采用單片機(jī)C8051F060的智能功率柜的原理及設(shè)計(jì)

概述：簡(jiǎn)要介紹了智能勵(lì)磁功率柜的概念及C8051F060單片機(jī)的特點(diǎn)，詳細(xì)論述了基于C8051F060的智能勵(lì)磁功率柜的結(jié)構(gòu)、原理以及與CAN總線通信的實(shí)現(xiàn)方法。該控制方案系統(tǒng)集成度高、硬件簡(jiǎn)單、工作可靠，具有很好的推廣價(jià)值。

１　引言

目前，國(guó)產(chǎn)的勵(lì)磁功率柜普遍存在檢測(cè)功能不全、信息傳送技術(shù)、控制和檢測(cè)技術(shù)落后等問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，本文給出了通過(guò)采用高集成度單片機(jī)Ｃ８０５１Ｆ０６０實(shí)現(xiàn)的智能勵(lì)磁功率柜與ＣＡＮ總線的通信方法，該方案具有完備的檢測(cè)、控制和通信功能。

２　Ｃ８０５１Ｆ０６０單片機(jī)的特點(diǎn)

Ｃ８０５１ＦＸＸ系列單片機(jī)是美國(guó)ＣＹＧＮＡＬ公司推出的一種與５１系列單片機(jī)內(nèi)核兼容的單片機(jī)。僅就筆者對(duì)Ｃ８０５１Ｆ０６０的使用實(shí)踐介紹一下其新特點(diǎn)：

（１）內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，速度可達(dá)２５ＭＩＰＳ（２５ＭＨｚ晶振），比普通的５１單片機(jī)快１０倍；其指令與標(biāo)準(zhǔn)系列５１單片機(jī)兼容，因而掌握開(kāi)發(fā)過(guò)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(kuò)至６４ｋＢ）、５９個(gè)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(zhǔn)以及片內(nèi)電源監(jiān)視、降壓檢測(cè)和看門(mén)狗等功能。由于Ｃ８０５１Ｆ０６０的高集成度，因而無(wú)需外擴(kuò)ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＡＤ、ＤＡ、ｗａｔｃｈｄｏｇ、可編程Ｉ／Ｏ口和ＥＥＰＲＯＭ（用片內(nèi)Ｆｌａｓｈ實(shí)現(xiàn)），從而大大簡(jiǎn)化了硬件電路，并為構(gòu)成以Ｃ８０５１Ｆ０６０為核心的單片機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。



??? （３）片內(nèi)集成有２個(gè)ＵＡＲＴ、１個(gè)ＳＭ（兼容Ｉ２Ｃ）和１個(gè)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(kāi)發(fā)費(fèi)用低廉、抗干擾性強(qiáng)、可適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等特點(diǎn)，并可廣泛應(yīng)用于干擾環(huán)境非常嚴(yán)重的各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控領(lǐng)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(luò)上，因而大大簡(jiǎn)化了通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減少了通信節(jié)點(diǎn)受干擾的概率。

（４）可編程的１６位計(jì)數(shù)器陣列?ＰＣＡ　有６個(gè)捕捉／比較模塊和５個(gè)通用１６位計(jì)數(shù)器／定時(shí)器，這一為要求定時(shí)器／計(jì)數(shù)器具有較多的測(cè)控節(jié)點(diǎn)提供了方便。

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

３　智能勵(lì)磁功率柜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能功率柜系統(tǒng)原理框圖如圖１所示。功率柜中最關(guān)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(guò)調(diào)節(jié)器送出，同時(shí)送達(dá)本地柜應(yīng)發(fā)的電流值。經(jīng)檢測(cè)得到的輸出電流與調(diào)節(jié)器的應(yīng)發(fā)給定電流進(jìn)行比較并完成ＰＩ運(yùn)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(qū)動(dòng)三相全控橋，從而實(shí)現(xiàn)柜間均流。與此同時(shí)，通過(guò)信號(hào)檢測(cè)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(duì)各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，并將其與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，最后實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，同時(shí)報(bào)警。

圖3 同步信號(hào)采集電路

??? ３．１ 基于ＰＣＡ模塊實(shí)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(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖相序關(guān)系如圖２所示。

該ＰＣＡ中包含６個(gè)基于同一１６位計(jì)數(shù)器，并可作為時(shí)基的捕捉／比較模塊，每個(gè)模塊可構(gòu)成正沿捕捉、負(fù)沿捕捉、正負(fù)沿捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸出、脈沖寬度調(diào)制器等６種方式。本設(shè)計(jì)中采用的是高速輸出模式，當(dāng)ＰＣＡ計(jì)數(shù)器與模塊的１６位捕捉／比較寄存器相匹配時(shí)，相應(yīng)模塊的ＣＥＸ引腳的邏輯電平將發(fā)生變化，并引起相應(yīng)中斷。

觸發(fā)信號(hào)從同步信號(hào)過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始計(jì)時(shí)，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(hào)周期值ＴＳＹＮ和脈沖寬度Ｗ發(fā)送給各功率柜。同步信號(hào)采樣電路見(jiàn)圖３，當(dāng)同步信號(hào)過(guò)零產(chǎn)生中斷時(shí)，ＰＣＡ計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，并根據(jù)α、Ｗ、ＴＳＹＮ及ＰＣＡ計(jì)數(shù)頻率計(jì)算出α的對(duì)應(yīng)值Ｔα１～Ｔα６和脈沖后沿的對(duì)應(yīng)值ＴＷ１～ＴＷ６，然后將Ｔα１～Ｔα６寫(xiě)入６個(gè)模塊的１６位捕捉／比較寄存器中。當(dāng)捕捉寄存器的值與ＰＣＡ計(jì)數(shù)器的值相符時(shí)，ＣＥＸ引腳將變?yōu)楦唠娖剑允瓜鄳?yīng)模塊產(chǎn)生中斷，同時(shí)在中斷子程序中，相應(yīng)的ＴＷＮ被寫(xiě)入１６位捕捉／比較寄存器。當(dāng)其與ＰＣＡ計(jì)數(shù)器值相符時(shí)，ＣＥＸ引腳變?yōu)榈碗娖?，其中一路觸發(fā)單脈沖。用門(mén)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(jì)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為ＰＣＡ計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)周期。

３．２ 通過(guò)片內(nèi)Ｆｌａｓｈ在線修改參數(shù)

Ｃ８０５１Ｆ０６０中Ｆｌａｓｈ的０Ｘ００００～０Ｘ００７Ｆ地址范圍既可用于片內(nèi)６４ｋＢ Ｆｌａｓｈ，也可用于附加的１２８Ｂ的扇區(qū)，這可通過(guò)設(shè)置ＰＳＣＴＬ寄存器的ＳＦＬＥ位來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于片內(nèi)Ｆｌａｓｈ必須先擦除再寫(xiě)入，而且應(yīng)當(dāng)以５１２Ｂ為一扇區(qū)進(jìn)行，故附加的１２８Ｂ的扇區(qū)更適合用作非易失性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。在功率柜中，通常需要在線修改的參數(shù)為ＰＩ調(diào)節(jié)器的Ｐ和Ｉ，下面以ＫＥＩＬ Ｃ語(yǔ)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(mén)狗

ＷＤＴＣＮ＝０ｘａｄ?

ＦＬＳＣＬ｜＝０ｘ０９? ／／２５ＭＨｚ時(shí)鐘的擦寫(xiě)頻率

ＰＳＣＴＬ｜＝０Ｘ０２? ／／允許Ｆｌａｓｈ扇區(qū)擦除

ＰＳＣＴＬ｜＝０Ｘ０５? ／／允許Ｆｌａｓｈ扇區(qū)寫(xiě)

ｐｗｒｉｔｅ＝０ｘ００００? ０ｘ００００指向１２８Ｂ扇區(qū)

＊ｐｗｒｉｔｅ＝０? ／／擦除Ｆｌａｓｈ

ＰＳＣＴＬ＆＝～０Ｘ０２? ／／禁止擦除Ｆｌａｓｈ

ｆｏｒ?ｉ＝０?ｉ＜２?ｉ＋＋　 ／／將Ｐ和Ｉ參數(shù)寫(xiě)入

?＊ｐｗｒｉｔｅ＋＋＝ＰＩ?ｉ?? ?

ＰＳＣＴＬ＆＝～０ｘ０１? ／／禁止寫(xiě)Ｆｌａｓｈ

ｐｒｅａｄ＝０ｘ００００? ／／讀入當(dāng)前值

ｆｏｒ?ｉ１＝０?ｉ１＜２?ｉ１＋＋　

? ＰＩ?ｉ１?＝＊ｐｒｅａｄ＋＋????

４　ＣＡＮ總線在勵(lì)磁裝置中的應(yīng)用

ＣＡＮ總線是主要的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。由于其低廉的開(kāi)發(fā)費(fèi)用、良好的抗干擾能力，ＣＡＮ總線在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。關(guān)于ＣＡＮ總線的基本概念和接口電路，其相關(guān)內(nèi)容較多，本文只介紹如何用Ｃ８０５１Ｆ０６０實(shí)現(xiàn)ＣＡＮ總線通信的方法。

４．１ Ｃ８０５１Ｆ０６０的ＣＡＮ控制器結(jié)構(gòu)

圖４給出了Ｃ８０５１Ｆ０６０的內(nèi)部ＣＡＮ結(jié)構(gòu)圖，由于ＭＣＵ不能直接訪問(wèn)信息ＲＡＭ，因此，必須通過(guò)ＩＦ寄存器與信息ＲＡＭ交換數(shù)據(jù)。信息ＲＡＭ共可存儲(chǔ)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(wèn)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(dāng)中斷寄存器ＩＲ為０ｘ００００時(shí)，表示沒(méi)有中斷發(fā)生；當(dāng)其為０ｘ０００１～０ｘ００２０時(shí)，表示３２幀信息的哪一幀引起中斷，而當(dāng)其為０ｘ８０００時(shí)，則表示狀態(tài)改變（發(fā)送完成、接收完成、錯(cuò)誤狀態(tài)等）引起中斷。

４．２ ＣＡＮ通信

通信的初始化過(guò)程與其它ＣＡＮ控制器類(lèi)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(yīng)用

??? ＣＡＮ通信系統(tǒng)由四個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，其中包括一個(gè)調(diào)節(jié)器和三個(gè)功率柜。功率柜由Ｃ８０５１Ｆ０６０完成通信功能，調(diào)節(jié)器由集成了ＣＡＮ協(xié)議的網(wǎng)卡ＨＴ－１３０２Ｂ負(fù)責(zé)通信。調(diào)節(jié)器可將單柜應(yīng)發(fā)電流值、觸發(fā)角、同步信號(hào)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(dǎo)通監(jiān)視結(jié)果、柜內(nèi)各點(diǎn)溫度反饋回調(diào)節(jié)器。

５　結(jié)束語(yǔ)

由于Ｃ８０５１Ｆ０６０的高集成度，因而只需少量外圍測(cè)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(shí)可提高系統(tǒng)的整體可靠性。另外，Ｃ８０５１Ｆ０６０內(nèi)核與普通５１系列兼容，且指令簡(jiǎn)單易學(xué)，因此，可縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。本系統(tǒng)由帶屏蔽層的雙絞線構(gòu)成通信介質(zhì)，最大通信距離不超過(guò)１５０米，通信速率可達(dá)２５０ｋｂｐｓ。實(shí)際運(yùn)行證明：通信效果很好。由此可見(jiàn)：本控制方案集成度高、硬件簡(jiǎn)單、工作可靠，具有很好的推廣價(jià)值。