基于數字式電鍍電源并聯(lián)均流系統設計方案

1 總體設計

并聯(lián)均流系統由主控模塊和功率模塊組成，如圖1所示。主控模塊和功率模塊間以高效和高可靠性的CAN總線(xiàn)為通信媒介。主控模塊完成人機交互和整機的運行監控。每個(gè)功率模塊實(shí)質(zhì)為單個(gè)電源模塊， 按照主控模塊的指令以穩壓或穩流的方式工作。系統在穩流工作方式下，主控模塊將設定工作電流均勻分配給每個(gè)功率模塊，功率模塊根據分配電流控制本模塊以穩 流方式運行，從而實(shí)現系統穩流和均流。系統在穩壓工作方式下，主控模塊指定一個(gè)功率模塊為主模塊，其余為從模塊。主模塊按照主控模塊給定的電壓以穩壓方式 工作，實(shí)現系統穩壓。同時(shí)主控模塊獲取每個(gè)功率模塊的電流，計算平均電流并分配給從模塊，從模塊按照平均電流以穩流方式工作，實(shí)現系統均流。在穩流或穩壓 工作的基礎上，安培時(shí)模式下主控模塊統計工作安培時(shí)數，當達到設定安培時(shí)數時(shí)進(jìn)行加藥控制。工藝曲線(xiàn)模式下主控模塊控制系統按照設定的穩壓或穩流工作曲線(xiàn)工作。遠程控制模式下，上位機通過(guò)與主控模塊通信完成對系統的運程監控。

圖1 系統總體結構圖

2 系統硬件設計

2.1 主控芯片STM32F103VET6

STM32F103VET6屬于STM32F103增強系列處理器，具有更多片內RAM和外設，具體特性如下：

1)采用基于哈佛架構的3級流水線(xiàn)內核Cortex-M3，具有單周期乘法、硬件除法特性，最高工作頻率72 MHz，運算速度高達1.25DMips /MHz.

2)內置高速存儲器，高達512 k字節的閃存和64 k字節的SRAM.

3)多達80個(gè)快速多功能雙向I/O口，所有I/O口可以映射到16個(gè)外部中斷;幾乎所有端口均可容忍5V信號。

4)多達11個(gè)定時(shí)器，包括4個(gè)16位通用定時(shí)器、2個(gè)16位帶死區控制的PWM高級控制定時(shí)器、2個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器、系統時(shí)間定時(shí)器、2個(gè)用于驅動(dòng)DAC的16位基本定時(shí)器。

5)多達13個(gè)通信接口，包括2個(gè)I2C接口、5個(gè)USART接口、3個(gè)SPI接口、CAN接口、USB2.0全速接口、SDIO接口。

6)3個(gè)12位A/D轉換器，1μs轉換時(shí)間(多達21個(gè)輸入通道)和2通道12位D/A轉換器。

STM32F103VET6出色的性能和豐富的資源使得幾乎不需要擴展外圍電路就能完全滿(mǎn)足設計要求，使硬件設計大為簡(jiǎn)化。執行速度和內存容量完全滿(mǎn)足 主控模塊的多任務(wù)實(shí)時(shí)應用。如圖1所示，主控模塊設計使用STM32F103VET6的CAN、USART、USB等通信接口，CAN用于和功率模塊通 信，2個(gè)USART分別用于微型打印機和485通信(上位機通信)，USB用于筆記本現場(chǎng)配置電源系統參數。主控模塊人機界面中的LCD、按鍵、LED指示、蜂鳴器以及加藥開(kāi)關(guān)，均通過(guò)GPIO連接，共計34個(gè)。

2.2 CAN通信模塊

CAN通信模塊是系統中最關(guān)鍵的通信模塊，由CAN控制器、 光耦隔離和CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器組成(見(jiàn)圖1)。CAN控制器集成于STM32F103VET6內部，完全支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B，波特?最高可達 1兆位/秒?？刂破鲀炔考?個(gè)優(yōu)先級可配置的發(fā)送郵箱、2個(gè)3級深的接收FIFO、14個(gè)位寬可變的過(guò)濾器組和靈活的中斷管理，可以高效地完成主控模 塊與多個(gè)功率模塊間的大量通信。

光耦隔離和CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器電路如圖2所示。CAN-TX和CAN-RX是與CAN控制器相連的發(fā)送數 據線(xiàn)和接收數據線(xiàn)。由于系統輸出功率大，電磁干擾強，采用高速光耦6N137將CAN控制器與CAN總線(xiàn)隔離。MCP2551是一個(gè)可容錯的高速CAN總 線(xiàn)驅動(dòng)器，作為CAN控制器和物理總線(xiàn)的接口。

圖2 耦隔離和CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器電路

2.3 LCD模塊

LCD模塊是人機界面的主要組成部分。用LCD代替傳統的數碼管，可以應用圖形交互界面，使人機交互方便友善。系統采用240x128圖形點(diǎn)陣STN液晶模塊ZLG240128A，該模塊采用RA6963控制器，內建256-word的ROM字形產(chǎn)生器，可以顯示英 文字型、數字符號等字母，并支持最大64 kByte的外部顯示內存(Display RAM)，具有文字顯示模式、繪圖顯示模式及混合顯示模式。LCD接口電路如圖3所示，左側LCD控制和數據線(xiàn)與5 V容忍GPIO連接。LCD模塊的工作電壓為5 V，而STM32F103VET6的輸出電壓為33 V，因此使用10 k排阻Rp1、Rp2作為上拉電阻，并使用GPIO的開(kāi)漏模式?？勺冸娮鑆R1用于背光亮度調節。

圖3 LCD接口電路