基于LPC2119的微弧氧化电源控制系统的研制

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1．引言
    微弧氧化（MAO）是一种在金属表面原位生长陶瓷层的表面处理技术，该技术是利用等离子体化学和电化学原理，使材料表面产生微区弧光放电，在化学、电化学和等离子体的共同作用下，原位生长陶瓷层的新技术。微弧氧化电源是保证微弧氧化工艺的关键环节之一，其主要功能是在微弧氧化处理生产过程中，产生和控制具有脉冲电场以及过程参数的自动检测和控制。
    本文研制的微弧氧化电源采用功率模块换流技术，实现了微弧氧化工艺所需的高电压、大电流、宽频带和高质正、负脉冲输出。利用基于ARM的自动控制系统实现电压、电流、脉冲频率、占空比等电参数的自动监控。ARM（Advanced RISC Machines）处理器是一种32位嵌入式微处理器，和工业控制计算机相比，ARM嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点；和参考文献2[2]中的16位单片机相比，ARM嵌入式微处理器具有速度快、功能多、功耗低、扩展性好等优点。而本文研制的微弧氧化电源控制系统采用的CPU就是基于ARM7的LPC2119处理器，它是一种支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位CPU，具有零等待的256K的片内FLASH和16K的SRAM，无需扩展存储器，内部具有UART、硬件I2C、SPI总线、PWM、定时器、ADC、CAN总线控制器等众多外围部件，功能强大。
2．控制系统的说明
    微弧氧化电源的主电路由变压器输出、可控硅整流、电感电容滤波、IGBT斩波变换器四部分组成[3]。本文所设计的微弧氧化电源控制系统的主要任务就是根据工艺要求，对微弧氧化控制系统的晶闸管、IGBT等模块进行驱动，完成设置工艺要求、存储工艺编号、输出报警信号的功能。所以本控制系统分为以下几个部分：
    最小系统部分：产生CPU工作电源、外部晶振及JATAG调试口；
    A/D和D/A转换部分：采集电压和电流值，并把设置值发送到晶闸管模块；
    输入输出部分：产生一些输入和输出信号；
    CAN通信部分：传送和接收一些设置参数；
    E2PROM部分：完成对工艺编号和实时数据的存储。
3．硬件系统的设计
3.1最小系统部分



图1最小系统图
     如图1所示，最小系统由复位电路、晶振电路、电源电路、LPC2119组成。复位芯片采用的是MAX809监控芯片，它可以输出宽度高达240MS的低电平复位脉冲，足以保证系统的，实时复位；外部晶振设定为11.0592MHZ，内部最大可倍频至60MHZ，大大提高了CPU的速度；电源电路部分主要给LPC2119提供其所需两种电压，一种是给外部端口供电的3.3伏，一种是给ARM核供电的1.8伏；LPC2119具有零等待的256K的片内FLASH和16K的SRAM，无需扩展存储器，还自带看门狗功能，这样不仅为系统节约了资源，也提高了可靠性。
3.2 A/D和D/A转换部分
    原理图见图2，TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。它具有10μs的转换时间，11个模拟输入通道，串行输入结构，支持SPI总线时序（而LPC2119本身就有SPI接口，这就节省了I/O资源），且价格适中，分辨率较高。
    MAX5322是±10V双12位串口数模转换器，工作电压±12V" ±15V，输出从±5V" ±10V，有极好的INL和DNL线性度，最大值为±1LSB，到0.5LSB的建立时间为10us，由于它也是串行输入结构，支持SPI总线时序，所以MAX5322和TLC2543可共用SPI总线，只需通过片选来选择不同的芯片，这样设计既节省了LPC2119的I/O资源，又方便了编程。
    TLC2543的作用是把采集到的实时电压和电流值转换为数字值，通过CAN总线传输到上位机进行显示；MAX5322的作用是把上位机设置的工作电压和工作电流值转换为模拟量用来控制晶闸管的输出，使其在极短的时间内达到设置的电压。当有正负两路输出时，增加一个MAX5322便可达到要求。
     CAN接口部分的作用是向上位机传送要显示的一些变量和向下位机传送上位机设置的变量，如电压，电流，PWM的频率、占空比、正脉冲和负脉冲的个数等。CAN总线以其高性能、高可靠性、实时性等优点，被广泛应用于控制系统中的检测和执行机构之间的数据通信中，已被公认为是最有前途的现场总线之一，它是多主总线，通信介质可以是双绞线，通信速率可达1M/s，最远通信距离可达10km。是一种支持分布式实时控制系统的串行通信局域网[1]。LPC2119自身就集成有CAN控制器，因此只需外加一个CAN的收发器PCA82C250，便可驱动CAN总线通信。如图3所示。



图2 A/D和D/A转换电路



图3 CAN通信电路




图4 E2PROM电路
3.4 E2PROM部分
    E2PROM完成对工艺编号和实时数据的存储。本文采用ATMEL公司生产的AT24C64芯片，其存储大小为8192字节；始终可读写；至少100万次擦写；至少100年数据保存期。它支持I2C总线，而LPC2119集成有I2C总线接口，这样就可硬件实现通信。原理图见图4。
4．软件系统的设计
    本系统功能多且复杂，基于工业控制对系统实时性要求的考虑，采用了实时性较高的uC/OS-II嵌入式操作系统。μC/OS-II是一个采用基于固定优先级的占先式调度方式的实时多任务内核，可固化、可剪裁、具有高稳定性和可靠性，此外，μC/OS-II的鲜明特点就是源码公开，便于移植和维护[3]。本系统的任务顺序如下：
    任务一：建立任务二，任务三和任务四；
    任务二：通过CAN接口接收上位机发送过来的信号，包括预先设好的参数值；（由上位机定时发送过来）
    任务三：进行A/D转换，PID调节，D/A转换；这三者紧密相连：A/D转换把输入的模拟量信号转换为数字量，并作为PID调节的输入，而PID调节的输出通过D/A转换输出到晶闸管的输入端，从而改变模块的输出；
    任务四：E2PROM完成工艺编号和实时数据的存储，CAN接口将输出的参数值传送给上位机显示；
    快速中断：当接到上位机的开始或者结束信号时，PWM快速中断分别产生对应的脉冲数和停止信号，此处对响应速度的要求较高，如果不及时就可能烧坏模块，所以必须采用快速中断。
5．结论
    本系统已研制成功并应用到实际产品，效果很好。此系统把LPC2119处理器和uC/OS-II嵌入式操作系统相结合应用到控制系统中，并且采用CAN现场总线来通信，大大提高了系统的高稳定性和可靠性；可按上位机的设置来选择恒压或者恒流的工作方式；可设置电压调整范围在0"1000伏（不同型号最高值不同）；脉冲频率在20Hz"10KHz可调；占空比在5%"95%之间可调。此系统方便维护和扩展，足以满足现在微弧氧化电源控制系统的需求！