基于avr單片機(jī)的整流模塊控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、基于單片機(jī)的整流模塊控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)張嶼毛征劉瑞東，北京工業(yè)大學(xué)電了信息與控制二程學(xué)院北京市朝陽(yáng)區(qū)、嚴(yán)樂(lè)園號(hào)北京動(dòng)力源科技股份有限公司北京市豐臺(tái)區(qū)科技園星火路號(hào)，摘要：本文介紹，通信電源中以爭(zhēng)片機(jī)為核心的整流模塊控制器的工作原理，討論了它的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)思想。該控制器是連接通信電源主控制器和整流模塊的功能單元。它通過(guò)與通信電源主控制器通信：擠同主控制器實(shí)現(xiàn)塒整流模塊的智能控制，即監(jiān)測(cè)整流模塊的各種實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)及狀態(tài)，自動(dòng)檢測(cè)整流模塊故障，實(shí)時(shí)處理整流模塊的狀態(tài)參數(shù)和控制信號(hào)。它具有組態(tài)簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，適用于不同功率型號(hào)的通信電源產(chǎn)品。關(guān)鍵詞。單片機(jī)模塊控制器主控制器整流模塊

2、，：，血；，：引言通信電源是整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)備。微處理器監(jiān)控、系統(tǒng)內(nèi)部通信、系統(tǒng)智能化以及分布式控制是通信電源技術(shù)的發(fā)展方向。在通信電源中，主控制器是中央處理單元；整流模塊（以下簡(jiǎn)稱(chēng)模塊）的功能是將輸入的高壓交流電轉(zhuǎn)換成輸出的低壓直流電；模塊控制器是聯(lián)結(jié)電源主控制器與模塊之問(wèn)的數(shù)據(jù)通信、信號(hào)采集與指令控制的功能單元。因此，通信電源產(chǎn)品中，模塊控制器必不可少。另外，在研發(fā)同一系列的通信電源產(chǎn)品中，不同的嵌入式工程師具有不同的軟硬件毆計(jì)思想，造成芯片應(yīng)用、電路架構(gòu)、軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等的差異，這就給產(chǎn)品的維護(hù)與升級(jí)帶來(lái)困難。本文介紹一種基于單片機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“”）設(shè)計(jì)的整流模塊控制器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“模

3、塊控制器”），該方案采用實(shí)時(shí)性與智能化控制原理，組態(tài)性與擴(kuò)展性強(qiáng)、電氣性能與抗干擾性能優(yōu)越、成本低。經(jīng)測(cè)試，運(yùn)行效果良好。同時(shí)，對(duì)該方案如何適用于同一系列不同功率型號(hào)的通信電源產(chǎn)品做了探討。組成及工作原理模塊控制器集電子、通信、自動(dòng)控制為一體，其功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成。硬件部分主要完成信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、通信等，軟件部分主要完成信號(hào)的處理及控制功能。具體的工作原理是：依次電技術(shù)應(yīng)用采集并轉(zhuǎn)換每個(gè)模塊的狀態(tài)信號(hào)，檢測(cè)模塊告警信號(hào)，然后根據(jù)這些信號(hào)構(gòu)造狀態(tài)數(shù)據(jù)包，通過(guò)串行總線(xiàn)發(fā)送到主控制器，吲時(shí)接收并解析主控制器發(fā)來(lái)的模塊調(diào)壓、模塊限流、模塊開(kāi)關(guān)機(jī)等控制信號(hào)數(shù)據(jù)包，最后向模塊發(fā)送并執(zhí)行這些控

4、制信號(hào)。硬件構(gòu)成模塊控制器硬件主要包括以下個(gè)部分：豐控部分、通信部分、采集轉(zhuǎn)換部分、控制部分，如圖所示。其中實(shí)現(xiàn)對(duì)外嗣硬件的控制以及信號(hào)處理功能；通信部分實(shí)現(xiàn)與主控制器之間的通信功能；采集轉(zhuǎn)換部分實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊電流信號(hào)采集并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以及對(duì)每個(gè)模塊告警信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換：控制部分使用波控制模塊調(diào)壓和限流值，摔制模塊開(kāi)關(guān)機(jī)。下面結(jié)合圖，具體說(shuō)明各硬件部分的組成、功能和特點(diǎn)。模塊控制器巡懿二圖模塊控制器硬件結(jié)構(gòu)一群一一主控部分模塊控制器芯片采用公司生產(chǎn)的系列單片機(jī)中高端工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。它具有如下特點(diǎn)。（）富的外設(shè)，有效降低開(kāi)發(fā)成本：片內(nèi)配置可編程、，內(nèi)置通道位，可預(yù)分頻的位定時(shí)計(jì)數(shù)器（可作通道），具有、端

5、】，內(nèi)置看門(mén)狗，：電復(fù)位電路，電路等。這就有充足的硬件資源滿(mǎn)足模塊控制器功能的需要，可為不同功率通信電源提供統(tǒng)一的模塊控制器硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)，并可預(yù)留若干資源咀備擴(kuò)充時(shí)使用。（）高速、低輻射、低功耗：采用位增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)，具有的性能，最大工作頻率為，品振頻率低。這就相應(yīng)地使模塊控制器具有運(yùn)行速度高、功耗低、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。（）強(qiáng)大的語(yǔ)言支持能力，代碼效率高：具有多數(shù)據(jù)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)和豐富的中斷源，結(jié)合的片內(nèi)：，硬件乘法器，以及優(yōu)秀的編譯器，有助于生成快速、高教代碼。這就使模塊控制器的軟件可讀性、兼容性和規(guī)范性得到保證，可為不同功率通信電源提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（）可在線(xiàn)下載程序，支持在線(xiàn)下載調(diào)試，

6、為實(shí)現(xiàn)程序燒錄、修改提供方便，從而縮短開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本。主控部分對(duì)采集轉(zhuǎn)換部分輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算、處理，通過(guò)控制部分實(shí)現(xiàn)控制器的各種邏輯控制功能，并通過(guò)通信部分與通信電源主控制器進(jìn)行通信。另外，不同功率型號(hào)通信電源產(chǎn)品（如、等）的模塊控制器硬件構(gòu)成完全一致，故在該控制器上設(shè)置了撥碼開(kāi)關(guān)，以針對(duì)不同電源產(chǎn)品選擇不同的應(yīng)用程序段。通信部分串行通信部分由一片組成。它采用公司的隔離技術(shù)，邏輯端與總線(xiàn)端的額定隔離電壓為，最大數(shù)據(jù)傳輸率為，足以保證通常情況下的通信正常。使用與使用光耦組合電路功能相同、成本相當(dāng)，故組態(tài)簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)是通信部分的特點(diǎn)。使用端口，波特率采用，按照制定的通信協(xié)議以半雙工

7、通信模式與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?，F(xiàn)代電子信息技術(shù)理論與應(yīng)用采集轉(zhuǎn)換部分模塊的輸出電流狀態(tài)信號(hào)反映了模塊輸出負(fù)載電流情況，模塊控制器使用內(nèi)置的采集狀態(tài)信號(hào)。采用循環(huán)的單通道單次轉(zhuǎn)換模式，對(duì)組個(gè)模塊輸入的路肛狀態(tài)信號(hào)分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換。采用逐次逼近方法完成轉(zhuǎn)換，按照轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度和穩(wěn)定度要求，每次轉(zhuǎn)換時(shí)間約為。由于模塊需要穩(wěn)定準(zhǔn)確的調(diào)壓信號(hào)，故再使用路采集并轉(zhuǎn)換輸出的調(diào)壓信號(hào)，以各后用。從模塊采集的路過(guò)壓和欠壓狀態(tài)信號(hào)，需輸入到電壓比較電路。若狀態(tài)信號(hào)電壓值大于由電壓基準(zhǔn)電路產(chǎn)生的，則產(chǎn)生模塊告警信號(hào)輸入；若低于，則產(chǎn)生模塊不在位信號(hào)輸入?？刂撇糠帜K輸出電壓值的準(zhǔn)確和穩(wěn)定是通信電源的重要特性。從模塊控

8、制器輸入模塊的調(diào)壓信號(hào)電壓值。，與模塊輸出電壓值之間的控制關(guān)系為：。一（）由于供電電路、的輸出電路以及轉(zhuǎn)換電路都將產(chǎn)生傳導(dǎo)噪聲，造成【廠(chǎng)。，不穩(wěn)定，這就極易造成。的漂移（參考（）式），這是通信電源穩(wěn)壓要求所不允許的。因此，模塊控制器采用波閉環(huán)控制方法來(lái)確保。，的準(zhǔn)確和穩(wěn)定。使用的位定時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生電壓矩形波，經(jīng)過(guò)二階低通巴特沃茲有源濾波器（即轉(zhuǎn)換），生成。它一方面被輸入模塊，控制。，另一方面，進(jìn)入節(jié)所述的采集轉(zhuǎn)換電路，構(gòu)成閉環(huán)控制的反饋回路，如圖所示。這樣，。，經(jīng)過(guò)軟硬件處理能夠控制。自誤差小于±，達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)要求。調(diào)壓信號(hào)輸出圖閉環(huán)控制模塊調(diào)壓值硬件結(jié)構(gòu)箍于通信電源僅僅要求模塊輸出限

9、流值，。達(dá)到誤差小于±的技術(shù)指標(biāo)，因此模塊控制器使用通道產(chǎn)生模塊限流信號(hào)，。，并直接輸入模塊來(lái)控制厶，毋需反饋電路。另外，該控制器分別控制每個(gè)模塊的開(kāi)關(guān)機(jī)動(dòng)作?？垢蓴_設(shè)計(jì)通信電源的模塊、交流和直流等功能單元以及開(kāi)關(guān)機(jī)動(dòng)作都有較強(qiáng)的，另外通信電源長(zhǎng)時(shí)間處于露天應(yīng)用場(chǎng)合，極易受雷電干擾。這樣，模塊控制器問(wèn)題就凸現(xiàn)出來(lái)，須采取軟硬件相配合的抗干擾措施，使該控制器穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。概括地講，主要采用以下個(gè)措施。（）采用抗干擾工作電源：模塊控制器供電線(xiàn)路是干擾的主要來(lái)源，故采用對(duì)主控部分、通信部分和轉(zhuǎn)換電路分別供電的方式來(lái)避免干擾，并為每個(gè)有源器件的電源和地之間并聯(lián)濾波電容。同時(shí)，良好的接地是電

10、路穩(wěn)定工作的重要條件，因此該控制器采用模擬地與數(shù)字地分開(kāi)的設(shè)計(jì)方法。通信部分采用電路地與機(jī)殼（大地）隔離的結(jié)構(gòu)，隔斷接地環(huán)路并減小環(huán)路電流，有效防止。（）轉(zhuǎn)換電路的抗干擾措施：為保證轉(zhuǎn)換結(jié)果的精確，的電源端、參考電壓端、接地端和模擬電壓輸入電路均與其他數(shù)字電路隔離。在電流信號(hào)的采集傳輸路徑上使用低通濾波電路。設(shè)計(jì)軟件時(shí)，在每個(gè)通道轉(zhuǎn)換時(shí)使用防脈沖干擾平均濾波法，將傳導(dǎo)噪聲降到最小。（）光電隔離：在控制模塊開(kāi)關(guān)機(jī)的通道上采用光耦將與模塊的地電位從電氣上隔離開(kāi)來(lái)。（）復(fù)位措施：當(dāng)中應(yīng)用程序跑飛時(shí)，使用其內(nèi)置的看門(mén)狗將程序拉回到復(fù)位狀態(tài)。（）屏蔽措施：在通信電源機(jī)柜中，塊該控制器板插在模塊控制背板上

11、，目前，它們分別控制排共個(gè)模塊。背板嵌入機(jī)柜中間層，由金屬屏蔽罩包圍。電子技術(shù)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)使用語(yǔ)言編寫(xiě)的軟件易于實(shí)現(xiàn)模塊化，生成代碼質(zhì)量高、可讀性和可移植性強(qiáng)，所以模塊控制器的應(yīng)用程序在上采用語(yǔ)言編寫(xiě)，并在環(huán)境下進(jìn)行編譯。應(yīng)用程序采用前后臺(tái)系統(tǒng)編程思想，由主程序和中斷予程序組成。主程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成規(guī)定的功能性操作，這部分是后臺(tái)程序：中斷處理子程序處理異步事件（時(shí)間相關(guān)性強(qiáng)的關(guān)鍵操作），這部分是前臺(tái)程序。該控制器主程序流程圖如圖所示，它由以下個(gè)任務(wù)組成：（）軟硬件初始化：完成口、定時(shí)，計(jì)數(shù)器、看門(mén)狗等的初始化；判斷撥碼開(kāi)關(guān)的設(shè)置以選擇相應(yīng)電源型號(hào)的變量設(shè)置和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，

12、讀取本控制器所要控制的模塊組排的號(hào)。（）數(shù)據(jù)采集：等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，得到轉(zhuǎn)換結(jié)果；對(duì)每一個(gè)模塊電流信號(hào)分別進(jìn)行采樣和量化處理，同時(shí)測(cè)量模塊調(diào)壓反饋信號(hào)。（）處理模塊關(guān)機(jī)：向每一個(gè)模塊發(fā)送開(kāi)關(guān)機(jī)指令。（）處理模塊告警：獲得模塊的告警信號(hào)和在位信號(hào)。（）產(chǎn)生波：將數(shù)據(jù)采集部分測(cè)算的模塊調(diào)壓信號(hào)反饋值與主控制器發(fā)來(lái)的調(diào)壓信號(hào)值進(jìn)行比較，將得出的誤差對(duì)輸出值積分步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整，修正實(shí)際輸出值；直接產(chǎn)生限流波輸出值。該控制器有種中斷源，分別是異步串行通信接收完成中斷和發(fā)送完成中斷：（）接收完成，：接收并解析主控制器發(fā)來(lái)的模塊狀態(tài)查詢(xún)信號(hào)、模塊調(diào)壓和限流信號(hào)、模塊開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)等數(shù)據(jù)包。（）發(fā)送完成：將模塊狀態(tài)信號(hào)

13、、模塊調(diào)壓和限流信號(hào)、模塊開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)信號(hào)構(gòu)造成數(shù)據(jù)包，發(fā)送到主控制器。圖主程序流程囤調(diào)試選用公司出品的作為仿真調(diào)試器，它與機(jī)上仿真調(diào)試軟件組成一套完善的調(diào)試接口，可阻在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真，控制內(nèi)部資源，節(jié)省開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本。在仿真調(diào)試階段，采用“自底向上逐步集成”的策略，逐個(gè)軟硬件功能進(jìn)行在線(xiàn)仿真調(diào)試，在此基礎(chǔ)上逐步集成。最后，將該控制器嵌入不同型號(hào)的通信電源機(jī)柜進(jìn)行整機(jī)聯(lián)調(diào)。結(jié)論本文提出的基于模塊控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)施方案，自年月至今試用于和通信電源產(chǎn)品中，性能穩(wěn)定，采樣精度高，報(bào)警、控制準(zhǔn)確度，通信誤碼率極低。同時(shí)，具有組態(tài)簡(jiǎn)單，軟硬件可擴(kuò)展性和軟件設(shè)計(jì)規(guī)范性等優(yōu)點(diǎn)，為同一系列不同功

14、率型號(hào)通信電源產(chǎn)品的維護(hù)和升級(jí)創(chuàng)建了平臺(tái)。參考文獻(xiàn)（）沈文，詹衛(wèi)前單片機(jī)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)入門(mén)指導(dǎo)北京：清華大學(xué)出版社，。，基于AVR單片機(jī)的整流模塊控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)作者：作者單位：張嶼， 毛征， 劉瑞東張嶼,毛征(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院,北京市,100022)， 劉瑞東(北京動(dòng)力源科技股份有限公司,100070)相似文獻(xiàn)(1條)1.學(xué)位論文 張嶼 統(tǒng)一化軟硬件平臺(tái)的通信電源中整流模塊控制器的設(shè)計(jì) 2006DUM系列智能開(kāi)關(guān)通信電源的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)是北京動(dòng)力源科技股份有限公司研發(fā)生產(chǎn)的核心產(chǎn)品。由于各個(gè)系統(tǒng)性能存在差異以及工程師在系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)思路上的不同，使當(dāng)前系統(tǒng)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化程度不夠，系統(tǒng)管理維護(hù)和更新上的困難，導(dǎo)致成本提高。為了解決上述問(wèn)題，本文針對(duì)通信電源嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)中的整流模塊控制器，提出一套軟硬件平臺(tái)的統(tǒng)一化設(shè)計(jì)方案。 整流模塊控制器硬件平臺(tái)以運(yùn)算速度高、功能強(qiáng)大的8位單片機(jī)ATmega16L為核心，建立系統(tǒng)級(jí)硬件單元的組態(tài)形式，即通信單元、檢測(cè)單元和控制單元通過(guò)主控單元實(shí)現(xiàn)功能上的連接與協(xié)調(diào)，然后對(duì)各個(gè)功能單元分別進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。與以往的設(shè)計(jì)相比，該硬件平臺(tái)提高了系統(tǒng)集成度和電磁兼容性能，同時(shí)易于維護(hù)和管理。 整流模塊控制器軟件設(shè)計(jì)以源碼公開(kāi)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)C/OS-為基礎(chǔ)，在ATmega16L上移植并配置C/O