采用單片機C8051F060的智能功率柜的原理及設計

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(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，本文給出了通過(guò)采用高集成度單片機Ｃ８０５１Ｆ０６０實(shí)現的智能勵磁功率柜與ＣＡＮ總線(xiàn)的通信方法，該方案具有完備的檢測、控制和通信功能。

２?。茫福埃担保疲埃叮皢纹瑱C的特點(diǎn)

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

（１）內核采用流水線(xiàn)結構，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(kāi)發(fā)過(guò)程非常容易；該芯片的ＪＴＡＧ調試方式支持在系統、全速、非插入調試和編程，且不占用片內資源。

（２）片上集成有６４ｋＢ Ｆｌａｓｈ、４３５２Ｂ內部ＲＡＭ（２５６＋４ｋＢ，可外擴至６４ｋＢ）、５９個(gè)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、內部電壓基準以及片內電源監視、降壓檢測和看門(mén)狗等功能。由于Ｃ８０５１Ｆ０６０的高集成度，因而無(wú)需外擴ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＡＤ、ＤＡ、ｗａｔｃｈｄｏｇ、可編程Ｉ／Ｏ口和ＥＥＰＲＯＭ（用片內Ｆｌａｓｈ實(shí)現），從而大大簡(jiǎn)化了硬件電路，并為構成以Ｃ８０５１Ｆ０６０為核心的單片機系統創(chuàng )造了條件，同時(shí)也提高了系統的可靠性。



（３）片內集成有２個(gè)ＵＡＲＴ、１個(gè)ＳＭ（兼容Ｉ２Ｃ）和１個(gè)ＳＰＩ。最為便利的是，Ｃ８０５１Ｆ０６０集成了ＣＡＮ總線(xiàn)控制器，這使得ＣＡＮ總線(xiàn)具有開(kāi)發(fā)費用低廉、抗干擾性強、可適用于工業(yè)現場(chǎng)應用等特點(diǎn)，并可廣泛應用于干擾環(huán)境非常嚴重的各種工業(yè)現場(chǎng)測控領(lǐng)域。Ｃ８０５１Ｆ０６０只需加上ＣＡＮ總線(xiàn)收發(fā)電路就可掛接到ＣＡＮ通信網(wǎng)絡(luò )上，因而大大簡(jiǎn)化了通信系統的設計，減少了通信節點(diǎn)受干擾的概率。

（４）可編程的１６位計數器陣列?ＰＣＡ　有６個(gè)捕捉／比較模塊和５個(gè)通用１６位計數器／定時(shí)器，這一為要求定時(shí)器／計數器具有較多的測控節點(diǎn)提供了方便。

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

３　智能勵磁功率柜的系統結構

智能功率柜系統原理框圖如圖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為觸發(fā)角度，該參數可由ＣＡＮ總線(xiàn)通過(guò)調節器送出，同時(shí)送達本地柜應發(fā)的電流值。經(jīng)檢測得到的輸出電流與調節器的應發(fā)給定電流進(jìn)行比較并完成ＰＩ運算，即可產(chǎn)生新的微調觸發(fā)角度。該觸發(fā)角度經(jīng)ＰＣＡ形成觸發(fā)脈沖繼而驅動(dòng)三相全控橋，從而實(shí)現柜間均流。與此同時(shí)，通過(guò)信號檢測模塊還可將柜內溫度、晶閘管通斷狀態(tài)、輸出電流值送入微控制器，以對各參數進(jìn)行計算分析，并將其與設定的閾值進(jìn)行比較，最后實(shí)時(shí)顯示測量結果，同時(shí)報警。

圖3 同步信號采集電路

３．１ 基于ＰＣＡ模塊實(shí)現的數字移相觸發(fā)

三相晶閘管全控橋的工作原理及六個(gè)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(gè)基于同一１６位計數器，并可作為時(shí)基的捕捉／比較模塊，每個(gè)模塊可構成正沿捕捉、負沿捕捉、正負沿捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸出、脈沖寬度調制器等６種方式。本設計中采用的是高速輸出模式，當ＰＣＡ計數器與模塊的１６位捕捉／比較寄存器相匹配時(shí)，相應模塊的ＣＥＸ引腳的邏輯電平將發(fā)生變化，并引起相應中斷。

觸發(fā)信號從同步信號過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始計時(shí)，調節器則經(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(jiàn)圖３，當同步信號過(guò)零產(chǎn)生中斷時(shí)，ＰＣＡ計數器開(kāi)始計數，并根據α、Ｗ、ＴＳＹＮ及ＰＣＡ計數頻率計算出α的對應值Ｔα１～Ｔα６和脈沖后沿的對應值ＴＷ１～ＴＷ６，然后將Ｔα１～Ｔα６寫(xiě)入６個(gè)模塊的１６位捕捉／比較寄存器中。當捕捉寄存器的值與ＰＣＡ計數器的值相符時(shí)，ＣＥＸ引腳將變?yōu)楦唠娖?，以使相應模塊產(chǎn)生中斷，同時(shí)在中斷子程序中，相應的ＴＷＮ被寫(xiě)入１６位捕捉／比較寄存器。當其與ＰＣＡ計數器值相符時(shí)，ＣＥＸ引腳變?yōu)榈碗娖?，其中一路觸發(fā)單脈沖。用門(mén)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?。?２?．．．?６， ＴＣＬＫ為ＰＣＡ計數器的計數周期。

３．２ 通過(guò)片內Ｆｌａｓｈ在線(xiàn)修改參數

Ｃ８０５１Ｆ０６０中Ｆｌａｓｈ的０Ｘ００００～０Ｘ００７Ｆ地址范圍既可用于片內６４ｋＢ Ｆｌａｓｈ，也可用于附加的１２８Ｂ的扇區，這可通過(guò)設置ＰＳＣＴＬ寄存器的ＳＦＬＥ位來(lái)實(shí)現。由于片內Ｆｌａｓｈ必須先擦除再寫(xiě)入，而且應當以５１２Ｂ為一扇區進(jìn)行，故附加的１２８Ｂ的扇區更適合用作非易失性數據的存儲。在功率柜中，通常需要在線(xiàn)修改的參數為ＰＩ調節器的Ｐ和Ｉ，下面以ＫＥＩＬ Ｃ語(yǔ)句為例給出在線(xiàn)修改參數的程序：

ＷｒＲｅ Ｆｌａｓｈ?　?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｘｄａｔａ ＊ｐｗｒｉｔｅ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｃｏｄｅ ＊ｐｒｅａｄ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｉ ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｉ１?

ＷＤＴＣＮ＝０ｘｄｅ? ／／禁止看門(mén)狗

ＷＤＴＣＮ＝０ｘａｄ?

ＦＬＳＣＬ｜＝０ｘ０９? ／／２５ＭＨｚ時(shí)鐘的擦寫(xiě)頻率

ＰＳＣＴＬ｜＝０Ｘ０２? ／／允許Ｆｌａｓｈ扇區擦除

ＰＳＣＴＬ｜＝０Ｘ０５? ／／允許Ｆｌａｓｈ扇區寫(xiě)

ｐｗｒｉｔｅ＝０ｘ００００? ０ｘ００００指向１２８Ｂ扇區

＊ｐｗｒｉｔｅ＝０? ／／擦除Ｆｌａｓｈ

ＰＳＣＴＬ＆＝～０Ｘ０２? ／／禁止擦除Ｆｌａｓｈ

ｆｏｒ?ｉ＝０?ｉ＜２?ｉ＋＋　 ／／將Ｐ和Ｉ參數寫(xiě)入

?＊ｐｗｒｉｔｅ＋＋＝ＰＩ?ｉ?? ?

ＰＳＣＴＬ＆＝～０ｘ０１? ／／禁止寫(xiě)Ｆｌａｓｈ

ｐｒｅａｄ＝０ｘ００００? ／／讀入當前值

ｆｏｒ?ｉ１＝０?ｉ１＜２?ｉ１＋＋　

? ＰＩ?ｉ１?＝＊ｐｒｅａｄ＋＋???

４?。茫粒慰偩€(xiàn)在勵磁裝置中的應用

ＣＡＮ總線(xiàn)是主要的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。由于其低廉的開(kāi)發(fā)費用、良好的抗干擾能力，ＣＡＮ總線(xiàn)在工業(yè)測控領(lǐng)域得到了廣泛應用。關(guān)于ＣＡＮ總線(xiàn)的基本概念和接口電路，其相關(guān)內容較多，本文只介紹如何用Ｃ８０５１Ｆ０６０實(shí)現ＣＡＮ總線(xiàn)通信的方法。

４．１ Ｃ８０５１Ｆ０６０的ＣＡＮ控制器結構

圖４給出了Ｃ８０５１Ｆ０６０的內部ＣＡＮ結構圖，由于ＭＣＵ不能直接訪(fǎng)問(wèn)信息ＲＡＭ，因此，必須通過(guò)ＩＦ寄存器與信息ＲＡＭ交換數據。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(fǎng)問(wèn)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(shí)，表示沒(méi)有中斷發(fā)生；當其為０ｘ０００１～０ｘ００２０時(shí)，表示３２幀信息的哪一幀引起中斷，而當其為０ｘ８０００時(shí)，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(guò)程與其它ＣＡＮ控制器類(lèi)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(xiàn)在智能功率柜中的應用

ＣＡＮ通信系統由四個(gè)節點(diǎn)組成，其中包括一個(gè)調節器和三個(gè)功率柜。功率柜由Ｃ８０５１Ｆ０６０完成通信功能，調節器由集成了ＣＡＮ協(xié)議的網(wǎng)卡ＨＴ－１３０２Ｂ負責通信。調節器可將單柜應發(fā)電流值、觸發(fā)角、同步信號周期以及脈沖寬度等參數發(fā)送給各功率柜。功率柜則將各柜的輸出電流值、導通監視結果、柜內各點(diǎn)溫度反饋回調節器。

５　結束語(yǔ)

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，同時(shí)可提高系統的整體可靠性。另外，Ｃ８０５１Ｆ０６０內核與普通５１系列兼容，且指令簡(jiǎn)單易學(xué)，因此，可縮短系統開(kāi)發(fā)周期。本系統由帶屏蔽層的雙絞線(xiàn)構成通信介質(zhì)，最大通信距離不超過(guò)１５０米，通信速率可達２５０ｋｂｐｓ。實(shí)際運行證明：通信效果很好。由此可見(jiàn)：本控制方案集成度高、硬件簡(jiǎn)單、工作可靠，具有很好的推廣價(jià)值。