基于STM32的大功率數(shù)字式電鍍電源并聯(lián)均流系統(tǒng)設(shè)計

　　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，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/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)計方案。

　　1 總體設(shè)計

　　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。每個功率模塊實(shí)質(zhì)為單個電源模塊，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。同時主控模塊獲取每個功率模塊的電流，計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，安培時模式下主控模塊統(tǒng)計工作安培時數(shù)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定安培時數(shù)時進(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

　　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個快速多功能雙向I/O口，所有I/O口可以映射到16個外部中斷;幾乎所有端口均可容忍5V信號。

　　4)多達(dá)11個定時器，包括4個16位通用定時器、2個16位帶死區(qū)控制的PWM高級控制定時器、2個看門狗定時器、系統(tǒng)時間定時器、2個用于驅(qū)動DAC的16位基本定時器。

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

　　6)3個12位A/D轉(zhuǎn)換器，1μs轉(zhuǎn)換時間(多達(dá)21個輸入通道)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)計要求，使硬件設(shè)計大為簡化。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)時應(yīng)用。如圖1所示，主控模塊設(shè)計使用STM32F103VET6的CAN、USART、USB等通信接口，CAN用于和功率模塊通信，2個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34個。

　　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。控制器內(nèi)部集成3個優(yōu)先級可配置的發(fā)送郵箱、2個3級深?的接收FIFO、14個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功率模塊間的大量通信。

　　光耦隔離和CAN總線驅(qū)動器電路如圖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是一個可容錯的高速CAN總線驅(qū)動器，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。可變電阻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

　　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)動和應(yīng)用接口。啟動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)位和時鐘(RCC)、中斷控制器、GPIO、看門狗、定時器等片內(nèi)外設(shè)的初始化。中斷服務(wù)包括系統(tǒng)節(jié)拍時鐘、看門狗、CAN收發(fā)、定時器、USART的中斷服務(wù)程序。設(shè)計中采用實(shí)時操作系統(tǒng)，便于實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面、通信、控制等多個任務(wù)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，保證控制的實(shí)時性。人機(jī)界面模塊包括LCD驅(qū)動、按鍵掃描、圖形用戶界面、LED和蜂鳴器驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。工作控制模塊監(jiān)控多個功率模塊并聯(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)程控制時的485通信。定時器模塊提供其他模塊工作所需要的定時功能。

　　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)計功率模塊數(shù)、計算系統(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)。報文接收接收功率模塊發(fā)送的查詢響應(yīng)報文，并從報文中獲得數(shù)據(jù);通信檢測根據(jù)是否有響應(yīng)報文判斷通信是否正常。數(shù)據(jù)處理根據(jù)報文接收中獲得的數(shù)據(jù)計算總電流、電壓、平均電流(穩(wěn)壓模式)、安培時(安培時模式)等系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。故障處理檢測功率模塊和系統(tǒng)故障，進(jìn)行故障處理和報警。輸出處理根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)輸出控制參數(shù)，包括軟啟動輸出、在穩(wěn)壓模式下輸出平均電流、安培時模式下輸出加藥信號、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，測得表1中實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

　　表1 穩(wěn)壓模式測試結(jié)果

　　從表中可見，均流不平衡度在5%以內(nèi)，滿足國家相關(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)接口并簡化了硬件設(shè)計，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。