基于數字式電鍍電源并聯均流系統設計方案

1 總體設計

并聯均流系統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控。每個功率模塊實質為單個電源模塊， 按照主控模塊的指令以穩壓或穩流的方式工作。系統在穩流工作方式下，主控模塊將設定工作電流均勻分配給每個功率模塊，功率模塊根據分配電流控制本模塊以穩 流方式運行，從而實現系統穩流和均流。系統在穩壓工作方式下，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壓方式 工作，實現系統穩壓。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流方式工作，實現系統均流。在穩流或穩壓 工作的基礎上，安培時模式下主控模塊統計工作安培時數，當達到設定安培時數時進行加藥控制。工藝曲線模式下主控模塊控制系統按照設定的穩壓或穩流工作曲線工作。遠程控制模式下，上位機通過與主控模塊通信完成對系統的運程監控。

圖1 系統總體結構圖

2 系統硬件設計

2.1 主控芯片STM32F103VET6

STM32F103VET6屬于STM32F103增強系列處理器，具有更多片內RAM和外設，具體特性如下：

1)采用基于哈佛架構的3級流水線內核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)內置高速存儲器，高達512 k字節的閃存和64 k字節的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位帶死區控制的PWM高級控制定時器、2個看門狗定時器、系統時間定時器、2個用于驅動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轉換器，1μs轉換時間(多達21個輸入通道)和2通道12位D/A轉換器。

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。執行速度和內存容量完全滿足 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用于筆記本現場配置電源系統參數。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，均通過GPIO連接，共計34個。

2.2 CAN通信模塊

CAN通信模塊是系統中最關鍵的通信模塊，由CAN控制器、 光耦隔離和CAN總線驅動器組成(見圖1)。CAN控制器集成于STM32F103VET6內部，完全支持CAN協議2.0A和2.0B，波特?最高可達 1兆位/秒。控制器內部集成3個優先級可配置的發送郵箱、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總線驅動器電路如圖2所示。CAN-TX和CAN-RX是與CAN控制器相連的發送數 據線和接收數據線。由于系統輸出功率大，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代替傳統的數碼管，可以應用圖形交互界面，使人機交互方便友善。系統采用240x128圖形點陣STN液晶模塊ZLG240128A，該模塊采用RA6963控制器，內建256-word的ROM字形產生器，可以顯示英 文字型、數字符號等字母，并支持最大64 kByte的外部顯示內存(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LCD控制和數據線與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。可變電阻VR1用于背光亮度調節。

圖3 LCD接口電路