采用单片机C8051F060的智能功率柜的原理及设计

概述：简要介绍了智能励磁功率柜的概念及C8051F060单片机的特点，详细论述了基于C8051F060的智能励磁功率柜的结构、原理以及与CAN总线通信的实现方法。该控制方案系统集成度高、硬件简单、工作可靠，具有很好的推广价值。

１　引言

目前，国产的励磁功率柜普遍存在检测功能不全、信息传送技术、控制和检测技术落后等问题。为了解决这一问题，本文给出了通过采用高集成度单片机Ｃ８０５１Ｆ０６０实现的智能励磁功率柜与ＣＡＮ总线的通信方法，该方案具有完备的检测、控制和通信功能。

２　Ｃ８０５１Ｆ０６０单片机的特点

Ｃ８０５１ＦＸＸ系列单片机是美国ＣＹＧＮＡＬ公司推出的一种与５１系列单片机内核兼容的单片机。仅就笔者对Ｃ８０５１Ｆ０６０的使用实践介绍一下其新特点：

（１）内核采用流水线结构，速度可达２５ＭＩＰＳ（２５ＭＨｚ晶振），比普通的５１单片机快１０倍；其指令与标准系列５１单片机兼容，因而掌握开发过程非常容易；该芯片的ＪＴＡＧ调试方式支持在系统、全速、非插入调试和编程，且不占用片内资源。

（２）片上集成有６４ｋＢ Ｆｌａｓｈ、４３５２Ｂ内部ＲＡＭ（２５６＋４ｋＢ，可外扩至６４ｋＢ）、５９个Ｉ／Ｏ口、 ２通道１６位１ＭＳＰＳ的可编程增益ＡＤＣ、８通道１０位２００ｋＳＰＳ可编程增益ＡＤＣ、２路１２位ＤＡＣ、３路模拟比较器、内部电压基准以及片内电源监视、降压检测和看门狗等功能。由于Ｃ８０５１Ｆ０６０的高集成度，因而无需外扩ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＡＤ、ＤＡ、ｗａｔｃｈｄｏｇ、可编程Ｉ／Ｏ口和ＥＥＰＲＯＭ（用片内Ｆｌａｓｈ实现），从而大大简化了硬件电路，并为构成以Ｃ８０５１Ｆ０６０为核心的单片机系统创造了条件，同时也提高了系统的可靠性。



    （３）片内集成有２个ＵＡＲＴ、１个ＳＭ（兼容Ｉ２Ｃ）和１个ＳＰＩ。最为便利的是，Ｃ８０５１Ｆ０６０集成了ＣＡＮ总线控制器，这使得ＣＡＮ总线具有开发费用低廉、抗干扰性强、可适用于工业现场应用等特点，并可广泛应用于干扰环境非常严重的各种工业现场测控领域。Ｃ８０５１Ｆ０６０只需加上ＣＡＮ总线收发电路就可挂接到ＣＡＮ通信网络上，因而大大简化了通信系统的设计，减少了通信节点受干扰的概率。

（４）可编程的１６位计数器阵列?ＰＣＡ　有６个捕捉／比较模块和５个通用１６位计数器／定时器，这一为要求定时器／计数器具有较多的测控节点提供了方便。

（５）Ｃ８０５１Ｆ０６０能满足绝大多数工业测控节点的要求，能够形成以Ｃ８０５１Ｆ０６０为核心的单片机系统，如果配以外围测量单元，还可形成完整的测控节点。

３　智能励磁功率柜的系统结构

智能功率柜系统原理框图如图１所示。功率柜中最关键的部件是三相全控桥，控制此桥的核心参数为触发角度，该参数可由ＣＡＮ总线通过调节器送出，同时送达本地柜应发的电流值。经检测得到的输出电流与调节器的应发给定电流进行比较并完成ＰＩ运算，即可产生新的微调触发角度。该触发角度经ＰＣＡ形成触发脉冲继而驱动三相全控桥，从而实现柜间均流。与此同时，通过信号检测模块还可将柜内温度、晶闸管通断状态、输出电流值送入微控制器，以对各参数进行计算分析，并将其与设定的阈值进行比较，最后实时显示测量结果，同时报警。

图3 同步信号采集电路

    ３．１ 基于ＰＣＡ模块实现的数字移相触发

三相晶闸管全控桥的工作原理及六个晶闸管的触发脉冲相序关系如图２所示。

该ＰＣＡ中包含６个基于同一１６位计数器，并可作为时基的捕捉／比较模块，每个模块可构成正沿捕捉、负沿捕捉、正负沿捕捉、软件定时器、高速输出、脉冲宽度调制器等６种方式。本设计中采用的是高速输出模式，当ＰＣＡ计数器与模块的１６位捕捉／比较寄存器相匹配时，相应模块的ＣＥＸ引脚的逻辑电平将发生变化，并引起相应中断。

触发信号从同步信号过零点开始计时，调节器则经ＣＡＮ网将触发角的电角度值α、同步信号周期值ＴＳＹＮ和脉冲宽度Ｗ发送给各功率柜。同步信号采样电路见图３，当同步信号过零产生中断时，ＰＣＡ计数器开始计数，并根据α、Ｗ、ＴＳＹＮ及ＰＣＡ计数频率计算出α的对应值Ｔα１～Ｔα６和脉冲后沿的对应值ＴＷ１～ＴＷ６，然后将Ｔα１～Ｔα６写入６个模块的１６位捕捉／比较寄存器中。当捕捉寄存器的值与ＰＣＡ计数器的值相符时，ＣＥＸ引脚将变为高电平，以使相应模块产生中断，同时在中断子程序中，相应的ＴＷＮ被写入１６位捕捉／比较寄存器。当其与ＰＣＡ计数器值相符时，ＣＥＸ引脚变为低电平，其中一路触发单脉冲。用门电路便可将６路单脉冲合为６路双窄脉冲。下式为Ｔα和ＴＷ计算方法：

ＴαＮ＝ＴＳＹＮ?α＋９０?Ｎ－１　?／３６０ＴＣＬＫ

ＴＷＮ＝ＴＳＹＮ?α＋Ｗ＋９０?Ｎ－１　?／３６０ＴＣＬＫ

式中，Ｎ可取１?２?．．．?６， ＴＣＬＫ为ＰＣＡ计数器的计数周期。

３．２ 通过片内Ｆｌａｓｈ在线修改参数

Ｃ８０５１Ｆ０６０中Ｆｌａｓｈ的０Ｘ００００～０Ｘ００７Ｆ地址范围既可用于片内６４ｋＢ Ｆｌａｓｈ，也可用于附加的１２８Ｂ的扇区，这可通过设置ＰＳＣＴＬ寄存器的ＳＦＬＥ位来实现。由于片内Ｆｌａｓｈ必须先擦除再写入，而且应当以５１２Ｂ为一扇区进行，故附加的１２８Ｂ的扇区更适合用作非易失性数据的存储。在功率柜中，通常需要在线修改的参数为ＰＩ调节器的Ｐ和Ｉ，下面以ＫＥＩＬ Ｃ语句为例给出在线修改参数的程序：

ＷｒＲｅ Ｆｌａｓｈ?　?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｘｄａｔａ ＊ｐｗｒｉｔｅ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｃｏｄｅ ＊ｐｒｅａｄ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｉ ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｉ１?

ＷＤＴＣＮ＝０ｘｄｅ? ／／禁止看门狗

ＷＤＴＣＮ＝０ｘａｄ?

ＦＬＳＣＬ｜＝０ｘ０９? ／／２５ＭＨｚ时钟的擦写频率

ＰＳＣＴＬ｜＝０Ｘ０２? ／／允许Ｆｌａｓｈ扇区擦除

ＰＳＣＴＬ｜＝０Ｘ０５? ／／允许Ｆｌａｓｈ扇区写

ｐｗｒｉｔｅ＝０ｘ００００? ０ｘ００００指向１２８Ｂ扇区

＊ｐｗｒｉｔｅ＝０? ／／擦除Ｆｌａｓｈ

ＰＳＣＴＬ＆＝～０Ｘ０２? ／／禁止擦除Ｆｌａｓｈ

ｆｏｒ?ｉ＝０?ｉ＜２?ｉ＋＋　 ／／将Ｐ和Ｉ参数写入

?＊ｐｗｒｉｔｅ＋＋＝ＰＩ?ｉ?? ?

ＰＳＣＴＬ＆＝～０ｘ０１? ／／禁止写Ｆｌａｓｈ

ｐｒｅａｄ＝０ｘ００００? ／／读入当前值

ｆｏｒ?ｉ１＝０?ｉ１＜２?ｉ１＋＋　

? ＰＩ?ｉ１?＝＊ｐｒｅａｄ＋＋??? 

４　ＣＡＮ总线在励磁装置中的应用

ＣＡＮ总线是主要的现场总线之一。由于其低廉的开发费用、良好的抗干扰能力，ＣＡＮ总线在工业测控领域得到了广泛应用。关于ＣＡＮ总线的基本概念和接口电路，其相关内容较多，本文只介绍如何用Ｃ８０５１Ｆ０６０实现ＣＡＮ总线通信的方法。

４．１ Ｃ８０５１Ｆ０６０的ＣＡＮ控制器结构

图４给出了Ｃ８０５１Ｆ０６０的内部ＣＡＮ结构图，由于ＭＣＵ不能直接访问信息ＲＡＭ，因此，必须通过ＩＦ寄存器与信息ＲＡＭ交换数据。信息ＲＡＭ共可存储３２帧信息。而ＩＦ寄存器则分为ＩＦ１和ＩＦ２两组，以分别定义为接受、发送功能，ＩＦ的ＣｏｍｍａｎｄＲｅｑｕｅｓｔ寄存器可用于定义访问３２帧信息的哪一帧，ＣｏｍｍａｎｄＭａｓｋ则用于定义将一帧信息的哪一部分传到信息ＲＡＭ中。

当中断寄存器ＩＲ为０ｘ００００时，表示没有中断发生；当其为０ｘ０００１～０ｘ００２０时，表示３２帧信息的哪一帧引起中断，而当其为０ｘ８０００时，则表示状态改变（发送完成、接收完成、错误状态等）引起中断。

４．２ ＣＡＮ通信

通信的初始化过程与其它ＣＡＮ控制器类似，图５给出了其发送、信息ＲＡＭ与ＩＦ通信和接收中断子程序的框图。

４．３ ＣＡＮ总线在智能功率柜中的应用

    ＣＡＮ通信系统由四个节点组成，其中包括一个调节器和三个功率柜。功率柜由Ｃ８０５１Ｆ０６０完成通信功能，调节器由集成了ＣＡＮ协议的网卡ＨＴ－１３０２Ｂ负责通信。调节器可将单柜应发电流值、触发角、同步信号周期以及脉冲宽度等参数发送给各功率柜。功率柜则将各柜的输出电流值、导通监视结果、柜内各点温度反馈回调节器。

５　结束语

由于Ｃ８０５１Ｆ０６０的高集成度，因而只需少量外围测量电路便可组成集控制与通信功能于一体的单片系统，同时可提高系统的整体可靠性。另外，Ｃ８０５１Ｆ０６０内核与普通５１系列兼容，且指令简单易学，因此，可缩短系统开发周期。本系统由带屏蔽层的双绞线构成通信介质，最大通信距离不超过１５０米，通信速率可达２５０ｋｂｐｓ。实际运行证明：通信效果很好。由此可见：本控制方案集成度高、硬件简单、工作可靠，具有很好的推广价值。