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(xiàn)方法。該控制方案系統(tǒng)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(chǎn)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(xiàn)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?。茫福埃担保疲埃叮?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/單片機">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(nèi)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(nèi)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(fā)過程非常容易；該芯片的ＪＴＡＧ調(diào)試方式支持在系統(tǒng)、全速、非插入調(diào)試和編程，且不占用片內(nèi)資源。

（２）片上集成有６４ｋＢ Ｆｌａｓｈ、４３５２Ｂ內(nèi)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(nèi)部電壓基準以及片內(nèi)電源監(jiān)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(nèi)Ｆｌａｓｈ實現(xiàn)），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(tǒng)創(chuàng)造了條件，同時也提高了系統(tǒng)的可靠性。



（３）片內(nèi)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(fā)費用低廉、抗干擾性強、可適用于工業(yè)現(xiàn)場應用等特點，并可廣泛應用于干擾環(huán)境非常嚴重的各種工業(yè)現(xiàn)場測控領域。Ｃ８０５１Ｆ０６０只需加上ＣＡＮ總線收發(fā)電路就可掛接到ＣＡＮ通信網(wǎng)絡上，因而大大簡化了通信系統(tǒng)的設計，減少了通信節(jié)點受干擾的概率。

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

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

３　智能勵磁功率柜的系統(tǒng)結構

智能功率柜系統(tǒng)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(shù)為觸發(fā)角度，該參數(shù)可由ＣＡＮ總線通過調(diào)節(jié)器送出，同時送達本地柜應發(fā)的電流值。經(jīng)檢測得到的輸出電流與調(diào)節(jié)器的應發(fā)給定電流進行比較并完成ＰＩ運算，即可產(chǎn)生新的微調(diào)觸發(fā)角度。該觸發(fā)角度經(jīng)ＰＣＡ形成觸發(fā)脈沖繼而驅動三相全控橋，從而實現(xiàn)柜間均流。與此同時，通過信號檢測模塊還可將柜內(nèi)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(shù)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(xiàn)的數(shù)字移相觸發(fā)

三相晶閘管全控橋的工作原理及六個晶閘管的觸發(fā)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(shù)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(diào)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(shù)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(fā)生變化，并引起相應中斷。

觸發(fā)信號從同步信號過零點開始計時，調(diào)節(jié)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圖３，當同步信號過零產(chǎn)生中斷時，ＰＣＡ計數(shù)器開始計數(shù)，并根據(jù)α、Ｗ、ＴＳＹＮ及ＰＣＡ計數(shù)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(shù)器的值相符時，ＣＥＸ引腳將變?yōu)楦唠娖剑允瓜鄳K產(chǎn)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(shù)器值相符時，ＣＥＸ引腳變?yōu)榈碗娖?，其中一路觸發(fā)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＝ＴＳＹＮα＋９０Ｎ－１?。常叮埃裕茫蹋?/p>

ＴＷＮ＝ＴＳＹＮα＋Ｗ＋９０Ｎ－１?。常叮埃裕茫蹋?/p>

式中，Ｎ可取１２．．．６， ＴＣＬＫ為ＰＣＡ計數(shù)器的計數(shù)周期。

３．２ 通過片內(nèi)Ｆｌａｓｈ在線修改參數(shù)