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C8015F041在智能功率柜中的應用
摘要：簡要介紹智能勵磁功率柜的概念及C8051F041單片機的特點；詳細論述基于C8051F041的智能勵磁功率柜的結構、原理及CAN總線通信的實現方法。該控制方案系統集成度高、硬件簡單、工作可靠，具有良好的推廣價值。關鍵詞：C8051F041 CAN 現場總線 勵磁
隨著發電機容量的不斷增大，對勵磁系統的要求越來越高。某省12年的統計表明，勵磁系統故障仍是發電機故障停機和非計劃停運的主要原因，占發電機的非計劃停運比大于50%。勵磁系統出現故障，將影響發電系統整體可靠性，可見勵磁系統的可靠性非常重要。國內目前使用的各類勵磁調節器非常先進，但功率柜的制造水平還不盡如人意，這勢必影響勵磁系統整體性能的提高，進而妨礙升發電系統的性能。
目前，國產的勵磁功率柜普遍存在檢測功能不全，信息傳送、控制和檢測技術落后等問題。本文介紹的基于C8051F041的智能勵磁功率柜具有完備的檢測、控制、通信功能。
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1 C8051F041單片機特點
C8051FXX系列單片機是美國Cygnal公司新推出的一種兼容51內核的單片機。其結構較復雜，限于篇幅，在這里不再詳述。以下僅就筆者對C8051F041的使用介紹一下其新特點。
①內核采用流水線結構，速度可達25MIPS（25MHz晶振），比普通的51快10倍；指令與標準51系列兼容，掌握開發過程非常容易；JTAG調試方式，支持在系統、全速、非插入調試和編程，不占用片內資源。
②片上集成64KB Flash，4352B內部RAM（256+4KB，可外擴至64KB），32個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，內部電壓基準，片內電源監視、降壓檢測、看門狗。由于C8051F041的高集成度，避免了外擴ROM、RAM、A/D、D/A、Watchdog、可編程I/O口、EEPROM（用片內Flash實現），大大簡化了硬件電路，為形成以C8051F041為核心的單片系統創造了條件，從而可提高系統的可靠性。
③片內集成2個UART，1個SM（兼容I2C），1個SPI。最為便利的是，C8051F041集成了CAN總線控制器。CAN總線具有開發費用低、抗干擾性強、適用于工業現場應用等特點，其在干擾非常嚴重各種工業現場測控領域得到廣泛應用。C8051F041只需加上CAN總線收發電路就可掛接到CAN通信網絡上，大大簡化了通信系統的設計，同時可減少通信節點受到干擾的概率。
④可編程的16位計數器陣列（PCA），有6個捕捉/比較模塊，5個通用16位計數器/定時器。這為需求定時器/計數器較多的測控節點提供了方便。
⑤C8051F041能夠滿足絕大多數工業測控節點的要求，能夠形成以C8051F041為核心的單片系統；配以外圍測量單元，可以形成完整的測控節點，提高系統的可靠性。
2 智能勵磁功率柜的系統結構
智能功率柜系統原理框圖如圖1所示。在功率柜中最關鍵的部件是三相全控橋�？刂拼藰虻暮诵膮涤|發角度經CAN總線由調節器送出，同時送達本地柜應發的電流值。經檢測得到的輸出電流值與調節器的應發給定電流值進行比較，完成PI運算后產生新的微調觸角度。該觸發角度經PCA形成觸發脈沖繼而驅動三相全控橋，從而在電子級實現柜間均流。與此同時，通過信號檢測模塊將柜內溫度、晶閘管通斷狀態、輸出電流值送入微控制器，對各參數進行計算分析，與設定閥值比較，實時顯示測量結果并可進行報警。
2.1 基于PCA模塊實現的數字移相觸發
三相晶閘管全控橋工作原理及6個晶閘管的觸發脈沖相序關系如圖2所示。
PCA包含6個基于同一16位計數器作為時基的捕捉/比較模塊，每個模塊可構成正沿捕捉、負沿捕捉、正負沿捕捉、軟件定時器、高速輸出、脈沖寬度調制器6種方式。在本系統中，其被構造成高速輸出模式，每當PCA計數器與模塊的16位捕捉/比較寄存器相匹配，相應模塊的CEX引腳的邏輯電平發生變化，并引起相應中斷。
觸發信號從同步信號過零點計時，調節器經CAN網絡發送給各功率框觸發我的電角度值α、同步信號周期值TSYN、脈沖寬度W。同步信號采樣電路如圖3所示。同步信號過零產生中斷時，使PCA計數器開始計數，并根據α、W、TSYN及PCA計數頻率計算出α的對應值Tα1～T
α6和脈沖后沿的對應值TW1～TW6，并將Tα1～Tα6寫入6個模塊的16位捕捉/比較寄存器。當捕捉寄存器的值與PCA計數器相符時，CEX引腳變為高電平，相應模塊產生中斷。在中斷子程序中相應的TWN讀寫入16位捕捉/比較寄存器，其與PCA計數器值相符時，CEX引腳變為低電平，一路觸發單脈沖產生，用門電路可將6路單脈沖合為6路雙窄脈沖。下式為Tα和Tw計算方法：
TαN=TSYN[α+90(N-1)]/(360×TCLK)
TWN=TSYN[α+W+90(N-1)]/(360×TCLK)
N=1,2,…，6，TCLK為PCA計數器計數周期。
2.2 通過片內Flash在線修改參數
C8051F041的Flash的0x0000～0x007F的地址范圍既可用于片內64KB Flash，也可用于附加的128B的扇區，這通過設置PSCTL寄存器的SFLE位實現。由于片內Flash必須先擦除再寫入，而且以512B一扇區進行，故附加的128B的扇我更適合用作非易失性數據存儲。功率柜需在線修改的參數為PI調節器的P和I。下面以KEIL C51為例給出在線修改參數的程序。
WrRe_Flash（）{
Unsigned int xdata *pwrite;
Unsigned int code *pread;
Unsigned char i;
Unsigned char il;
WDTCH=0xde; //禁止看門狗
WDTCN=0xad；
FLSCL|=0x09; //25MHz時鐘的擦寫頻率
PSCTL|=0x02； //允許Flash扇區擦除
PSCTL|=0x05; //允許Flash扇區寫
pwrite=0x0000; //0x0000指向128B扇區
*pwrite=0; //擦除Flash
PSCTL&=～0x02; //禁止擦除Flash
for(i=0;i<2;i++) //將P和I參數寫入
{*pwrite++=PI[i];}
PSCTL&=～0x01; //禁止寫Flash
pread=0x0000; //讀入當前值
for(il=0;il<2;il++){PI[il]=*pread++;}
}
3 CAN總線在勵磁裝置中的應用
CAN總線是主要的現場總線之一。由于其較低的開發費用、良好的抗干擾能力等特點，其在工業測控領域得到廣泛應用。關于CAN總線的基本概念、接口電路等方面的相關內容較多，這里不再詳述。本文重點介紹如何用C8051F041實現CAN總線通信。
3.1 C8051F041的CAN控制器結構
C8051F041內部集成CAN控制器，不需外加CAN控制器（如SJA1000），這對于需要良好抗干擾性的測控系統有很大好處；可將C8051F041構成為集通信與控制功能于一體的單片系統，大大簡化硬件設計，進而提高系統抗干擾能力。
圖4給出C8051F041內部CAN結構圖，MCU不能直接訪問信息RAM，必須通過IF寄存器，然后由IF寄存器與信息RAM交換數據。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、發送功能，IF的CommandRequest寄存器定義訪問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，表示沒有斷發生；為0x0001～0x0020,表示32幀信息的哪一幀引腳中斷；為0x8000，表示狀態改變（發送完成、接收完成、錯誤狀態）引起中斷。
3.2 CAN通信
通信的初始化過程與其它CAN控制器類似，不再詳述。限于篇幅僅給出如圖5所示的發送、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用
CAN通信系統由4個節點組成：1個調節器和3個功率柜。功率柜由C8051F041完成通信功能，調節器由集成了CAN協議的網卡HT-1302B負責通信。本系統由帶屏蔽層的雙絞線構成通信介質，最大通信距離不超過150m，通信速率可達250Kbps。調節器發送單柜應發電流值、觸發角、同步信號周期、脈沖寬度給各功率柜，功率柜將各柜輸出電流值、導通監視結果、柜內各點溫度反饋回調節器。
4 應用中的問題
①在默認中斷順序中，CAN的中斷號高于INT1（優先級低），應將CAN設為高中斷優先級使其高于INT1，這樣才能有正確的觸發角度。
②在線修改參數時，讀、寫指針的數據類型應分為code、xdata，擦除、寫入Flash后應分別立即禁止擦除、禁止寫入，參數寫入后應將參數再讀入RAM中。
③總線定時寄存器的設置極大影響了CAN性能的發揮。應用中，我們采用16MHz晶振，BTR為1C01H，通信速率為250Kbps，兩點間最大通信距離為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。這為需高精度測量的應用場合提供了方便。
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