摘要：簡(jiǎn)要介紹智能勵(lì)磁功率柜的概念及C8051F041單片機(jī)的特點(diǎn)；詳細(xì)論述基于C8051F041的智能勵(lì)磁功率柜的結(jié)構(gòu)、原理及CAN總線通信的實(shí)現(xiàn)方法。該控制方案系統(tǒng)集成度高、硬件簡(jiǎn)單、工作可靠，具有良好的推廣價(jià)值。

    關(guān)鍵詞：C8051F041 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線 勵(lì)磁

隨著發(fā)電機(jī)容量的不斷增大，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求越來(lái)越高。某省12年的統(tǒng)計(jì)表明，勵(lì)磁系統(tǒng)故障仍是發(fā)電機(jī)故障停機(jī)和非計(jì)劃停運(yùn)的主要原因，占發(fā)電機(jī)的非計(jì)劃停運(yùn)比大于50%。勵(lì)磁系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將影響發(fā)電系統(tǒng)整體可靠性，可見(jiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性非常重要。國(guó)內(nèi)目前使用的各類(lèi)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器非常先進(jìn)，但功率柜的制造水平還不盡如人意，這勢(shì)必影響勵(lì)磁系統(tǒng)整體性能的提高，進(jìn)而妨礙升發(fā)電系統(tǒng)的性能。

目前，國(guó)產(chǎn)的勵(lì)磁功率柜普遍存在檢測(cè)功能不全，信息傳送、控制和檢測(cè)技術(shù)落后等問(wèn)題。本文介紹的基于C8051F041的智能勵(lì)磁功率柜具有完備的檢測(cè)、控制、通信功能。

1 C8051F041單片機(jī)特點(diǎn)

C8051FXX系列單片機(jī)是美國(guó)Cygnal公司新推出的一種兼容51內(nèi)核的單片機(jī)。其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，限于篇幅，在這里不再詳述。以下僅就筆者對(duì)C8051F041的使用介紹一下其新特點(diǎn)。

①內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，速度可達(dá)25MIPS（25MHz晶振），比普通的51快10倍；指令與標(biāo)準(zhǔn)51系列兼容，掌握開(kāi)發(fā)過(guò)程非常容易；JTAG調(diào)試方式，支持在系統(tǒng)、全速、非插入調(diào)試和編程，不占用片內(nèi)資源。

②片上集成64KB Flash，4352B內(nèi)部RAM（256+4KB，可外擴(kuò)至64KB），32個(gè)I/O口，12通道12位100ksps可編程增益ADC，8通道8位500ksps可編程增益ADC，2路12位DAC，3路模擬比較器，內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，片內(nèi)電源監(jiān)視、降壓檢測(cè)、看門(mén)狗。由于C8051F041的高集成度，避免了外擴(kuò)ROM、RAM、A/D、D/A、Watchdog、可編程I/O口、EEPROM（用片內(nèi)Flash實(shí)現(xiàn)），大大簡(jiǎn)化了硬件電路，為形成以C8051F041為核心的單片系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，從而可提高系統(tǒng)的可靠性。

③片內(nèi)集成2個(gè)UART，1個(gè)SM（兼容I2C），1個(gè)SPI。最為便利的是，C8051F041集成了CAN總線控制器。CAN總線具有開(kāi)發(fā)費(fèi)用低、抗干擾性強(qiáng)、適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等特點(diǎn)，其在干擾非常嚴(yán)重各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。C8051F041只需加上CAN總線收發(fā)電路就可掛接到CAN通信網(wǎng)絡(luò)上，大大簡(jiǎn)化了通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)可減少通信節(jié)點(diǎn)受到干擾的概率。

④可編程的16位計(jì)數(shù)器陣列（PCA），有6個(gè)捕捉/比較模塊，5個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。這為需求定時(shí)器/計(jì)數(shù)器較多的測(cè)控節(jié)點(diǎn)提供了方便。

⑤C8051F041能夠滿足絕大多數(shù)工業(yè)測(cè)控節(jié)點(diǎn)的要求，能夠形成以C8051F041為核心的單片系統(tǒng)；配以外圍測(cè)量單元，可以形成完整的測(cè)控節(jié)點(diǎn)，提高系統(tǒng)的可靠性。

2 智能勵(lì)磁功率柜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能功率柜系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。在功率柜中最關(guān)鍵的部件是三相全控橋?？刂拼藰虻暮诵膮?shù)觸發(fā)角度經(jīng)CAN總線由調(diào)節(jié)器送出，同時(shí)送達(dá)本地柜應(yīng)發(fā)的電流值。經(jīng)檢測(cè)得到的輸出電流值與調(diào)節(jié)器的應(yīng)發(fā)給定電流值進(jìn)行比較，完成PI運(yùn)算后產(chǎn)生新的微調(diào)觸角度。該觸發(fā)角度經(jīng)PCA形成觸發(fā)脈沖繼而驅(qū)動(dòng)三相全控橋，從而在電子級(jí)實(shí)現(xiàn)柜間均流。與此同時(shí)，通過(guò)信號(hào)檢測(cè)模塊將柜內(nèi)溫度、晶閘管通斷狀態(tài)、輸出電流值送入微控制器，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，與設(shè)定閥值比較，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果并可進(jìn)行報(bào)警。

2.1 基于PCA模塊實(shí)現(xiàn)的數(shù)字移相觸發(fā)

三相晶閘管全控橋工作原理及6個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖相序關(guān)系如圖2所示。

PCA包含6個(gè)基于同一16位計(jì)數(shù)器作為時(shí)基的捕捉/比較模塊，每個(gè)模塊可構(gòu)成正沿捕捉、負(fù)沿捕捉、正負(fù)沿捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸出、脈沖寬度調(diào)制器6種方式。在本系統(tǒng)中，其被構(gòu)造成高速輸出模式，每當(dāng)PCA計(jì)數(shù)器與模塊的16位捕捉/比較寄存器相匹配，相應(yīng)模塊的CEX引腳的邏輯電平發(fā)生變化，并引起相應(yīng)中斷。

觸發(fā)信號(hào)從同步信號(hào)過(guò)零點(diǎn)計(jì)時(shí)，調(diào)節(jié)器經(jīng)CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給各功率框觸發(fā)我的電角度值α、同步信號(hào)周期值TSYN、脈沖寬度W。同步信號(hào)采樣電路如圖3所示。同步信號(hào)過(guò)零產(chǎn)生中斷時(shí)，使PCA計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，并根據(jù)α、W、TSYN及PCA計(jì)數(shù)頻率計(jì)算出α的對(duì)應(yīng)值Tα1～Tα6和脈沖后沿的對(duì)應(yīng)值TW1～TW6，并將Tα1～Tα6寫(xiě)入6個(gè)模塊的16位捕捉/比較寄存器。當(dāng)捕捉寄存器的值與PCA計(jì)數(shù)器相符時(shí)，CEX引腳變?yōu)楦唠娖?，相?yīng)模塊產(chǎn)生中斷。在中斷子程序中相應(yīng)的TWN讀寫(xiě)入16位捕捉/比較寄存器，其與PCA計(jì)數(shù)器值相符時(shí)，CEX引腳變?yōu)榈碗娖?，一路觸發(fā)單脈沖產(chǎn)生，用門(mén)電路可將6路單脈沖合為6路雙窄脈沖。下式為T(mén)α和Tw計(jì)算方法：

TαN=TSYN[α+90(N-1)]/(360×TCLK)

TWN=TSYN[α+W+90(N-1)]/(360×TCLK)

N=1,2,…，6，TCLK為PCA計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)周期。

    2.2 通過(guò)片內(nèi)Flash在線修改參數(shù)

C8051F041的Flash的0x0000～0x007F的地址范圍既可用于片內(nèi)64KB Flash，也可用于附加的128B的扇區(qū)，這通過(guò)設(shè)置PSCTL寄存器的SFLE位實(shí)現(xiàn)。由于片內(nèi)Flash必須先擦除再寫(xiě)入，而且以512B一扇區(qū)進(jìn)行，故附加的128B的扇我更適合用作非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。功率柜需在線修改的參數(shù)為PI調(diào)節(jié)器的P和I。下面以KEIL C51為例給出在線修改參數(shù)的程序。

WrRe_Flash（）{

Unsigned int xdata *pwrite;

Unsigned int code *pread;

Unsigned char i;

Unsigned char il;

WDTCH=0xde; //禁止看門(mén)狗

WDTCN=0xad；

FLSCL|=0x09; //25MHz時(shí)鐘的擦寫(xiě)頻率

PSCTL|=0x02； //允許Flash扇區(qū)擦除

PSCTL|=0x05; //允許Flash扇區(qū)寫(xiě)

pwrite=0x0000; //0x0000指向128B扇區(qū)

*pwrite=0; //擦除Flash

PSCTL&=～0x02; //禁止擦除Flash

for(i=0;i<2;i++) //將P和I參數(shù)寫(xiě)入

{*pwrite++=PI[i];}

PSCTL&=～0x01; //禁止寫(xiě)Flash

pread=0x0000; //讀入當(dāng)前值

for(il=0;il<2;il++){PI[il]=*pread++;}

}

3 CAN總線在勵(lì)磁裝置中的應(yīng)用

CAN總線是主要的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。由于其較低的開(kāi)發(fā)費(fèi)用、良好的抗干擾能力等特點(diǎn)，其在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。關(guān)于CAN總線的基本概念、接口電路等方面的相關(guān)內(nèi)容較多，這里不再詳述。本文重點(diǎn)介紹如何用C8051F041實(shí)現(xiàn)CAN總線通信。

3.1 C8051F041的CAN控制器結(jié)構(gòu)

C8051F041內(nèi)部集成CAN控制器，不需外加CAN控制器（如SJA1000），這對(duì)于需要良好抗干擾性的測(cè)控系統(tǒng)有很大好處；可將C8051F041構(gòu)成為集通信與控制功能于一體的單片系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高系統(tǒng)抗干擾能力。

圖4給出C8051F041內(nèi)部CAN結(jié)構(gòu)圖，MCU不能直接訪問(wèn)信息RAM，必須通過(guò)IF寄存器，然后由IF寄存器與信息RAM交換數(shù)據(jù)。信息RAM共可存32幀信息，IF寄存器分為IF1和IF2兩組，可分別定義為接收、發(fā)送功能，IF的CommandRequest寄存器定義訪問(wèn)32幀信息的哪一幀，CommandMask定義將一幀信息的哪一部分傳到信息RAM。

中斷寄存器IR為0x0000，表示沒(méi)有斷發(fā)生；為0x0001～0x0020,表示32幀信息的哪一幀引腳中斷；為0x8000，表示狀態(tài)改變（發(fā)送完成、接收完成、錯(cuò)誤狀態(tài)）引起中斷。

3.2 CAN通信

通信的初始化過(guò)程與其它CAN控制器類(lèi)似，不再詳述。限于篇幅僅給出如圖5所示的發(fā)送、信息RAM與IF通信和接中斷子程序的框圖。

    3.3 CAN總線在智能功率柜中的應(yīng)用

CAN通信系統(tǒng)由4個(gè)節(jié)點(diǎn)組成：1個(gè)調(diào)節(jié)器和3個(gè)功率柜。功率柜由C8051F041完成通信功能，調(diào)節(jié)器由集成了CAN協(xié)議的網(wǎng)卡HT-1302B負(fù)責(zé)通信。本系統(tǒng)由帶屏蔽層的雙絞線構(gòu)成通信介質(zhì)，最大通信距離不超過(guò)150m，通信速率可達(dá)250Kbps。調(diào)節(jié)器發(fā)送單柜應(yīng)發(fā)電流值、觸發(fā)角、同步信號(hào)周期、脈沖寬度給各功率柜，功率柜將各柜輸出電流值、導(dǎo)通監(jiān)視結(jié)果、柜內(nèi)各點(diǎn)溫度反饋回調(diào)節(jié)器。

4 應(yīng)用中的問(wèn)題

①在默認(rèn)中斷順序中，CAN的中斷號(hào)高于INT1（優(yōu)先級(jí)低），應(yīng)將CAN設(shè)為高中斷優(yōu)先級(jí)使其高于INT1，這樣才能有正確的觸發(fā)角度。

②在線修改參數(shù)時(shí)，讀、寫(xiě)指針的數(shù)據(jù)類(lèi)型應(yīng)分為code、xdata，擦除、寫(xiě)入Flash后應(yīng)分別立即禁止擦除、禁止寫(xiě)入，參數(shù)寫(xiě)入后應(yīng)將參數(shù)再讀入RAM中。

③總線定時(shí)寄存器的設(shè)置極大影響了CAN性能的發(fā)揮。應(yīng)用中，我們采用16MHz晶振，BTR為1C01H，通信速率為250Kbps，兩點(diǎn)間最大通信距離為150m，通信效果很好。

④新推出的C8051C06X除具有C8051F04X的功能外，新增了16位ADC。這為需高精度測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合提供了方便。