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          基于LPC2119的微弧氧化電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

          作者: 時(shí)間:2013-07-10 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            1.引言

            (MAO)是一種在金屬表面原位生長(zhǎng)陶瓷層的表面處理技術(shù),該技術(shù)是利用等離子體化學(xué)和電化學(xué)原理,使材料表面產(chǎn)生微區(qū)弧光放電,在化學(xué)、電化學(xué)和等離子體的共同作用下,原位生長(zhǎng)陶瓷層的新技術(shù)。是保證工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,其主要功能是在微弧氧化處理生產(chǎn)過(guò)程中,產(chǎn)生和控制具有脈沖電場(chǎng)以及過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)和控制。

            本文研制的微弧氧化采用功率模塊換流技術(shù),實(shí)現(xiàn)了微弧氧化工藝所需的高電壓、大電流、寬頻帶和高質(zhì)正、負(fù)脈沖輸出。利用基于ARM的自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電壓、電流、脈沖頻率、占空比等電參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)控。ARM(Advanced RISC Machines)處理器是一種32位嵌入式微處理器,和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比,ARM嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn);和參考文獻(xiàn)中的16位單片機(jī)相比,ARM嵌入式微處理器具有速度快、功能多、功耗低、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。而本文研制的微弧氧化控制系統(tǒng)采用的CPU就是基于ARM7的處理器,它是一種支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16/32位CPU,具有零等待的256K的片內(nèi)FLASH和16K的SRAM,無(wú)需擴(kuò)展存儲(chǔ)器,內(nèi)部具有UART、硬件I2C、SPI總線、PWM、定時(shí)器、ADC、CAN總線控制器等眾多外圍部件,功能強(qiáng)大。

            2.控制系統(tǒng)的說(shuō)明

            微弧氧化電源的主電路由變壓器輸出、可控硅整流、電感電容濾波、IGBT斬波變換器四部分組成。本文所設(shè)計(jì)的微弧氧化電源控制系統(tǒng)的主要任務(wù)就是根據(jù)工藝要求,對(duì)微弧氧化控制系統(tǒng)的晶閘管、IGBT等模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng),完成設(shè)置工藝要求、存儲(chǔ)工藝編號(hào)、輸出報(bào)警信號(hào)的功能。所以本控制系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分:

            最小系統(tǒng)部分:產(chǎn)生CPU工作電源、外部晶振及JATAG調(diào)試口;

            A/D和D/A轉(zhuǎn)換部分:采集電壓和電流值,并把設(shè)置值發(fā)送到晶閘管模塊;

            輸入輸出部分:產(chǎn)生一些輸入和輸出信號(hào);

            CAN通信部分:傳送和接收一些設(shè)置參數(shù);

            E2PROM部分:完成對(duì)工藝編號(hào)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

            3.硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

            3.1 最小系統(tǒng)部分

            最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、晶振電路、電源電路、組成。復(fù)位芯片采用的是MAX809監(jiān)控芯片,它可以輸出寬度高達(dá)240MS的低電平復(fù)位脈沖,足以保證系統(tǒng)的,實(shí)時(shí)復(fù)位;外部晶振設(shè)定為11.0592MHZ,內(nèi)部最大可倍頻至60MHZ,大大提高了CPU的速度;電源電路部分主要給提供其所需兩種電壓,一種是給外部端口供電的3.3伏,一種是給ARM核供電的1.8伏;LPC2119具有零等待的256K的片內(nèi)FLASH和16K的SRAM,無(wú)需擴(kuò)展存儲(chǔ)器,還自帶看門狗功能,這樣不僅為系統(tǒng)節(jié)約了資源,也提高了可靠性。

            3.2 A/D和D/A轉(zhuǎn)換部分

            TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器,使用開(kāi)關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程。它具有10μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間,11個(gè)模擬輸入通道,串行輸入結(jié)構(gòu),支持SPI總線時(shí)序(而LPC2119本身就有SPI接口,這就節(jié)省了I/O資源),且價(jià)格適中,分辨率較高。

            MAX5322是±10V雙12位串口數(shù)模轉(zhuǎn)換器,工作電壓±12V" ±15V,輸出從±5V" ±10V,有極好的INL和DNL線性度,最大值為±1LSB,到0.5LSB的建立時(shí)間為10us,由于它也是串行輸入結(jié)構(gòu),支持SPI總線時(shí)序,所以MAX5322和TLC2543可共用SPI總線,只需通過(guò)片選來(lái)選擇不同的芯片,這樣設(shè)計(jì)既節(jié)省了LPC2119的I/O資源,又方便了編程。

            TLC2543的作用是把采集到的實(shí)時(shí)電壓和電流值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值,通過(guò)CAN總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示;MAX5322的作用是把上位機(jī)設(shè)置的工作電壓和工作電流值轉(zhuǎn)換為模擬量用來(lái)控制晶閘管的輸出,使其在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)置的電壓。當(dāng)有正負(fù)兩路輸出時(shí),增加一個(gè)MAX5322便可達(dá)到要求。

            3.3 CAN通信部分

            CAN接口部分的作用是向上位機(jī)傳送要顯示的一些變量和向下位機(jī)傳送上位機(jī)設(shè)置的變量,如電壓,電流,PWM的頻率、占空比、正脈沖和負(fù)脈沖的個(gè)數(shù)等。CAN總線以其高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信中,已被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一,它是多主總線,通信介質(zhì)可以是雙絞線,通信速率可達(dá)1M/s,最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)10km。是一種支持分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)[1]。LPC2119自身就集成有CAN控制器,因此只需外加一個(gè)CAN的收發(fā)器PCA82C250,便可驅(qū)動(dòng)CAN總線通信。

            3.4 E2PROM部分

            E2PROM完成對(duì)工藝編號(hào)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。本文采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C64芯片,其存儲(chǔ)大小為8192字節(jié);始終可讀寫;至少100萬(wàn)次擦寫;至少100年數(shù)據(jù)保存期。它支持I2C總線,而LPC2119集成有I2C總線接口,這樣就可硬件實(shí)現(xiàn)通信。

            4.軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

            本系統(tǒng)功能多且復(fù)雜,基于工業(yè)控制對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的考慮,采用了實(shí)時(shí)性較高的uC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)。μC/OS-II是一個(gè)采用基于固定優(yōu)先級(jí)的占先式調(diào)度方式的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核,可固化、可剪裁、具有高穩(wěn)定性和可靠性,此外,μC/OS-II的鮮明特點(diǎn)就是源碼公開(kāi),便于移植和維護(hù)。本系統(tǒng)的任務(wù)順序如下:

            任務(wù)一:建立任務(wù)二,任務(wù)三和任務(wù)四;

            任務(wù)二:通過(guò)CAN接口接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào),包括預(yù)先設(shè)好的參數(shù)值;(由上位機(jī)定時(shí)發(fā)送過(guò)來(lái))

            任務(wù)三:進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,PID調(diào)節(jié),D/A轉(zhuǎn)換;這三者緊密相連:A/D轉(zhuǎn)換把輸入的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,并作為PID調(diào)節(jié)的輸入,而PID調(diào)節(jié)的輸出通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換輸出到晶閘管的輸入端,從而改變模塊的輸出;

            任務(wù)四:E2PROM完成工藝編號(hào)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),CAN接口將輸出的參數(shù)值傳送給上位機(jī)顯示;

            快速中斷:當(dāng)接到上位機(jī)的開(kāi)始或者結(jié)束信號(hào)時(shí),PWM快速中斷分別產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)和停止信號(hào),此處對(duì)響應(yīng)速度的要求較高,如果不及時(shí)就可能燒壞模塊,所以必須采用快速中斷。

            5.結(jié)論

            本系統(tǒng)已研制成功并應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品,效果很好。此系統(tǒng)把LPC2119處理器和uC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用到控制系統(tǒng)中,并且采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)通信,大大提高了系統(tǒng)的高穩(wěn)定性和可靠性;可按上位機(jī)的設(shè)置來(lái)選擇恒壓或者恒流的工作方式;可設(shè)置電壓調(diào)整范圍在0"1000伏(不同型號(hào)最高值不同);脈沖頻率在20Hz"10KHz可調(diào);占空比在5%"95%之間可調(diào)。此系統(tǒng)方便維護(hù)和擴(kuò)展,足以滿足現(xiàn)在微弧氧化電源控制系統(tǒng)的需求!



          關(guān)鍵詞: LPC2119 微弧氧化 電源

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