采用單片機C8051F060的智能功率柜的原理及設計

概述：簡要介紹了智能勵磁功率柜的概念及C8051F060單片機的特點，詳細論述了基于C8051F060的智能勵磁功率柜的結構、原理以及與CAN總線通信的實現方法。該控制方案系統集成度高、硬件簡單、工作可靠，具有很好的推廣價值。

１　引言

目前，國產的勵磁功率柜普遍存在檢測功能不全、信息傳送技術、控制和檢測技術落后等問題。為了解決這一問題，本文給出了通過采用高集成度單片機Ｃ８０５１Ｆ０６０實現的智能勵磁功率柜與ＣＡＮ總線的通信方法，該方案具有完備的檢測、控制和通信功能。

２　Ｃ８０５１Ｆ０６０單片機的特點

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的使用實踐介紹一下其新特點：

（１）內核采用流水線結構，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，因而掌握開發過程非常容易；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、降壓檢測和看門狗等功能。由于Ｃ８０５１Ｆ０６０的高集成度，因而無需外擴ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＡＤ、ＤＡ、ｗａｔｃｈｄｏｇ、可編程Ｉ／Ｏ口和ＥＥＰＲＯＭ（用片內Ｆｌａｓｈ實現），從而大大簡化了硬件電路，并為構成以Ｃ８０５１Ｆ０６０為核心的單片機系統創造了條件，同時也提高了系統的可靠性。



??? （３）片內集成有２個ＵＡＲＴ、１個ＳＭ（兼容Ｉ２Ｃ）和１個ＳＰＩ。最為便利的是，Ｃ８０５１Ｆ０６０集成了ＣＡＮ總線控制器，這使得ＣＡＮ總線具有開發費用低廉、抗干擾性強、可適用于工業現場應用等特點，并可廣泛應用于干擾環境非常嚴重的各種工業現場測控領域。Ｃ８０５１Ｆ０６０只需加上ＣＡＮ總線收發電路就可掛接到ＣＡＮ通信網絡上，因而大大簡化了通信系統的設計，減少了通信節點受干擾的概率。

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

（５）Ｃ８０５１Ｆ０６０能滿足絕大多數工業測控節點的要求，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。

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。功率柜中最關鍵的部件是三相全控橋，控制此橋的核心參數為觸發角度，該參數可由ＣＡＮ總線通過調節器送出，同時送達本地柜應發的電流值。經檢測得到的輸出電流與調節器的應發給定電流進行比較并完成ＰＩ運算，即可產生新的微調觸發角度。該觸發角度經ＰＣＡ形成觸發脈沖繼而驅動三相全控橋，從而實現柜間均流。與此同時，通過信號檢測模塊還可將柜內溫度、晶閘管通斷狀態、輸出電流值送入微控制器，以對各參數進行計算分析，并將其與設定的閾值進行比較，最后實時顯示測量結果，同時報警。

圖3 同步信號采集電路

??? ３．１ 基于ＰＣＡ模塊實現的數字移相觸發

三相晶閘管全控橋的工作原理及六個晶閘管的觸發脈沖相序關系如圖２所示。

該ＰＣＡ中包含６個基于同一１６位計數器，并可作為時基的捕捉／比較模塊，每個模塊可構成正沿捕捉、負沿捕捉、正負沿捕捉、軟件定時器、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，相應模塊的ＣＥＸ引腳的邏輯電平將發生變化，并引起相應中斷。

觸發信號從同步信號過零點開始計時，調節器則經ＣＡＮ網將觸發角的電角度值α、同步信號周期值ＴＳＹＮ和脈沖寬度Ｗ發送給各功率柜。同步信號采樣電路見圖３，當同步信號過零產生中斷時，ＰＣＡ計數器開始計數，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寫入６個模塊的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，ＣＥＸ引腳將變為高電平，以使相應模塊產生中斷，同時在中斷子程序中，相應的ＴＷＮ被寫入１６位捕捉／比較寄存器。當其與ＰＣＡ計數器值相符時，ＣＥＸ引腳變為低電平，其中一路觸發單脈沖。用門電路便可將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可取１?２?．．．?６， ＴＣＬＫ為ＰＣＡ計數器的計數周期。

３．２ 通過片內Ｆｌａｓｈ在線修改參數

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，這可通過設置ＰＳＣＴＬ寄存器的ＳＦＬＥ位來實現。由于片內Ｆｌａｓｈ必須先擦除再寫入，而且應當以５１２Ｂ為一扇區進行，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，通常需要在線修改的參數為ＰＩ調節器的Ｐ和Ｉ，下面以ＫＥＩＬ Ｃ語句為例給出在線修改參數的程序：

ＷｒＲｅ Ｆｌａｓｈ?　?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｘｄａｔａ ＊ｐｗｒｉｔｅ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｃｏｄｅ ＊ｐｒｅａｄ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｉ ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｉ１?

ＷＤＴＣＮ＝０ｘｄｅ? ／／禁止看門狗

ＷＤＴＣＮ＝０ｘａｄ?

ＦＬＳＣＬ｜＝０ｘ０９? ／／２５ＭＨｚ時鐘的擦寫頻率

ＰＳＣＴＬ｜＝０Ｘ０２? ／／允許Ｆｌａｓｈ扇區擦除

ＰＳＣＴＬ｜＝０Ｘ０５? ／／允許Ｆｌａｓｈ扇區寫

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參數寫入

?＊ｐｗｒｉｔｅ＋＋＝ＰＩ?ｉ?? ?

ＰＳＣＴＬ＆＝～０ｘ０１? ／／禁止寫Ｆｌａｓｈ

ｐｒｅａｄ＝０ｘ００００? ／／讀入當前值

ｆｏｒ?ｉ１＝０?ｉ１＜２?ｉ１＋＋　

? ＰＩ?ｉ１?＝＊ｐｒｅａｄ＋＋????

４　ＣＡＮ總線在勵磁裝置中的應用

ＣＡＮ總線是主要的現場總線之一。由于其低廉的開發費用、良好的抗干擾能力，ＣＡＮ總線在工業測控領域得到了廣泛應用。關于ＣＡＮ總線的基本概念和接口電路，其相關內容較多，本文只介紹如何用Ｃ８０５１Ｆ０６０實現ＣＡＮ總線通信的方法。

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不能直接訪問信息ＲＡＭ，因此，必須通過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、發送功能，ＩＦ的ＣｏｍｍａｎｄＲｅｑｕｅｓｔ寄存器可用于定義訪問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，表示沒有中斷發生；當其為０ｘ０００１～０ｘ００２０時，表示３２幀信息的哪一幀引起中斷，而當其為０ｘ８０００時，則表示狀態改變（發送完成、接收完成、錯誤狀態等）引起中斷。

４．２ ＣＡＮ通信

通信的初始化過程與其它ＣＡＮ控制器類似，圖５給出了其發送、信息ＲＡＭ與ＩＦ通信和接收中斷子程序的框圖。

４．３ ＣＡＮ總線在智能功率柜中的應用

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

５　結束語

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，且指令簡單易學，因此，可縮短系統開發周期。本系統由帶屏蔽層的雙絞線構成通信介質，最大通信距離不超過１５０米，通信速率可達２５０ｋｂｐｓ。實際運行證明：通信效果很好。由此可見：本控制方案集成度高、硬件簡單、工作可靠，具有很好的推廣價值。