C8051F041在智能功率柜中的应用 - 工业/测控 - 电子工程师俱

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<strong>引言</strong>

随着发电机容量的不断增大，对励磁系统的要求越来越高。某省12年的统计表明，励磁系统故障仍是发电机故障停机和非计划停运的主要原因，占发电机的非计划停运比大于50%。励磁系统出现故障，将影响发电系统整体可靠性，可见励磁系统的可靠性非常重要。国内目前使用的各类励磁调节器非常先进，但功率柜的制造水平还不尽如人意，这势必影响励磁系统整体性能的提高，进而妨碍升发电系统的性能。

目前，国产的励磁功率柜普遍存在检测功能不全，信息传送、控制和检测技术落后等问题。本文介绍的基于C8051F041的智能励磁功率柜具有完备的检测、控制、通信功能。

<strong>1 C8051F041单片机特点</strong>

C8051FXX系列单片机是美国Cygnal公司新推出的一种兼容51内核的单片机。其结构较复杂，限于篇幅，在这里不再详述。以下仅就笔者对C8051F041的使用介绍一下其新特点。

①内核采用流水线结构，速度可达25MIPS（25MHz晶振），比普通的51快10倍；指令与标准51系列兼容，掌握开发过程非常容易；JTAG调试方式，支持在系统、全速、非插入调试和编程，不占用片内资源。

②片上集成64KB Flash，4352B内部RAM（256+4KB，可外扩至64KB），32个I/O口，12通道12位100ksps可编程增益ADC，8通道8位 500ksps可编程增益ADC，2路12位DAC，3路模拟比较器，内部电压基准，片内电源监视、降压检测、看门狗。由于C8051F041的高集成度，避免了外扩ROM、RAM、A/D、D/A、Watchdog、可编程I/O口、EEPROM（用片内Flash实现），大大简化了硬件电路，为形成以C8051F041为核心的单片系统创造了条件，从而可提高系统的可靠性。

③片内集成2个UART，1个SM（兼容I2C），1 个SPI。最为便利的是，C8051F041集成了CAN总线控制器。CAN总线具有开发费用低、抗干扰性强、适用于工业现场应用等特点，其在干扰非常严重各种工业现场测控领域得到广泛应用。C8051F041只需加上CAN总线收发电路就可挂接到CAN通信网络上，大大简化了通信系统的设计，同时可减少通信节点受到干扰的概率。

④可编程的16位计数器阵列（PCA），有6个捕捉/比较模块，5个通用16位计数器/定时器。这为需求定时器/计数器较多的测控节点提供了方便。

⑤C8051F041能够满足绝大多数工业测控节点的要求，能够形成以 C8051F041为核心的单片系统；配以外围测量单元，可以形成完整的测控节点，提高系统的可靠性。

<strong>2 智能励磁功率柜的系统结构</strong>

智能功率柜系统原理框图如图1所示。


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2010-4-5 08:33:36 上传
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在功率柜中最关键的部件是三相全控桥。控制此桥的核心参数触发角度经CAN总线由调节器送出，同时送达本地柜应发的电流值。经检测得到的输出电流值与调节器的应发给定电流值进行比较，完成PI运算后产生新的微调触角度。该触发角度经PCA形成触发脉冲继而驱动三相全控桥，从而在电子级实现柜间均流。与此同时，通过信号检测模块将柜内温度、晶闸管通断状态、输出电流值送入微控制器，对各参数进行计算分析，与设定阀值比较，实时显示测量结果并可进行报警。

2.1 基于PCA模块实现的数字移相触发

三相晶闸管全控桥工作原理及6个晶闸管的触发脉冲相序关系如图2所示。


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PCA 包含6个基于同一16位计数器作为时基的捕捉/比较模块，每个模块可构成正沿捕捉、负沿捕捉、正负沿捕捉、软件定时器、高速输出、脉冲宽度调制器6种方式。在本系统中，其被构造成高速输出模式，每当PCA计数器与模块的16位捕捉/比较寄存器相匹配，相应模块的CEX引脚的逻辑电平发生变化，并引起相应中断。

触发信号从同步信号过零点计时，调节器经CAN网络发送给各功率框触发我的电角度值α、同步信号周期值TSYN、脉冲宽度W。同步信号采样电路如图3所示。


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同步信号过零产生中断时，使PCA计数器开始计数，并根据α、W、TSYN及PCA计数频率计算出α的对应值Tα1～Tα6和脉冲后沿的对应值TW1～TW6，并将 Tα1～Tα6写入6个模块的16位捕捉/ 比较寄存器。当捕捉寄存器的值与PCA计数器相符时，CEX引脚变为高电平，相应模块产生中断。在中断子程序中相应的TWN读写入16位捕捉/比较寄存器，其与PCA计数器值相符时，CEX引脚变为低电平，一路触发单脉冲产生，用门电路可将6路单脉冲合为6路双窄脉冲。下式为Tα和Tw计算方法：
TαN=TSYN[α+90(N-1)]/(360×TCLK)
TWN=TSYN[α+W+90(N-1)]/(360×TCLK)
N=1,2,…，6，TCLK为PCA计数器计数周期。

2.2 通过片内Flash在线修改参数

C8051F041的Flash的 0x0000～0x007F的地址范围既可用于片内64KB Flash，也可用于附加的128B的扇区，这通过设置PSCTL寄存器的SFLE位实现。由于片内Flash必须先擦除再写入，而且以512B一扇区进行，故附加的128B的扇我更适合用作非易失性数据存储。功率柜需在线修改的参数为PI调节器的P和I。下面以KEIL C51为例给出在线修改参数的程序。
WrRe_Flash（）{
Unsigned int xdata *pwrite;
Unsigned int code *pread;
Unsigned char i;
Unsigned char il;
WDTCH=0xde; //禁止看门狗
WDTCN=0xad；
FLSCL|=0x09; //25MHz时钟的擦写频率
PSCTL|=0x02； //允许Flash扇区擦除
PSCTL|=0x05; //允许Flash扇区写
pwrite=0x0000; //0x0000指向128B扇区
*pwrite=0; //擦除Flash
PSCTL&=～0x02; //禁止擦除Flash
for(i=0;i<2;i++) //将P和I参数写入
{*pwrite++=PI<i>;}
</i&gtSCTL&=～0x01; //禁止写Flash
pread=0x0000; //读入当前值
for(il=0;il<2;il++){PI[il]=*pread++;}
}

<strong>3 CAN总线在励磁装置中的应用</strong>

CAN总线是主要的现场总线之一。由于其较低的开发费用、良好的抗干扰能力等特点，其在工业测控领域得到广泛应用。关于CAN总线的基本概念、接口电路等方面的相关内容较多，这里不再详述。本文重点介绍如何用C8051F041实现CAN总线通信。

3.1 C8051F041的CAN控制器结构

C8051F041内部集成CAN控制器，不需外加 CAN控制器（如SJA1000），这对于需要良好抗干扰性的测控系统有很大好处；可将C8051F041构成为集通信与控制功能于一体的单片系统，大大简化硬件设计，进而提高系统抗干扰能力。

图4给出C8051F041内部CAN结构图，MCU不能直接访问信息RAM，必须通过 IF寄存器，然后由IF寄存器与信息RAM交换数据。信息RAM共可存32帧信息，IF寄存器分为IF1和IF2两组，可分别定义为接收、发送功能，IF 的CommandRequest寄存器定义访问32帧信息的哪一帧，CommandMask定义将一帧信息的哪一部分传到信息RAM。


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中断寄存器IR为0x0000，表示没有断发生；为0x0001～0x0020,表示32帧信息的哪一帧引脚中断；为0x8000，表示状态改变（发送完成、接收完成、错误状态）引起中断。

3.2 CAN通信

通信的初始化过程与其它CAN控制器类似，不再详述。限于篇幅仅给出如图5所示的发送、信息RAM与IF通信和接中断子程序的框图。


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3.3 CAN总线在智能功率柜中的应用

CAN通信系统由4个节点组成：1个调节器和 3个功率柜。功率柜由C8051F041完成通信功能，调节器由集成了CAN协议的网卡HT-1302B负责通信。本系统由带屏蔽层的双绞线构成通信介质，最大通信距离不超过150m，通信速率可达250Kbps。调节器发送单柜应发电流值、触发角、同步信号周期、脉冲宽度给各功率柜，功率柜将各柜输出电流值、导通监视结果、柜内各点温度反馈回调节器。

<strong>4 应用中的问题</strong>

①在默认中断顺序中，CAN的中断号高于INT1（优先级低），应将CAN设为高中断优先级使其高于INT1，这样才能有正确的触发角度。

②在线修改参数时，读、写指针的数据类型应分为code、xdata，擦除、写入Flash后应分别立即禁止擦除、禁止写入，参数写入后应将参数再读入RAM中。

③ 总线定时寄存器的设置极大影响了CAN性能的发挥。应用中，我们采用16MHz晶振，BTR为1C01H，通信速率为250Kbps，两点间最大通信距离为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。这为需高精度测量的应用场合提供了方便。

<strong>参考文献</strong>

1. 何丙茂 对同步发电机励磁系统若干问题的思考 [期刊论文] -电网技术1999(3)
2. CYGNAL Company C8051F04X Data Sheet 2002
3. 邬宽明 CAN 总线原理和应用系统设计 1996

作 者：天津河北工业大学 李春龙 杨梅 刘立新
来 源：单片机与嵌入式系统应用 2003（12）