基于數(shù)字式電鍍電源并聯(lián)均流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1 總體設(shè)計(jì)

并聯(lián)均流系統(tǒng)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總線為通信媒介。主控模塊完成人機(jī)交互和整機(jī)的運(yùn)行監(jiān)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(wěn)壓或穩(wěn)流的方式工作。系統(tǒng)在穩(wěn)流工作方式下，主控模塊將設(shè)定工作電流均勻分配給每個(gè)功率模塊，功率模塊根據(jù)分配電流控制本模塊以穩(wěn) 流方式運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)流和均流。系統(tǒng)在穩(wěn)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(wěn)壓方式 工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)壓。同時(shí)主控模塊獲取每個(gè)功率模塊的電流，計(jì)算平均電流并分配給從模塊，從模塊按照平均電流以穩(wěn)流方式工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)均流。在穩(wěn)流或穩(wěn)壓 工作的基礎(chǔ)上，安培時(shí)模式下主控模塊統(tǒng)計(jì)工作安培時(shí)數(shù)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定安培時(shí)數(shù)時(shí)進(jìn)行加藥控制。工藝曲線模式下主控模塊控制系統(tǒng)按照設(shè)定的穩(wěn)壓或穩(wěn)流工作曲線工作。遠(yuǎn)程控制模式下，上位機(jī)通過(guò)與主控模塊通信完成對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片STM32F103VET6

STM32F103VET6屬于STM32F103增強(qiáng)系列處理器，具有更多片內(nèi)RAM和外設(shè)，具體特性如下：

1)采用基于哈佛架構(gòu)的3級(jí)流水線內(nèi)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(yùn)算速度高達(dá)1.25DMips /MHz.

2)內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，高達(dá)512 k字節(jié)的閃存和64 k字節(jié)的SRAM.

3)多達(dá)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(hào)。

4)多達(dá)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(qū)控制的PWM高級(jí)控制定時(shí)器、2個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器、系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器、2個(gè)用于驅(qū)動(dòng)DAC的16位基本定時(shí)器。

5)多達(dá)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(zhuǎn)換器，1μs轉(zhuǎn)換時(shí)間(多達(dá)21個(gè)輸入通道)和2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器。

STM32F103VET6出色的性能和豐富的資源使得幾乎不需要擴(kuò)展外圍電路就能完全滿足設(shè)計(jì)要求，使硬件設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化。執(zhí)行速度和內(nèi)存容量完全滿足 主控模塊的多任務(wù)實(shí)時(shí)應(yīng)用。如圖1所示，主控模塊設(shè)計(jì)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(jī)和485通信(上位機(jī)通信)，USB用于筆記本現(xiàn)場(chǎng)配置電源系統(tǒng)參數(shù)。主控模塊人機(jī)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(jì)34個(gè)。

2.2 CAN通信模塊

CAN通信模塊是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的通信模塊，由CAN控制器、 光耦隔離和CAN總線驅(qū)動(dòng)器組成(見(jiàn)圖1)。CAN控制器集成于STM32F103VET6內(nèi)部，完全支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B，波特?最高可達(dá) 1兆位/秒。控制器內(nèi)部集成3個(gè)優(yōu)先級(jí)可配置的發(fā)送郵箱、2個(gè)3級(jí)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總線驅(qū)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(shù) 據(jù)線和接收數(shù)據(jù)線。由于系統(tǒng)輸出功率大，電磁干擾強(qiáng)，采用高速光耦6N137將CAN控制器與CAN總線隔離。MCP2551是一個(gè)可容錯(cuò)的高速CAN總 線驅(qū)動(dòng)器，作為CAN控制器和物理總線的接口。

圖2 耦隔離和CAN總線驅(qū)動(dòng)器電路

2.3 LCD模塊

LCD模塊是人機(jī)界面的主要組成部分。用LCD代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)碼管，可以應(yīng)用圖形交互界面，使人機(jī)交互方便友善。系統(tǒng)采用240x128圖形點(diǎn)陣STN液晶模塊ZLG240128A，該模塊采用RA6963控制器，內(nèi)建256-word的ROM字形產(chǎn)生器，可以顯示英 文字型、數(shù)字符號(hào)等字母，并支持最大64 kByte的外部顯示內(nèi)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(cè)LCD控制和數(shù)據(jù)線與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(diào)節(jié)。

圖3 LCD接口電路