基于單片機(jī)C8051F060的智能功率柜

摘要：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。
　　關(guān)鍵詞：C8051F060微控制器CAN現(xiàn)場(chǎng)總線勵(lì)磁
　　
　　１引言
　　
　　隨著發(fā)電機(jī)容量的不斷增大，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求越來越高。國(guó)內(nèi)目前使用的各類勵(lì)磁調(diào)節(jié)器都非常先進(jìn)，但功率柜的制造水平卻不盡如人意，這勢(shì)必影響勵(lì)磁系統(tǒng)整體性能的提高?進(jìn)而妨礙整體發(fā)電系統(tǒng)性能的提高。
　　
　　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(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。
　　
　�。玻茫福埃担保疲埃叮皢纹瑱C(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)：
　　
　�。ǎ保﹥�(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６４ｋＢＦｌａｓｈ、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)和看門狗等功能。由于Ｃ８０５１Ｆ０６０的高集成度，因而無需外擴(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。
　　
　　
　　
　�。ǎ常┢瑑�(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。
　　
　�。ǎ矗┛删幊痰模保段挥�(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。
　　
　�。ǎ担�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)。
　　
　�。持悄軇�(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
　　
　�。常�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)過零點(diǎn)開始計(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)采樣電路見圖３，當(dāng)同步信號(hào)過零產(chǎn)生中斷時(shí)，ＰＣＡ計(jì)數(shù)器開始計(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
　　
　　
　　
　�。裕祝薄�ＴＷ６，然后將Ｔα１～Ｔα６寫入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�以使相�?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：
　　
　�。驭粒危剑裕樱伲�?α＋９０?Ｎ－１??／３６０ＴＣＬＫ
　　
　　ＴＷＮ＝ＴＳＹＮ?α＋Ｗ＋９０?Ｎ－１??／３６０ＴＣＬＫ
　　
　　式中，Ｎ可�。�?２?．．．?６，ＴＣＬＫ為ＰＣＡ計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)周期。
　　
　�。常�２通過片內(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)６４ｋＢＦｌａｓｈ，也可用于附加的１２８Ｂ的扇區(qū)，這可通過設(shè)置ＰＳＣＴＬ寄存器的ＳＦＬＥ位來實(shí)現(xiàn)。由于片內(nèi)Ｆｌａｓｈ必須先擦除再寫入，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ＫＥＩＬＣ語(yǔ)句為例給出在線修改參數(shù)的程序：
　　
　　ＷｒＲｅＦｌａｓｈ???
　　
　�。酰睿螅椋纾睿澹洌椋睿簦�ｄａｔａ＊ｐｗｒｉｔｅ?
　　
　�。酰睿螅椋纾睿澹洌椋睿簦悖铮洌澹�ｐｒｅａｄ?
　　
　�。酰睿螅椋纾睿澹洌悖瑁幔颍�?
　　
　�。酰睿螅椋纾睿澹洌悖瑁幔颍椋�?
　　
　�。祝模裕茫危剑埃�ｄｅ?／／禁止看門狗
　　
　�。祝模裕茫危剑埃�ａｄ?
　　
　　ＦＬＳＣＬ｜＝０ｘ０９?／／２５ＭＨｚ時(shí)鐘的擦寫頻率
　　
　�。校樱茫裕蹋�＝０Ｘ０２?／／允許Ｆｌａｓｈ扇區(qū)擦除
　　
　�。校樱茫裕蹋�＝０Ｘ０５?／／允許Ｆｌａｓｈ扇區(qū)寫
　　
　�。穑鳎颍椋簦澹剑埃�００００?０ｘ００００指向１２８Ｂ扇區(qū)
　　
　�。�ｐｗｒｉｔｅ＝０?／／擦除Ｆｌａｓｈ
　　
　�。校樱茫裕蹋Γ健�０Ｘ０２?／／禁止擦除Ｆｌａｓｈ
　　
　�。妫铮�?ｉ＝０?ｉ＜２?ｉ＋＋?／／將Ｐ和Ｉ參數(shù)寫入
　　
　　?＊ｐｗｒｉｔｅ＋＋＝ＰＩ?ｉ???
　　
　�。校樱茫裕蹋Γ健�０ｘ０１?／／禁止寫Ｆｌａｓｈ
　　
　�。穑颍澹幔洌剑埃�００００?／／讀入當(dāng)前值
　　
　�。妫铮�?ｉ１＝０?ｉ１＜２?ｉ１＋＋?
　　
　　?ＰＩ?ｉ１?＝＊ｐｒｅａｄ＋＋???
　　
　　４ＣＡＮ總線在勵(lì)磁裝置中的應(yīng)用
　　
　�。茫粒慰偩�是主要的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。由于其低廉的開發(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。
　　
　　４．１Ｃ８０５１Ｆ０６０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不能直接訪問信息ＲＡＭ，因此，必須通過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。
　　
　�。矗�２ＣＡＮ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。
　　
　�。矗�３ＣＡＮ總線在智能功率柜中的應(yīng)用
　　
　　
　　
　　
　　
　�。茫粒瓮ㄐ畔到y(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。
　　
　�。到Y(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：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。
　　

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