采用SPCE061A單片機的數控直流電流源方案設計

本文設計的數控直流電流源能夠很好地降低因元器件老化、溫漂等原因造成的輸出誤差，輸出電流在20mA～2000mA可調，輸出電流可預置、具有“+”、“-”步進(jìn)調整、輸出電流信號可直接顯示和語(yǔ)音提示等功能。

硬件電路采用凌陽(yáng)單片機SPCE061A為控制核心，利用閉環(huán)控制原理，加上反饋電路，使整個(gè)電路構成一個(gè)閉環(huán)，在軟件方面主要利用PID算法來(lái)實(shí)現對輸出電流的精確控制。該系統可靠性高、體積小、操作簡(jiǎn)單方便、人機界面友好。

　　系統硬件實(shí)現方案

　　本設計采用單片機作為主要控制部件，通過(guò)鍵盤(pán)預置輸出電流值并采用液晶模塊實(shí)時(shí)顯示。整個(gè)系統硬件部分由微控制器、電壓-電流轉換、鍵盤(pán)、顯示、直流穩壓電源和語(yǔ)音提示等模塊組成。系統組成框圖如圖1所示。

圖1 數控直流電流源的基本模塊方框圖

　　微控制器是整個(gè)系統的核心，負責整個(gè)系統的運作。為了實(shí)現簡(jiǎn)化硬件電路、系統性能穩定可靠，便于實(shí)現語(yǔ)音播報、鍵盤(pán)設置和信息的實(shí)時(shí)顯示等功能的協(xié)調，通過(guò)多種方案論證后，微控制器選用凌陽(yáng)公司的SPCE061A，該單片機內部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF、LCD-Driver等電路(與IC型號有關(guān))。它采用精簡(jiǎn)指令集(RISC)，指令周期均以CPU時(shí)鐘數為單位。另外，它還兼有DSP功能，內置16位硬件乘法器和加法器，并配備有DSP擁有的特殊指令，大大加速了各種算法的運行速度。同時(shí)可以在Windows環(huán)境下使用凌陽(yáng)單片機應用開(kāi)發(fā)工具，該工具支持標準C語(yǔ)言和凌陽(yáng)單片機匯編語(yǔ)言，集匯編、編程、仿真等功能于一體，大大加快了軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程。用該單片機作為控制器比較合適，在硬件電路簡(jiǎn)單的前提下，容易實(shí)現A/D和D/A轉換、語(yǔ)音提示、PID運算等功能。

　　顯示模塊主要實(shí)現的功能是顯示設置的電流輸出值和其它人機交互信息。本部分可以采用七段數碼LED顯示器，顯示數字、簡(jiǎn)單字母和小數點(diǎn)等信息，但由于其顯示信息單一，人機交互不友好，本文采用字符型液晶顯示屏LCDSMC1602A模塊。該模塊具有輕薄短小、低壓微功耗、體積小、無(wú)輻射、平面直角顯示及影像穩定不閃爍等優(yōu)點(diǎn)，且可視面積大、面效果好、分辨率高、抗干擾能力強，適合用于顯示字母、數字、符號等信息，而且不需要擴展過(guò)多外圍電路，可由單片機直接進(jìn)行控制輸出顯示。

　　電壓-電流轉換模塊由精密運放與三個(gè)晶體管組成的達林頓管電路構成。轉換電路利用晶體管平坦的輸出特性和深度負反饋電路使輸出電流穩定，如圖2所示，此V/I轉換電路的帶負載能力強，電流輸出范圍達03A。輸出電流Io經(jīng)反饋電阻RF得到一個(gè)反饋電壓Vf，Vf= V11-V12，通過(guò)R5、R6加到運算放大器的兩輸入端，設運放兩端的電為V1、V2，Vi由單片機DAC輸出。因為理想運放的輸入電流約等于零，且V1=V2，則：

　　V12[1-R6/(R2+R6)]+ViR6/(R2+R6)=V11R1(R1+R6)

　　由于V12 =V11-Vf，則：

　　V11R2/(R2+R6)+(ViR6-VfR2)/(R2+R6)=V11R1/(R1+R5)

　　令R1=R2=10kW，R5 =R6 =1kW，則有Vf=ViR6/R2=Vi/10

　　若暫不考慮反饋時(shí)，Io=Vi/(10Rf)由此可見(jiàn)，輸出電流的標定由D/A轉換所得輸出電壓Vi和Rf的阻值決定，成線(xiàn)性變換。Rf由大線(xiàn)徑銅絲制作，其溫度系數很小(5ppm/℃)，大線(xiàn)徑可以使其溫度影響減至最小。3個(gè)三極管應選用大功率管TIP122，且使用散熱片，以保證管子工作在線(xiàn)性區。

圖2 V/I轉換電路圖

　　電壓-電流轉換模塊還有另外一種方案，即采用三個(gè)運放構成輸出電流可變的電流源，如圖3所示。輸出電流I=Vi/R1，為使R1兩端的電壓保持恒定，由差分放大器IC1b通過(guò)射隨器IC1c監測R1兩端的電位，此電位經(jīng)IC1b的7腳加到比較器 ICa的反相輸入端與Vref比較，根據比較結果使比較器的輸出端變化，直到平衡為止，即Vr1=Vi。電路中的電容用于補償ICa的頻率，減少控制環(huán)路的延時(shí)。只要R1=R2=R3=R4=R5，此電路的性能較好，但帶負載能力不強，環(huán)路延時(shí)補償對電路的穩定有較大影響。

圖3 三運放V/I轉換電路

　　系統鍵盤(pán)模塊可以采用獨立式或行列式(矩陣式)連接方式，該模塊主要完成對輸出電流和其它信息的設定。直流穩壓電源模塊為整個(gè)系統供電，語(yǔ)音模塊實(shí)現語(yǔ)音提示，使系統設計更具人性化，系統具有友好的工作界面。凌陽(yáng)單片機內部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF等模塊，語(yǔ)音功能可由軟件編程實(shí)現，不需要外接任何電路，有效利用了系統資源。

系統工作及軟件流程

　　通過(guò)以上對各模塊的分析，系統在工作過(guò)程中由SPCE061A單片機將被預置的電流通過(guò)換算進(jìn)行D/A轉換，以輸出電壓驅動(dòng)V/I轉換電路，并將該電流對應的電壓通過(guò)閉環(huán)回路，經(jīng)信號處理電路作A/D轉換后輸入單片機系統，通過(guò)PID算法調整電流輸出。整個(gè)系統工作流程如圖4所示。

圖4 系統工作流程圖

　　系統軟件設計在凌陽(yáng)十六單片機應用開(kāi)發(fā)工具unSPIDE1.16.1中進(jìn)行，采用凌陽(yáng)單片機匯編語(yǔ)言和標準C語(yǔ)言對單片機進(jìn)行編程，以實(shí)現各種功能。主要包括: (1)系統的初始化，包括各外圍接口設備的初始化；(2)鍵盤(pán)輸入；(3)D/A、A/D轉換； (4)PID算法進(jìn)行電流調整；(5)語(yǔ)音提示和電流顯示。其主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖圖