采用STM32F103VET6處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)字式電鍍電源并聯(lián)均流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：張偉，李長(zhǎng)春，王圣元，阮謝永，余亞東，潘張?chǎng)?/p>

STM32系列處理器是由意法半導(dǎo)體ST公司生產(chǎn)、基于ARM公司Cortex-M3內(nèi)核的MCU，專門為微控制系統(tǒng)、汽車控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)等嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)，具有高性能、低功耗、高集成度、豐富且性能出眾的片上外設(shè)、編程復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字式電鍍電源并聯(lián)均流系統(tǒng)以數(shù)字通信和控制的方式實(shí)現(xiàn)多個(gè)電源模塊的并聯(lián)工作，提供更大的輸出功率，具有組合靈活、可靠性高、人機(jī)接口友善、工作模式多樣等優(yōu)點(diǎn)。本文采用STM32F103VET6處理器作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了一種以CAN總線為通信媒介、具有穩(wěn)壓/穩(wěn)流/安培時(shí)/工藝曲線/遠(yuǎn)程控制5種工作模式、液晶圖形顯示的數(shù)字式電鍍電源并聯(lián)均流系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“并聯(lián)均流系統(tǒng)”），給出了系統(tǒng)主要軟硬件的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。

1 總體設(shè)計(jì)

并聯(lián)均流系統(tǒng)由主控模塊和功率模塊組成，如圖1所示。主控模塊和功率模塊間以高效和高可靠性的CAN總線為通信媒介。主控模塊完成人機(jī)交互和整機(jī)的運(yùn)行監(jiān)控。每個(gè)功率模塊實(shí)質(zhì)為單個(gè)電源模塊，按照主控模塊的指令以穩(wěn)壓或穩(wěn)流的方式工作。系統(tǒng)在穩(wěn)流工作方式下，主控模塊將設(shè)定工作電流均勻分配給每個(gè)功率模塊，功率模塊根據(jù)分配電流控制本模塊以穩(wěn)流方式運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)流和均流。系統(tǒng)在穩(wěn)壓工作方式下，主控模塊指定一個(gè)功率模塊為主模塊，其余為從模塊。主模塊按照主控模塊給定的電壓以穩(wěn)壓方式工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)壓。同時(shí)主控模塊獲取每個(gè)功率模塊的電流，計(jì)算平均電流并分配給從模塊，從模塊按照平均電流以穩(wěn)流方式工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)均流。在穩(wěn)流或穩(wěn)壓工作的基礎(chǔ)上，安培時(shí)模式下主控模塊統(tǒng)計(jì)工作安培時(shí)數(shù)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定安培時(shí)數(shù)時(shí)進(jìn)行加藥控制。工藝曲線模式下主控模塊控制系統(tǒng)按照設(shè)定的穩(wěn)壓或穩(wěn)流工作曲線工作。遠(yuǎn)程控制模式下，上位機(jī)通過與主控模塊通信完成對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片STM32F103VET6

STM32F103VET6屬于STM32F103增強(qiáng)系列處理器，具有更多片內(nèi)RAM和外設(shè)，具體特性如下：

1）采用基于哈佛架構(gòu)的3級(jí)流水線內(nèi)核Cortex-M3，具有單周期乘法、硬件除法特性，最高工作頻率72 MHz，運(yùn)算速度高達(dá)1.25DMips /MHz.

2）內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，高達(dá)512 k字節(jié)的閃存和64 k字節(jié)的SRAM.

3）多達(dá)80個(gè)快速多功能雙向I/O口，所有I/O口可以映射到16個(gè)外部中斷;幾乎所有端口均可容忍5V信號(hào)。

4）多達(dá)11個(gè)定時(shí)器，包括4個(gè)16位通用定時(shí)器、2個(gè)16位帶死區(qū)控制的PWM高級(jí)控制定時(shí)器、2個(gè)看門狗定時(shí)器、系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器、2個(gè)用于驅(qū)動(dòng)DAC的16位基本定時(shí)器。

5）多達(dá)13個(gè)通信接口，包括2個(gè)I2C接口、5個(gè)USART接口、3個(gè)SPI接口、CAN接口、USB2.0全速接口、SDIO接口。

6）3個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器，1μs轉(zhuǎn)換時(shí)間（多達(dá)21個(gè)輸入通道）和2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器。

STM32F103VET6出色的性能和豐富的資源使得幾乎不需要擴(kuò)展外圍電路就能完全滿足設(shè)計(jì)要求，使硬件設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化。執(zhí)行速度和內(nèi)存容量完全滿足主控模塊的多任務(wù)實(shí)時(shí)應(yīng)用。如圖1所示，主控模塊設(shè)計(jì)使用STM32F103VET6的CAN、USART、USB等通信接口，CAN用于和功率模塊通信，2個(gè)USART分別用于微型打印機(jī)和485通信（上位機(jī)通信），USB用于筆記本現(xiàn)場(chǎng)配置電源系統(tǒng)參數(shù)。主控模塊人機(jī)界面中的LCD、按鍵、LED指示、蜂鳴器以及加藥開關(guān)，均通過GPIO連接，共計(jì)34個(gè)。

2.2 CAN通信模塊

CAN通信模塊是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的通信模塊，由CAN控制器、光耦隔離和CAN總線驅(qū)動(dòng)器組成（見圖1）。CAN控制器集成于STM32F103VET6內(nèi)部，完全支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B，波特？最高可達(dá)1兆位/秒?？刂破鲀?nèi)部集成3個(gè)優(yōu)先級(jí)可配置的發(fā)送郵箱、2個(gè)3級(jí)深？的接收FIFO、14個(gè)位寬可變的過濾器組和靈活的中斷管理，可以高效地完成主控模塊與多個(gè)功率模塊間的大量通信。

光耦隔離和CAN總線驅(qū)動(dòng)器電路如圖2所示。CAN-TX和CAN-RX是與CAN控制器相連的發(fā)送數(shù)據(jù)線和接收數(shù)據(jù)線。由于系統(tǒng)輸出功率大，電磁干擾強(qiáng)，采用高速光耦6N137將CAN控制器與CAN總線隔離。MCP2551是一個(gè)可容錯(cuò)的高速CAN總線驅(qū)動(dòng)器，作為CAN控制器和物理總線的接口。

圖2 耦隔離和CAN總線驅(qū)動(dòng)器電路

2.3 LCD模塊

LCD模塊是人機(jī)界面的主要組成部分。用LCD代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)碼管，可以應(yīng)用圖形交互界面，使人機(jī)交互方便友善。系統(tǒng)采用240x128圖形點(diǎn)陣STN液晶模塊ZLG240128A，該模塊采用RA6963控制器，內(nèi)建256-word的ROM字形產(chǎn)生器，可以顯示英文字型、數(shù)字符號(hào)等字母，并支持最大64 kByte的外部顯示內(nèi)存（Display RAM），具有文字顯示模式、繪圖顯示模式及混合顯示模式。LCD接口電路如圖3所示，左側(cè)LCD控制和數(shù)據(jù)線與5 V容忍GPIO連接。LCD模塊的工作電壓為5 V，而STM32F103VET6的輸出電壓為33 V，因此使用10 k排阻Rp1、Rp2作為上拉電阻，并使用GPIO的開漏模式?？勺冸娮?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/3668/" target="_blank">VR1用于背光亮度調(diào)節(jié)。

圖3 LCD接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體架構(gòu)

軟件總體架構(gòu)如圖4所示。底層固件庫模塊由ST公司提供，包括STM32F103系列處理器所有外設(shè)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用接口。啟動(dòng)配置模塊由匯編文件stm32f10x_startup.s構(gòu)成，完成堆棧和中斷向量表的初始化。硬件配置模塊完成復(fù)位和時(shí)鐘（RCC）、中斷控制器、GPIO、看門狗、定時(shí)器等片內(nèi)外設(shè)的初始化。中斷服務(wù)包括系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘、看門狗、CAN收發(fā)、定時(shí)器、USART的中斷服務(wù)程序。設(shè)計(jì)中采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，便于實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面、通信、控制等多個(gè)任務(wù)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，保證控制的實(shí)時(shí)性。人機(jī)界面模塊包括LCD驅(qū)動(dòng)、按鍵掃描、圖形用戶界面、LED和蜂鳴器驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。工作控制模塊監(jiān)控多個(gè)功率模塊并聯(lián)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)均流。通信模塊完成監(jiān)控功率模塊運(yùn)行所需要的CAN通信和上位機(jī)遠(yuǎn)程控制時(shí)的485通信。定時(shí)器模塊提供其他模塊工作所需要的定時(shí)功能。

圖4 軟件總體架構(gòu)圖

3.2 工作控制模塊

工作控制模塊包括系統(tǒng)初始化和運(yùn)行控制兩部分。系統(tǒng)初始化通過讀取功率模塊的額定參數(shù)、統(tǒng)計(jì)功率模塊數(shù)、計(jì)算系統(tǒng)總額定電流，以確定并聯(lián)系統(tǒng)的初始配置。運(yùn)行控制按照用戶指定方式，實(shí)時(shí)監(jiān)控功率模塊并聯(lián)運(yùn)行，監(jiān)控流程如圖5所示。首先向功率模塊設(shè)置穩(wěn)壓或穩(wěn)流工作模式以及電壓或電流參數(shù)，然后發(fā)送啟動(dòng)命令，使功率模塊開始工作。狀態(tài)查詢以廣播方式發(fā)送查詢命令，以查詢各功率模塊的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)。報(bào)文接收接收功率模塊發(fā)送的查詢響應(yīng)報(bào)文，并從報(bào)文中獲得數(shù)據(jù);通信檢測(cè)根據(jù)是否有響應(yīng)報(bào)文判斷通信是否正常。數(shù)據(jù)處理根據(jù)報(bào)文接收中獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算總電流、電壓、平均電流（穩(wěn)壓模式）、安培時(shí)（安培時(shí)模式）等系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。故障處理檢測(cè)功率模塊和系統(tǒng)故障，進(jìn)行故障處理和報(bào)警。輸出處理根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)輸出控制參數(shù)，包括軟啟動(dòng)輸出、在穩(wěn)壓模式下輸出平均電流、安培時(shí)模式下輸出加藥信號(hào)、工藝曲線模式下輸出下一階段的電壓或電流參數(shù)等。停機(jī)控制在需要停機(jī)時(shí)通過發(fā)送停機(jī)命令控制功率模塊停止工作。

圖5 運(yùn)行監(jiān)控流程圖

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含2個(gè)1 000 A/15 V的功率模塊，系統(tǒng)在總設(shè)定電流下以穩(wěn)壓模式運(yùn)行，測(cè)得表1中實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

表1 穩(wěn)壓模式測(cè)試結(jié)果

從表中可見，均流不平衡度在5%以內(nèi)，滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了功率模塊的并聯(lián)運(yùn)行和均流。經(jīng)實(shí)際測(cè)試表明，系統(tǒng)其他相關(guān)指標(biāo)均滿足要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)論

并聯(lián)均流系統(tǒng)采用ARM芯片STM32F103作為主控芯片，利用其豐富的資源和強(qiáng)大性能，實(shí)現(xiàn)了多種外設(shè)接口并簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了圖形交互界面、基于操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、CAN和上位機(jī)通信以及多種工作模式，增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能、友善性和擴(kuò)展性。

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