基于STM32F103的數(shù)字式電鍍電源并聯(lián)均流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)大功率數(shù)字式電鍍電源，提出了一種基于ARM芯片STM32F103的數(shù)字式電鍍電源并聯(lián)均流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用STM32F103作為主控芯片，通過(guò)CAN總線控制多個(gè)電源模塊并聯(lián)工作并使其電流平均，達(dá)到大功率輸出的目的。系統(tǒng)具有多種工作模式和外設(shè)接口，人機(jī)界面友善。實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：電鍍電源；并聯(lián)均流；STM32F103；CAN總線

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(mén)為微控制系統(tǒng)、汽車控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無(wú)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(guò)與主控模塊通信完成對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)程監(jiān)控。

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(mén)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(kāi)關(guān)，均通過(guò)GPIO連接，共計(jì)34個(gè)。