電路、電源電路、LPC2119組成。復位芯片采用的是MAX809監控芯片，它可以輸出寬度高達240MS的低電平復位脈沖，足以保證系統的，實時復位；外部晶振設定為11.0592MHZ，內部最大可倍頻至60MHZ，大大提高了CPU的速度；電源電路部分主要給LPC2119提供其所需兩種電壓，一種是給外部端口供電的3.3伏，一種是給ARM核供電的1.8伏；LPC2119具有零等待的256K的片內FLASH和16K的SRAM，無需擴展存儲器，還自帶看門狗功能，這樣不僅為系統節約了資源，也提高了可靠性。

3.2 A/D和D/A轉換部分

??? 原理圖見圖2，TLC2543是TI公司的12位串行模數轉換器，使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉換過程。它具有10μs的轉換時間，11個模擬輸入通道，串行輸入結構，支持SPI總線時序（而LPC2119本身就有SPI接口，這就節省了I/O資源），且價格適中，分辨率較高。

??? MAX5322是±10V雙12位串口數模轉換器，工作電壓±12V~ ±15V，輸出從±5V~ ±10V，有極好的INL和DNL線性度，最大值為±1LSB，到0.5LSB的建立時間為10us，由于它也是串行輸入結構，支持SPI總線時序，所以MAX5322和TLC2543可共用SPI總線，只需通過片選來選擇不同的芯片，這樣設計既節省了LPC2119的I/O資源，又方便了編程。

??? TLC2543的作用是把采集到的實時電壓和電流值轉換為數字值，通過CAN總線傳輸到上位機進行顯示；MAX5322的作用是把上位機設置的工作電壓和工作電流值轉換為模擬量用來控制晶閘管的輸出，使其在極短的時間內達到設置的電壓。當有正負兩路輸出時，增加一個MAX5322便可達到要求。

3.3 CAN通信部分

CAN接口部分的作用是向上位機傳送要顯示的一些變量和向下位機傳送上位機設置的變量，如電壓，電流，PWM的頻率、占空比、正脈沖和負脈沖的個數等。CAN總線以其高性能、高可靠性、實時性等優點，被廣泛應用于控制系統中的檢測和執行機構之間的數據通信中，已被公認為是最有前途的現場總線之一，它是多主總線，通信介質可以是雙絞線，通信速率可達1M/s，最遠通信距離可達10km。是一種支持分布式實時控制系統的串行通信局域網[1]。LPC2119自身就集成有CAN控制器，因此只需外加一個CAN的收發器PCA82C250，便可驅動CAN總線通信。如圖3所示。

圖2 A/D和D/A轉換電路

圖3 CAN通信電路

圖4 E2PROM電路

3.4 E2PROM部分

E2PROM完成對工藝編號和實時數據的存儲。本文采用ATMEL公司生產的AT24C64芯片，其存儲大小為8192字節；始終可讀寫；至少100萬次擦寫；至少100年數據保存期。它支持I2C總線，而LPC2119集成有I2C總線接口，這樣就可硬件實現通信。原理圖見圖4。

4．軟件系統的設計

本系統功能多且復雜，基于工業控制對系統實時性要求的考慮，采用了實時性較高的uC/OS-II嵌入式操作系統。μC/OS-II是一個采用基于固定優先級的占先式調度方式的實時多任務內核，可固化、可剪裁、具有高穩定性和可靠性，此外，μC/OS-II的鮮明特點就是源碼公開，便于移植和維護[3]。本系統的任務順序如下：

任務一：建立任務二，任務三和任務四；

任務二：通過CAN接口接收上位機發送過來的信號，包括預先設好的參數值；（由上位機定時發送過來）

任務三：進行A/D轉換，PID調節，D/A轉換；這三者緊密相連：A/D轉換把輸入的模擬量信號轉換為數字量，并作為PID調節的輸入，而PID調節的輸出通過D/A轉換輸出到晶閘管的輸入端，從而改變模塊的輸出；

任務四：E2PROM完成工藝編號和實時數據的存儲，CAN接口將輸出的參數值傳送給上位機顯示；

快速中斷：當接到上位機的開始或者結束信號時，PWM快速中斷分別產生對應的脈沖數和停止信號，此處對響應速度的要求較高，如果不及時就可能燒壞模塊，所以必須采用快速中斷。

5．結論

本系統已研制成功并應用到實際產品，效果很好。此系統把LPC2119處理器和uC/OS-II嵌入式操作系統相結合應用到控制系統中，并且采用CAN現場總線來通信，大大提高了系統的高穩定性和可靠性；可按上位機的設置來選擇恒壓或者恒流的工作方式；可設置電壓調整范圍在0~1000伏（不同型號最高值不同）；脈沖頻率在20Hz~10KHz可調；占空比在5%~95%之間可調。此系統方便維護和擴展，足以滿足現在微弧氧化電源控制系統的需求！

本文作者的創新點是把LPC2119處理器和uC/OS-II嵌入式操作系統相結合應用到材料學科的控制系統中，是交叉學科的一個典型應用的例子。此技術代替以前的51系列在此次陜西省交通科技項目中為橋梁結構上金屬的表面處理提供了很好的設備。