基于STM32的大功率數字式電鍍電源并聯(lián)均流系統設計

　　STM32系列處理器是由意法半導體ST公司生產(chǎn)、基于A(yíng)RM公司Cortex-M3內核的MCU,專(zhuān)門(mén)為微控制系統、汽車(chē)控制系統、工業(yè)控制系統和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等嵌入式應用領(lǐng)域而設計，具有高性能、低功耗、高集成度、豐富且性能出眾的片上外設、編程復雜度低等優(yōu)點(diǎn)。數字式電鍍電源并聯(lián)均流系統以數字通信和控制的方式實(shí)現多個(gè)電源模塊的并聯(lián)工作，提供更大的輸出功率，具有組合靈活、可靠性高、人機接口友善、工作模式多樣等優(yōu)點(diǎn)。本文采用STM32F103VET6處理器作為主控芯片，實(shí)現了一種以CAN總線(xiàn)為通信媒介、具有穩壓/穩流/安培時(shí)/工藝曲線(xiàn)/遠程控制5種工作模式、液晶圖形顯示的數字式電鍍電源并聯(lián)均流系統(以下簡(jiǎn)稱(chēng)"并聯(lián)均流系統")，給出了系統主要軟硬件的詳細設計方案。

　　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

　　3 系統軟件設計

　　3.1 軟件總體架構

　　軟件總體架構如圖4所示。底層固件庫模塊由ST公司提供，包括STM32F103系列處理器所有外設驅動(dòng)和應用接口。啟動(dòng)配置模塊由匯編文件stm32f10x_startup.s構成，完成堆棧和中斷向量表的初始化。硬件配置模塊完成復位和時(shí)鐘(RCC)、中斷控制器、GPIO、看門(mén)狗、定時(shí)器等片內外設的初始化。中斷服務(wù)包括系統節拍時(shí)鐘、看門(mén)狗、CAN收發(fā)、定時(shí)器、USART的中斷服務(wù)程序。設計中采用實(shí)時(shí)操作系統，便于實(shí)現人機界面、通信、控制等多個(gè)任務(wù)的協(xié)調運行，保證控制的實(shí)時(shí)性。人機界面模塊包括LCD驅動(dòng)、按鍵掃描、圖形用戶(hù)界面、LED和蜂鳴器驅動(dòng)，實(shí)現人機交互。工作控制模塊監控多個(gè)功率模塊并聯(lián)運行，并實(shí)現均流。通信模塊完成監控功率模塊運行所需要的CAN通信和上位機遠程控制時(shí)的485通信。定時(shí)器模塊提供其他模塊工作所需要的定時(shí)功能。

　　圖4 軟件總體架構圖

　　3.2 工作控制模塊

　　工作控制模塊包括系統初始化和運行控制兩部分。系統初始化通過(guò)讀取功率模塊的額定參數、統計功率模塊數、計算系統總額定電流，以確定并聯(lián)系統的初始配置。運行控制按照用戶(hù)指定方式，實(shí)時(shí)監控功率模塊并聯(lián)運行，監控流程如圖5所示。首先向功率模塊設置穩壓或穩流工作模式以及電壓或電流參數，然后發(fā)送啟動(dòng)命令，使功率模塊開(kāi)始工作。狀態(tài)查詢(xún)以廣播方式發(fā)送查詢(xún)命令，以查詢(xún)各功率模塊的運行狀態(tài)和參數。報文接收接收功率模塊發(fā)送的查詢(xún)響應報文，并從報文中獲得數據;通信檢測根據是否有響應報文判斷通信是否正常。數據處理根據報文接收中獲得的數據計算總電流、電壓、平均電流(穩壓模式)、安培時(shí)(安培時(shí)模式)等系統運行參數。故障處理檢測功率模塊和系統故障，進(jìn)行故障處理和報警。輸出處理根據當前的運行狀態(tài)輸出控制參數，包括軟啟動(dòng)輸出、在穩壓模式下輸出平均電流、安培時(shí)模式下輸出加藥信號、工藝曲線(xiàn)模式下輸出下一階段的電壓或電流參數等。停機控制在需要停機時(shí)通過(guò)發(fā)送停機命令控制功率模塊停止工作。

　　圖5 運行監控流程圖

　　4 實(shí)驗應用

　　實(shí)驗系統包含2個(gè)1 000 A/15 V的功率模塊，系統在總設定電流下以穩壓模式運行，測得表1中實(shí)驗結果數據。

　　表1 穩壓模式測試結果

　　從表中可見(jiàn)，均流不平衡度在5%以?xún)?，滿(mǎn)足國家相關(guān)標準，實(shí)現了功率模塊的并聯(lián)運行和均流。經(jīng)實(shí)際測試表明，系統其他相關(guān)指標均滿(mǎn)足要求，系統運行穩定可靠。

　　5 結論

　　并聯(lián)均流系統采用ARM芯片STM32F103作為主控芯片，利用其豐富的資源和強大性能，實(shí)現了多種外設接口并簡(jiǎn)化了硬件設計，實(shí)現了圖形交互界面、基于操作系統的任務(wù)調度、CAN和上位機通信以及多種工作模式，增強了系統的功能、友善性和擴展性。