基于單片機(jī)C8051F060的智能功率柜

1、基于單片機(jī)C8051F060的智能功率柜摘要簡要介紹了智能勵(lì)磁功率柜的概念及8051060單片機(jī)的特點(diǎn)，詳細(xì)論述了基于8051060的智能勵(lì)磁功率柜的結(jié)構(gòu)、原理以及與總線通信的 實(shí)現(xiàn)方法。該控制方案系統(tǒng)集成度高、硬件簡單、工作可靠，具有很好的推廣價(jià) 值。關(guān)鍵詞8051060微控制器現(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

2、了通過采用高集成度單片機(jī)C 8 0 5 1F 0 6 0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。2C8051F060單片機(jī)的特點(diǎn)C8051FXX系列單片機(jī)是美國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)C 8 0 5 1 F 0 6 0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)2 5MIP S25MHZ晶振，比普通的5 1單片機(jī)快10倍；其指令與標(biāo)準(zhǔn)系列5 1單片機(jī)兼容，因而掌握幵發(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 4

3、352B 內(nèi)部RAM 2 5 6 + 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2 0 0 kS PS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。RAM、由于C 8 0 5 1 F 0 6 0的高集成度， 因而無需外擴(kuò)ROM、AD、DA、watchdog、可編程I/O口和EEPROM用片內(nèi)Flash實(shí)現(xiàn)，從而大大簡化了硬件電路，并為構(gòu)成以C 8 0 5 1 F0 6 0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)SP

4、I。最為便利的是，C 8 0 5 1 F 0 6 0集成了CAN總線控制器，這使得CAN總線具有幵發(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。5C 8 0 5 1 F 0 6 0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C 8 0 5 1 F 0 6 0為核心的單

5、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

6、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P(yáng)CA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)幵始計(jì)時(shí)，調(diào)節(jié)器則經(jīng)CAN網(wǎng)將觸發(fā)角 的電角度值a同步信號(hào)周期值TSYN和脈沖寬度W發(fā)送給各功率柜。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)

7、數(shù)器幵始計(jì)數(shù)，并根據(jù) a W、TSYN及PCA計(jì)數(shù)頻率計(jì)算出a的對(duì)應(yīng)值Ta1T a6和脈沖后沿的對(duì)應(yīng)值TW1-TW6，然后將T a1T a6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?電平，以使相應(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T a和TW計(jì)算方法T aN=TSYNQ+90N-1/360TCLKTWN=TSYNa+W+90N-1/360TCLK式中，N可取16,TCLK為

8、PCA計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)周期。3.2通過片內(nèi)F lash在線修改參數(shù)C8051F060 中F lash 的 0X00000X007F地址范圍既可用于片內(nèi)6 4kBFlash，也可用于附加的128B的扇區(qū)，這可通過設(shè)置P SCTL寄存器的SFLE位來實(shí)現(xiàn)。由于片內(nèi)F lash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12 8B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語句為例給出在線修改參數(shù)的程序WrRexdata* pwr iteode* pr eadWDTCN=0/禁止看門狗P SCTL|=0X0/允許Flash扇

9、區(qū)寫WDTCN=0FLSCL|=0/25MHz時(shí)鐘的擦寫頻率P SCTL|=0X0/允許Flash扇區(qū)擦除pwr ite = 0x00000 x 0 0 0 0指向128B扇區(qū)pwr ite = 0/擦除F lashSCTL & =0X02/禁止擦除F lashor i=0 iV21 + /將P和I參數(shù)寫入*pwr ite + + = PSCTL & =0x01/禁止寫F lashr ead = 0x0000/讀入當(dāng)前值or i1 = 0 i1V21 1+ +PI i1 =*pr ead + +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。由于其低廉的幵發(fā)費(fèi)用、良好的抗干擾能力，

10、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)3 2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3 2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0

11、x 0 0 0 0時(shí)，表示沒有中斷發(fā)生；當(dāng)其為0x00010x0020時(shí)，表示3 2幀信息的哪一幀引起中斷，而當(dāng)其為0 x 8 0 0 0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。4.2CAN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。4.3CAN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C 8 0 5 1 F 0 6 0完成通信功能，調(diào)節(jié)器由集成了CAN協(xié)議的網(wǎng)卡HT1302B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)束語由于C 8 0 5 1 F 0 6 0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