基于單片機C8051F060的智能功率柜

摘要：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。 關鍵詞：C8051F060 微控制器 CAN 現(xiàn)場總線 勵磁 1　引言 隨著發(fā)電機容量的不斷增大，對勵磁系統(tǒng)的要求越來越高。國內目前使用的各類勵磁調節(jié)器都非常先進，但功率柜的制造水平卻不盡如人意，這勢必影響勵磁系統(tǒng)整體性能的提高進而妨礙整體發(fā)電系統(tǒng)性能的提高。 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(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　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(fā)過程非常容易;該芯片的JTAG調試方式支持在系統(tǒng)、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(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總線通過調節(jié)器送出，同時送達本地柜應發(fā)的電流值。經檢測得到的輸出電流與調節(jié)器的應發(fā)給定電流進行比較并完成PI運算，即可產生新的微調觸發(fā)角度。該觸發(fā)角度經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，調節(jié)器則經CAN網將觸發(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，當同步信號過零產生中斷時，PCA計數(shù)器開始計數(shù)，并根據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?，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(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-1/360TCLK TWN=TSYNα+W+90N-1/360TCLK 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Flash在線修改參數(shù)

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(qū)，這可通過設置PSCTL寄存器的SFLE位來實現(xiàn)。由于片內Flash必須先擦除再寫入，而且應當以512B為一扇區(qū)進行，故附加的128B的扇區(qū)更適合用作非易失性數(shù)據的存儲。在功率柜中，通常需要在線修改的參數(shù)為PI調節(jié)器的P和I，下面以KEIL C語句為例給出在線修改參數(shù)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(qū)擦除 PSCTL|=0X05 //允許Flash扇區(qū)寫 pwrite=0x0000 0x0000指向128B扇區(qū) *pwrite=0 //擦除Flash PSCTL=～0X02 //禁止擦除Flash fori=0i2i++ //將P和I參數(shù)寫入 *pwrite++=PIi PSCTL=～0x01 //禁止寫Flash pread=0x0000 //讀入當前值 fori1=0i12i1++ PIi1=*pread++ 4　CAN總線在勵磁裝置中的應用 CAN總線是主要的現(xiàn)場總線之一。由于其低廉的開發(fā)費用、良好的抗干擾能力，CAN總線在工業(yè)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(xiàn)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(shù)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(fā)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(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 通信的初始化過程與其它CAN控制器類似，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總線在智能功率柜中的應用

CAN通信系統(tǒng)由四個節(jié)點組成，其中包括一個調節(jié)器和三個功率柜。功率柜由C8051F060完成通信功能，調節(jié)器由集成了CAN協(xié)議的網卡HT-1302B負責通信。調節(jié)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(shù)發(fā)送給各功率柜。功率柜則將各柜的輸出電流值、導通監(jiān)視結果、柜內各點溫度反饋回調節(jié)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(tǒng)，同時可提高系統(tǒng)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(tǒng)開發(fā)周期。本系統(tǒng)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。