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基于單片機C8051F060的智能功率柜
摘要：簡要介紹了智能勵磁功率柜的概念及C8051F060單片機的特點，詳細論述了基于C8051F060的智能勵磁功率柜的結構、原理以及與CAN總線通信的實現方法。該控制方案系統集成度高、硬件簡單、工作可靠，具有很好的推廣價值。１ 引言
隨著發電機容量的不斷增大，對勵磁系統的要求越來越高。國內目前使用的各類勵磁調節器都非常先進，但功率柜的制造水平卻不盡如人意，這勢必影響勵磁系統整體性能的提高?進而妨礙整體發電系統性能的提高。
目前，國產的勵磁功率柜普遍存在檢測功能不全、信息傳送技術、控制和檢測技術落后等問題。為了解決這一問題，本文給出了通過采用高集成度單片機Ｃ８０５１Ｆ０６０實現的智能勵磁功率柜與ＣＡＮ總線的通信方法，該方案具有完備的檢測、控制和通信功能。
２ Ｃ８０５１Ｆ０６０單片機的特點
Ｃ８０５１ＦＸＸ系列單片機是美國ＣＹＧＮＡＬ公司推出的一種與５１系列單片機內核兼容的單片機。僅就筆者對Ｃ８０５１Ｆ０６０的使用實踐介紹一下其新特點：
（１）內核采用流水線結構，速度可達２５ＭＩＰＳ（２５ＭＨｚ晶振），比普通的５１單片機快１０倍；其指令與標準系列５１單片機兼容，因而掌握開發過程非常容易；該芯片的ＪＴＡＧ調試方式支持在系統、全速、非插入調試和編程，且不占用片內資源。
（２）片上集成有６４ｋＢ Ｆｌａｓｈ、４３５２Ｂ內部ＲＡＭ（２５６＋４ｋＢ，可外擴至６４ｋＢ）、５９個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、內部電壓基準以及片內電源監視、降壓檢測和看門狗等功能。由于Ｃ８０５１Ｆ０６０的高集成度，因而無需外擴ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＡＤ、ＤＡ、ｗａｔｃｈｄｏｇ、可編程Ｉ／Ｏ口和ＥＥＰＲＯＭ（用片內Ｆｌａｓｈ實現），從而大大簡化了硬件電路，并為構成以Ｃ８０５１Ｆ０６０為核心的單片機系統創造了條件，同時也提高了系統的可靠性。
（３）片內集成有２個ＵＡＲＴ、１個ＳＭ（兼容Ｉ２Ｃ）和１個ＳＰＩ。最為便利的是，Ｃ８０５１Ｆ０６０集成了ＣＡＮ總線控制器，這使得ＣＡＮ總線具有開發費用低廉、抗干擾性強、可適用于工業現場應用等特點，并可廣泛應用于干擾環境非常嚴重的各種工業現場測控領域。Ｃ８０５１Ｆ０６０只需加上ＣＡＮ總線收發電路就可掛接到ＣＡＮ通信網絡上，因而大大簡化了通信系統的設計，減少了通信節點受干擾的概率。
（４）可編程的１６位計數器陣列?ＰＣＡ?有６個捕捉／比較模塊和５個通用１６位計數器／定時器，這一為要求定時器／計數器具有較多的測控節點提供了方便。
（５）Ｃ８０５１Ｆ０６０能滿足絕大多數工業測控節點的要求，能夠形成以Ｃ８０５１Ｆ０６０為核心的單片機系統，如果配以外圍測量單元，還可形成完整的測控節點。
３ 智能勵磁功率柜的系統結構
智能功率柜系統原理框圖如圖１所示。功率柜中最關鍵的部件是三相全控橋，控制此橋的核心參數為觸發角度，該參數可由ＣＡＮ總線通過調節器送出，同時送達本地柜應發的電流值。經檢測得到的輸出電流與調節器的應發給定電流進行比較并完成ＰＩ運算，即可產生新的微調觸發角度。該觸發角度經ＰＣＡ形成觸發脈沖繼而驅動三相全控橋，從而實現柜間均流。與此同時，通過信號檢測模塊還可將柜內溫度、晶閘管通斷狀態、輸出電流值送入微控制器，以對各參數進行計算分析，并將其與設定的閾值進行比較，最后實時顯示測量結果，同時報警。
圖3 同步信號采集電路
３．１ 基于ＰＣＡ模塊實現的數字移相觸發
三相晶閘管全控橋的工作原理及六個晶閘管的觸發脈沖相序關系如圖２所示。
該ＰＣＡ中包含６個基于同一１６位計數器，并可作為時基的捕捉／比較模塊，每個模塊可構成正沿捕捉、負沿捕捉、正負沿捕捉、軟件定時器、高速輸出、脈沖寬度調制器等６種方式。本設計中采用的是高速輸出模式，當ＰＣＡ計數器與模塊的１６位捕捉／比較寄存器相匹配時，相應模塊的ＣＥＸ引腳的邏輯電平將發生變化，并引起相應中斷。
觸發信號從同步信號過零點開始計時，調節器則經ＣＡＮ網將觸發角的電角度值α、同步信號周期值ＴＳＹＮ和脈沖寬度Ｗ發送給各功率柜。同步信號采樣電路見圖３，當同步信號過零產生中斷時，ＰＣＡ計數器開始計數，并根據α、Ｗ、ＴＳＹＮ及ＰＣＡ計數頻率計算出α的對應值Ｔα１～Ｔα６和脈沖后沿的對應值ＴＷ１～ＴＷ６，然后將Ｔα１～Ｔα６寫入６個模塊的１６位捕捉／比較寄存器中。當捕捉寄存器的值與ＰＣＡ計數器的值相符時，ＣＥＸ引腳將變為高電平，以使相應模塊產生中斷，同時在中斷子程序中，相應的ＴＷＮ被寫入１６位捕捉／比較寄存器。當其與ＰＣＡ計數器值相符時，ＣＥＸ引腳變為低電平，其中一路觸發單脈沖。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計算方法：
ＴαＮ＝ＴＳＹＮ?α＋９０?Ｎ－１??／３６０ＴＣＬＫ
ＴＷＮ＝ＴＳＹＮ?α＋Ｗ＋９０?Ｎ－１??／３６０ＴＣＬＫ
式中，Ｎ可取１?２?．．．?６， ＴＣＬＫ為ＰＣＡ計數器的計數周期。
３．２ 通過片內Ｆｌａｓｈ在線修改參數
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