基于數(shù)字式電鍍電源并聯(lián)均流系統(tǒng)設(shè)計方案

1 總體設(shè)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(shè)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(chǔ)上，安培時模式下主控模塊統(tǒng)計工作安培時數(shù)，當(dāng)達到設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)，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(shè)計要求，使硬件設(shè)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(wù)實時應(yīng)用。如圖1所示，主控模塊設(shè)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。控制器內(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(yīng)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