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

　　STM32系列處理器是由意法半導體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)絡等嵌入式應用領(lǐng)域而設計，具有高性能、低功耗、高集成度、豐富且性能出眾的片上外設、編程復雜度低等優(yōu)點。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、人機接口友善、工作模式多樣等優(yōu)點。本文采用STM32F103VET6處理器作為主控芯片，實現(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)主要軟硬件的詳細設計方案。

　　1 總體設計

　　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。主控模塊完成人機交互和整機的運行監(jiān)控。每個功率模塊實質(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)流方式運行，從而實現(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，實現(xiàn)系統(tǒng)均流。在穩(wěn)流或穩(wěn)壓工作的基礎上，安培時模式下主控模塊統(tǒng)計工作安培時數(shù)，當達到設定安培時數(shù)時進行加藥控制。工藝曲線模式下主控模塊控制系統(tǒng)按照設定的穩(wěn)壓或穩(wěn)流工作曲線工作。遠程控制模式下，上位機通過與主控模塊通信完成對系統(tǒng)的運程監(jiān)控。

　　圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　2.1 主控芯片STM32F103VET6

　　STM32F103VET6屬于STM32F103增強系列處理器，具有更多片內(nèi)RAM和外設，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,運算速度高達1.25DMips /MHz.

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

　　3)多達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展外圍電路就能完全滿足設計要求，使硬件設計大為簡化。執(zhí)行速度和內(nèi)存容量完全滿足主控模塊的多任務實時應用。如圖1所示，主控模塊設計使用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和485通信(上位機通信)，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1兆位/秒?？刂破鲀?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，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，可以應用圖形交互界面，使人機交互方便友善。系統(tǒng)采用240x128圖形點陣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?？勺冸娮鑆R1用于背光亮度調(diào)節(jié)。

　　圖3 LCD接口電路

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　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驅(qū)動和應用接口。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位和時鐘(RCC)、中斷控制器、GPIO、看門狗、定時器等片內(nèi)外設的初始化。中斷服務包括系統(tǒng)節(jié)拍時鐘、看門狗、CAN收發(fā)、定時器、USART的中斷服務程序。設計中采用實時操作系統(tǒng)，便于實現(xiàn)人機界面、通信、控制等多個任務的協(xié)調(diào)運行，保證控制的實時性。人機界面模塊包括LCD驅(qū)動、按鍵掃描、圖形用戶界面、LED和蜂鳴器驅(qū)動，實現(xiàn)人機交互。工作控制模塊監(jiān)控多個功率模塊并聯(lián)運行，并實現(xiàn)均流。通信模塊完成監(jiān)控功率模塊運行所需要的CAN通信和上位機遠程控制時的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。運行控制按照用戶指定方式，實時監(jiān)控功率模塊并聯(lián)運行，監(jiān)控流程如圖5所示。首先向功率模塊設置穩(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)運行參數(shù)。故障處理檢測功率模塊和系統(tǒng)故障，進行故障處理和報警。輸出處理根據(jù)當前的運行狀態(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。停機控制在需要停機時通過發(fā)送停機命令控制功率模塊停止工作。

　　圖5 運行監(jiān)控流程圖

　　4 實驗應用

　　實驗系統(tǒng)包含2個1 000 A/15 V的功率模塊，系統(tǒng)在總設定電流下以穩(wěn)壓模式運行，測得表1中實驗結(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)標準，實現(xiàn)了功率模塊的并聯(lián)運行和均流。經(jīng)實際測試表明，系統(tǒng)其他相關(guān)指標均滿足要求，系統(tǒng)運行穩(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大性能，實現(xiàn)了多種外設接口并簡化了硬件設計，實現(xiàn)了圖形交互界面、基于操作系統(tǒng)的任務調(diào)度、CAN和上位機通信以及多種工作模式，增強了系統(tǒng)的功能、友善性和擴展性。