基于LPC2119的微弧氧化電源控制系統(tǒng)的研制

基于LPC2119的微弧氧化電源控制系統(tǒng)的研制

?? 摘　要:本文介紹了一種自行研制的微弧氧化電源控制系統(tǒng)，硬件部分采用philips公司的基于ARM的LPC2119處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的51系列單片機(jī)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性；軟件部分采用uC /OS-Ⅱ多任務(wù)設(shè)計(jì)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的前后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)方式，增強(qiáng)了系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)響應(yīng)性。研制出的系統(tǒng)可以按上位機(jī)設(shè)置的各種參數(shù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。能夠滿足電壓，電流，脈沖頻率和占空比的大范圍調(diào)整。
關(guān)鍵詞：LPC2119 ,? 微弧氧化電源 ,? uC /OS-Ⅱ

1．引言

?? 微弧氧化（MAO）是一種在金屬表面原位生長(zhǎng)陶瓷層的表面處理技術(shù)，該技術(shù)是利用等離子體化學(xué)和電化學(xué)原理，使材料表面產(chǎn)生微區(qū)弧光放電，在化學(xué)、電化學(xué)和等離子體的共同作用下，原位生長(zhǎng)陶瓷層的新技術(shù)。微弧氧化電源是保證微弧氧化工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其主要功能是在微弧氧化處理生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生和控制具有脈沖電場(chǎng)以及過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)和控制。

?? 本文研制的微弧氧化電源采用功率模塊換流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了微弧氧化工藝所需的高電壓、大電流、寬頻帶和高質(zhì)正、負(fù)脈沖輸出。利用基于ARM的自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電壓、電流、脈沖頻率、占空比等電參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)控。ARM（Advanced RISC Machines）處理器是一種32位嵌入式微處理器，和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，ARM嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)；和參考文獻(xiàn)2[2]中的16位單片機(jī)相比，ARM嵌入式微處理器具有速度快、功能多、功耗低、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。而本文研制的微弧氧化電源控制系統(tǒng)采用的CPU就是基于ARM7的LPC2119處理器，它是一種支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16/32位CPU，具有零等待的256K的片內(nèi)FLASH和16K的SRAM，無(wú)需擴(kuò)展存儲(chǔ)器，內(nèi)部具有UART、硬件I2C、SPI總線、PWM、定時(shí)器、ADC、CAN總線控制器等眾多外圍部件，功能強(qiáng)大。

2．控制系統(tǒng)的說(shuō)明

??? 微弧氧化電源的主電路由變壓器輸出、可控硅整流、電感電容濾波、IGBT斬波變換器四部分組成[3]。本文所設(shè)計(jì)的微弧氧化電源控制系統(tǒng)的主要任務(wù)就是根據(jù)工藝要求，對(duì)微弧氧化控制系統(tǒng)的晶閘管、IGBT等模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，完成設(shè)置工藝要求、存儲(chǔ)工藝編號(hào)、輸出報(bào)警信號(hào)的功能。所以本控制系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分：

最小系統(tǒng)部分：產(chǎn)生CPU工作電源、外部晶振及JATAG調(diào)試口；

A/D和D/A轉(zhuǎn)換部分：采集電壓和電流值，并把設(shè)置值發(fā)送到晶閘管模塊；

輸入輸出部分：產(chǎn)生一些輸入和輸出信號(hào)；

CAN通信部分：傳送和接收一些設(shè)置參數(shù)；

E2PROM部分：完成對(duì)工藝編號(hào)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

3．硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1最小系統(tǒng)部分

圖1最小系統(tǒng)圖

??? 如圖1所示，最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、晶振電路、電源電路、LPC2119組成。復(fù)位芯片采用的是MAX809監(jiān)控芯片，它可以輸出寬度高達(dá)240MS的低電平復(fù)位脈沖，足以保證系統(tǒng)的，實(shí)時(shí)復(fù)位；外部晶振設(shè)定為11.0592MHZ，內(nèi)部最大可倍頻至60MHZ，大大提高了CPU的速度；電源電路部分主要給LPC2119提供其所需兩種電壓，一種是給外部端口供電的3.3伏，一種是給ARM核供電的1.8伏；LPC2119具有零等待的256K的片內(nèi)FLASH和16K的SRAM，無(wú)需擴(kuò)展存儲(chǔ)器，還自帶看門(mén)狗功能，這樣不僅為系統(tǒng)節(jié)約了資源，也提高了可靠性。

3.2 A/D和D/A轉(zhuǎn)換部分

??? 原理圖見(jiàn)圖2，TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開(kāi)關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程。它具有10μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間，11個(gè)模擬輸入通道，串行輸入結(jié)構(gòu)，支持SPI總線時(shí)序（而LPC2119本身就有SPI接口，這就節(jié)省了I/O資源），且價(jià)格適中，分辨率較高。

??? MAX5322是±10V雙12位串口數(shù)模轉(zhuǎn)換器，工作電壓±12V~ ±15V，輸出從±5V~ ±10V，有極好的INL和DNL線性度，最大值為±1LSB，到0.5LSB的建立時(shí)間為10us，由于它也是串行輸入結(jié)構(gòu)，支持SPI總線時(shí)序，所以MAX5322和TLC2543可共用SPI總線，只需通過(guò)片選來(lái)選擇不同的芯片，這樣設(shè)計(jì)既節(jié)省了LPC2119的I/O資源，又方便了編程。

??? TLC2543的作用是把采集到的實(shí)時(shí)電壓和電流值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，通過(guò)CAN總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示；MAX5322的作用是把上位機(jī)設(shè)置的工作電壓和工作電流值轉(zhuǎn)換為模擬量用來(lái)控制晶閘管的輸出，使其在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)置的電壓。當(dāng)有正負(fù)兩路輸出時(shí)，增加一個(gè)MAX5322便可達(dá)到要求。

3.3 CAN通信部分

CAN接口部分的作用是向上位機(jī)傳送要顯示的一些變量和向下位機(jī)傳送上位機(jī)設(shè)置的變量，如電壓，電流，PWM的頻率、占空比、正脈沖和負(fù)脈沖的個(gè)數(shù)等。CAN總線以其高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信中，已被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，它是多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線，通信速率可達(dá)1M/s，最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)10km。是一種支持分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)[1]。LPC2119自身就集成有CAN控制器，因此只需外加一個(gè)CAN的收發(fā)器PCA82C250，便可驅(qū)動(dòng)CAN總線通信。如圖3所示。

圖2 A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路

圖3 CAN通信電路

圖4 E2PROM電路

3.4 E2PROM部分

E2PROM完成對(duì)工藝編號(hào)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。本文采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C64芯片，其存儲(chǔ)大小為8192字節(jié)；始終可讀寫(xiě)；至少100萬(wàn)次擦寫(xiě)；至少100年數(shù)據(jù)保存期。它支持I2C總線，而LPC2119集成有I2C總線接口，這樣就可硬件實(shí)現(xiàn)通信。原理圖見(jiàn)圖4。

4．軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)功能多且復(fù)雜，基于工業(yè)控制對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的考慮，采用了實(shí)時(shí)性較高的uC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)。μC/OS-II是一個(gè)采用基于固定優(yōu)先級(jí)的占先式調(diào)度方式的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，可固化、可剪裁、具有高穩(wěn)定性和可靠性，此外，μC/OS-II的鮮明特點(diǎn)就是源碼公開(kāi)，便于移植和維護(hù)[3]。本系統(tǒng)的任務(wù)順序如下：

任務(wù)一：建立任務(wù)二，任務(wù)三和任務(wù)四；

任務(wù)二：通過(guò)CAN接口接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)，包括預(yù)先設(shè)好的參數(shù)值；（由上位機(jī)定時(shí)發(fā)送過(guò)來(lái)）

任務(wù)三：進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，PID調(diào)節(jié)，D/A轉(zhuǎn)換；這三者緊密相連：A/D轉(zhuǎn)換把輸入的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并作為PID調(diào)節(jié)的輸入，而PID調(diào)節(jié)的輸出通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換輸出到晶閘管的輸入端，從而改變模塊的輸出；

任務(wù)四：E2PROM完成工藝編號(hào)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，CAN接口將輸出的參數(shù)值傳送給上位機(jī)顯示；

快速中斷：當(dāng)接到上位機(jī)的開(kāi)始或者結(jié)束信號(hào)時(shí)，PWM快速中斷分別產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)和停止信號(hào)，此處對(duì)響應(yīng)速度的要求較高，如果不及時(shí)就可能燒壞模塊，所以必須采用快速中斷。

5．結(jié)論

本系統(tǒng)已研制成功并應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品，效果很好。此系統(tǒng)把LPC2119處理器和uC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用到控制系統(tǒng)中，并且采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)通信，大大提高了系統(tǒng)的高穩(wěn)定性和可靠性；可按上位機(jī)的設(shè)置來(lái)選擇恒壓或者恒流的工作方式；可設(shè)置電壓調(diào)整范圍在0~1000伏（不同型號(hào)最高值不同）；脈沖頻率在20Hz~10KHz可調(diào)；占空比在5%~95%之間可調(diào)。此系統(tǒng)方便維護(hù)和擴(kuò)展，足以滿足現(xiàn)在微弧氧化電源控制系統(tǒng)的需求！

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)是把LPC2119處理器和uC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用到材料學(xué)科的控制系統(tǒng)中，是交叉學(xué)科的一個(gè)典型應(yīng)用的例子。此技術(shù)代替以前的51系列在此次陜西省交通科技項(xiàng)目中為橋梁結(jié)構(gòu)上金屬的表面處理提供了很好的設(shè)備。