采用单片机C8051F060的智能功率柜的原理及设计

概述：简要介绍了智能励磁功率柜的概念及C8051F060单片机的特点，详细论述了基于C8051F060的智能励磁功率柜的结构、原理以及与CAN总线通信的实现方法。该控制方案系统集成度高、硬件简单、工作可靠，具有很好的推广价值。

１　引言

目前，国产的励磁功率柜普遍存在检测功能不全、信息传送技术、控制和检测技术落后等问题。为了解决这一问题，本文给出了通过采用高集成度单片机Ｃ８０５１Ｆ０６０实现的智能励磁功率柜与ＣＡＮ总线的通信方法，该方案具有完备的检测、控制和通信功能。

２　Ｃ８０５１Ｆ０６０单片机的特点

Ｃ８０５１ＦＸＸ系列单片机是美国ＣＹＧＮＡＬ公司推出的一种与５１系列单片机内核兼容的单片机。仅就笔者对Ｃ８０５１Ｆ０６０的使用实践介绍一下其新特点：

（１）内核采用流水线结构，速度可达２５ＭＩＰＳ（２５ＭＨｚ晶振），比普通的５１单片机快１０倍；其指令与标准系列５１单片机兼容，因而掌握开发过程非常容易；该芯片的ＪＴＡＧ调试方式支持在系统、全速、非插入调试和编程，且不占用片内资源。

（２）片上集成有６４ｋＢ Ｆｌａｓｈ、４３５２Ｂ内部ＲＡＭ（２５６＋４ｋＢ，可外扩至６４ｋＢ）、５９个Ｉ／Ｏ口、 ２通道１６位１ＭＳＰＳ的可编程增益ＡＤＣ、８通道１０位２００ｋＳＰＳ可编程增益ＡＤＣ、２路１２位ＤＡＣ、３路模拟比较器、内部电压基准以及片内电源监视、降压检测和看门狗等功能。由于Ｃ８０５１Ｆ０６０的高集成度，因而无需外扩ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＡＤ、ＤＡ、ｗａｔｃｈｄｏｇ、可编程Ｉ／Ｏ口和ＥＥＰＲＯＭ（用片内Ｆｌａｓｈ实现），从而大大简化了硬件电路，并为构成以Ｃ８０５１Ｆ０６０为核心的单片机系统创造了条件，同时也提高了系统的可靠性。



（３）片内集成有２个ＵＡＲＴ、１个ＳＭ（兼容Ｉ２Ｃ）和１个ＳＰＩ。最为便利的是，Ｃ８０５１Ｆ０６０集成了ＣＡＮ总线控制器，这使得ＣＡＮ总线具有开发费用低廉、抗干扰性强、可适用于工业现场应用等特点，并可广泛应用于干扰环境非常严重的各种工业现场测控领域。Ｃ８０５１Ｆ０６０只需加上ＣＡＮ总线收发电路就可挂接到ＣＡＮ通信网络上，因而大大简化了通信系统的设计，减少了通信节点受干扰的概率。

（４）可编程的１６位计数器阵列ＰＣＡ　有６个捕捉／比较模块和５个通用１６位计数器／定时器，这一为要求定时器／计数器具有较多的测控节点提供了方便。

（５）Ｃ８０５１Ｆ０６０能满足绝大多数工业测控节点的要求，能够形成以Ｃ８０５１Ｆ０６０为核心的单片机系统，如果配以外围测量单元，还可形成完整的测控节点。

３　智能励磁功率柜的系统结构

智能功率柜系统原理框图如图１所示。功率柜中最关键的部件是三相全控桥，控制此桥的核心参数为触发角度，该参数可由ＣＡＮ总线通过调节器送出，同时送达本地柜应发的电流值。经检测得到的输出电流与调节器的应发给定电流进行比较并完成ＰＩ运算，即可产生新的微调触发角度。该触发角度经ＰＣＡ形成触发脉冲继而驱动三相全控桥，从而实现柜间均流。与此同时，通过信号检测模块还可将柜内温度、晶闸管通断状态、输出电流值送入微控制器，以对各参数进行计算分析，并将其与设定的阈值进行比较，最后实时显示测量结果，同时报警。

图3 同步信号采集电路

３．１ 基于ＰＣＡ模块实现的数字移相触发

三相晶闸管全控桥的工作原理及六个晶闸管的触发脉冲相序关系如图２所示。

该ＰＣＡ中包含６个基于同一１６位计数器，并可作为时基的捕捉／比较模块，每个模块可构成正沿捕捉、负沿捕捉、正负沿捕捉、软件定时器、高速输出、脉冲宽度调制器等６种方式。本设计中采用的是高速输出模式，当ＰＣＡ计数器与模块的１６位捕捉／比较寄存器相匹配时，相应模块的ＣＥＸ引脚的逻辑电平将发生变化，并引起相应中断。

触发信号从同步信号过零点开始计时，调节器则经ＣＡＮ网将触发角的电角度值α、同步信号周期值ＴＳＹＮ和脉冲宽度Ｗ发送给各功率柜。同步信号采样电路见图３，当同步信号过零产生中断时，ＰＣＡ计数器开始计数，并根据α、Ｗ、ＴＳＹＮ及ＰＣＡ计数频率计算出α的对应值Ｔα１～Ｔα６和脉冲后沿的对应值ＴＷ１～ＴＷ６，然后将Ｔα１～Ｔα６写入６个模块的１６位捕捉／比较寄存器中。当捕捉寄存器的值与ＰＣＡ计数器的值相符时，ＣＥＸ引脚将变为高电平，以使相应模块产生中断，同时在中断子程序中，相应的ＴＷＮ被写入１６位捕捉／比较寄存器。当其与ＰＣＡ计数器值相符时，ＣＥＸ引脚变为低电平，其中一路触发单脉冲。用门电路便可将６路单脉冲合为６路双窄脉冲。下式为Ｔα和ＴＷ计算方法：

ＴαＮ＝ＴＳＹＮα＋９０Ｎ－１　／３６０ＴＣＬＫ

ＴＷＮ＝ＴＳＹＮα＋Ｗ＋９０Ｎ－１　／３６０ＴＣＬＫ

式中，Ｎ可取１２．．．６， ＴＣＬＫ为ＰＣＡ计数器的计数周期。

３．２ 通过片内Ｆｌａｓｈ在线修改参数