基于avr單片機的整流模塊控制器設(shè)計與實現(xiàn)

1、基于單片機的整流模塊控制器設(shè)計與實現(xiàn)張嶼毛征劉瑞東，北京工業(yè)大學(xué)電了信息與控制二程學(xué)院北京市朝陽區(qū)、嚴樂園號北京動力源科技股份有限公司北京市豐臺區(qū)科技園星火路號，摘要：本文介紹，通信電源中以爭片機為核心的整流模塊控制器的工作原理，討論了它的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計思想。該控制器是連接通信電源主控制器和整流模塊的功能單元。它通過與通信電源主控制器通信：擠同主控制器實現(xiàn)塒整流模塊的智能控制，即監(jiān)測整流模塊的各種實時運行數(shù)據(jù)及狀態(tài)，自動檢測整流模塊故障，實時處理整流模塊的狀態(tài)參數(shù)和控制信號。它具有組態(tài)簡單、抗干擾性強、成本低等特點，適用于不同功率型號的通信電源產(chǎn)品。關(guān)鍵詞。單片機模塊控制器主控制器整流模塊

2、，：，血；，：引言通信電源是整個通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)備。微處理器監(jiān)控、系統(tǒng)內(nèi)部通信、系統(tǒng)智能化以及分布式控制是通信電源技術(shù)的發(fā)展方向。在通信電源中，主控制器是中央處理單元；整流模塊（以下簡稱模塊）的功能是將輸入的高壓交流電轉(zhuǎn)換成輸出的低壓直流電；模塊控制器是聯(lián)結(jié)電源主控制器與模塊之問的數(shù)據(jù)通信、信號采集與指令控制的功能單元。因此，通信電源產(chǎn)品中，模塊控制器必不可少。另外，在研發(fā)同一系列的通信電源產(chǎn)品中，不同的嵌入式工程師具有不同的軟硬件毆計思想，造成芯片應(yīng)用、電路架構(gòu)、軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等的差異，這就給產(chǎn)品的維護與升級帶來困難。本文介紹一種基于單片機（以下簡稱“”）設(shè)計的整流模塊控制器（以下簡稱“模

3、塊控制器”），該方案采用實時性與智能化控制原理，組態(tài)性與擴展性強、電氣性能與抗干擾性能優(yōu)越、成本低。經(jīng)測試，運行效果良好。同時，對該方案如何適用于同一系列不同功率型號的通信電源產(chǎn)品做了探討。組成及工作原理模塊控制器集電子、通信、自動控制為一體，其功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成。硬件部分主要完成信號采集、轉(zhuǎn)換、通信等，軟件部分主要完成信號的處理及控制功能。具體的工作原理是：依次電技術(shù)應(yīng)用采集并轉(zhuǎn)換每個模塊的狀態(tài)信號，檢測模塊告警信號，然后根據(jù)這些信號構(gòu)造狀態(tài)數(shù)據(jù)包，通過串行總線發(fā)送到主控制器，吲時接收并解析主控制器發(fā)來的模塊調(diào)壓、模塊限流、模塊開關(guān)機等控制信號數(shù)據(jù)包，最后向模塊發(fā)送并執(zhí)行這些控

4、制信號。硬件構(gòu)成模塊控制器硬件主要包括以下個部分：豐控部分、通信部分、采集轉(zhuǎn)換部分、控制部分，如圖所示。其中實現(xiàn)對外嗣硬件的控制以及信號處理功能；通信部分實現(xiàn)與主控制器之間的通信功能；采集轉(zhuǎn)換部分實現(xiàn)每個模塊電流信號采集并進行轉(zhuǎn)換，以及對每個模塊告警信號的采集和轉(zhuǎn)換：控制部分使用波控制模塊調(diào)壓和限流值，摔制模塊開關(guān)機。下面結(jié)合圖，具體說明各硬件部分的組成、功能和特點。模塊控制器巡懿二圖模塊控制器硬件結(jié)構(gòu)一群一一主控部分模塊控制器芯片采用公司生產(chǎn)的系列單片機中高端工業(yè)級產(chǎn)品。它具有如下特點。（）富的外設(shè)，有效降低開發(fā)成本：片內(nèi)配置可編程、，內(nèi)置通道位，可預(yù)分頻的位定時計數(shù)器（可作通道），具有、端

5、】，內(nèi)置看門狗，：電復(fù)位電路，電路等。這就有充足的硬件資源滿足模塊控制器功能的需要，可為不同功率通信電源提供統(tǒng)一的模塊控制器硬件設(shè)計平臺，并可預(yù)留若干資源咀備擴充時使用。（）高速、低輻射、低功耗：采用位增強的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)，具有的性能，最大工作頻率為，品振頻率低。這就相應(yīng)地使模塊控制器具有運行速度高、功耗低、抗干擾性強等特點。（）強大的語言支持能力，代碼效率高：具有多數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)和豐富的中斷源，結(jié)合的片內(nèi)：，硬件乘法器，以及優(yōu)秀的編譯器，有助于生成快速、高教代碼。這就使模塊控制器的軟件可讀性、兼容性和規(guī)范性得到保證，可為不同功率通信電源提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。（）可在線下載程序，支持在線下載調(diào)試，

6、為實現(xiàn)程序燒錄、修改提供方便，從而縮短開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本。主控部分對采集轉(zhuǎn)換部分輸入數(shù)據(jù)進行實時運算、處理，通過控制部分實現(xiàn)控制器的各種邏輯控制功能，并通過通信部分與通信電源主控制器進行通信。另外，不同功率型號通信電源產(chǎn)品（如、等）的模塊控制器硬件構(gòu)成完全一致，故在該控制器上設(shè)置了撥碼開關(guān)，以針對不同電源產(chǎn)品選擇不同的應(yīng)用程序段。通信部分串行通信部分由一片組成。它采用公司的隔離技術(shù)，邏輯端與總線端的額定隔離電壓為，最大數(shù)據(jù)傳輸率為，足以保證通常情況下的通信正常。使用與使用光耦組合電路功能相同、成本相當，故組態(tài)簡單、抗干擾性強是通信部分的特點。使用端口，波特率采用，按照制定的通信協(xié)議以半雙工

7、通信模式與主控制器進行數(shù)據(jù)通信?，F(xiàn)代電子信息技術(shù)理論與應(yīng)用采集轉(zhuǎn)換部分模塊的輸出電流狀態(tài)信號反映了模塊輸出負載電流情況，模塊控制器使用內(nèi)置的采集狀態(tài)信號。采用循環(huán)的單通道單次轉(zhuǎn)換模式，對組個模塊輸入的路肛狀態(tài)信號分別進行轉(zhuǎn)換。采用逐次逼近方法完成轉(zhuǎn)換，按照轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度和穩(wěn)定度要求，每次轉(zhuǎn)換時間約為。由于模塊需要穩(wěn)定準確的調(diào)壓信號，故再使用路采集并轉(zhuǎn)換輸出的調(diào)壓信號，以各后用。從模塊采集的路過壓和欠壓狀態(tài)信號，需輸入到電壓比較電路。若狀態(tài)信號電壓值大于由電壓基準電路產(chǎn)生的，則產(chǎn)生模塊告警信號輸入；若低于，則產(chǎn)生模塊不在位信號輸入?？刂撇糠帜K輸出電壓值的準確和穩(wěn)定是通信電源的重要特性。從模塊控

8、制器輸入模塊的調(diào)壓信號電壓值。，與模塊輸出電壓值之間的控制關(guān)系為：。一（）由于供電電路、的輸出電路以及轉(zhuǎn)換電路都將產(chǎn)生傳導(dǎo)噪聲，造成【廠。，不穩(wěn)定，這就極易造成。的漂移（參考（）式），這是通信電源穩(wěn)壓要求所不允許的。因此，模塊控制器采用波閉環(huán)控制方法來確保。，的準確和穩(wěn)定。使用的位定時計數(shù)器產(chǎn)生電壓矩形波，經(jīng)過二階低通巴特沃茲有源濾波器（即轉(zhuǎn)換），生成。它一方面被輸入模塊，控制。，另一方面，進入節(jié)所述的采集轉(zhuǎn)換電路，構(gòu)成閉環(huán)控制的反饋回路，如圖所示。這樣，。，經(jīng)過軟硬件處理能夠控制。自誤差小于±，達到產(chǎn)品技術(shù)要求。調(diào)壓信號輸出圖閉環(huán)控制模塊調(diào)壓值硬件結(jié)構(gòu)箍于通信電源僅僅要求模塊輸出限

9、流值，。達到誤差小于±的技術(shù)指標，因此模塊控制器使用通道產(chǎn)生模塊限流信號，。，并直接輸入模塊來控制厶，毋需反饋電路。另外，該控制器分別控制每個模塊的開關(guān)機動作。抗干擾設(shè)計通信電源的模塊、交流和直流等功能單元以及開關(guān)機動作都有較強的，另外通信電源長時間處于露天應(yīng)用場合，極易受雷電干擾。這樣，模塊控制器問題就凸現(xiàn)出來，須采取軟硬件相配合的抗干擾措施，使該控制器穩(wěn)定、可靠運行。概括地講，主要采用以下個措施。（）采用抗干擾工作電源：模塊控制器供電線路是干擾的主要來源，故采用對主控部分、通信部分和轉(zhuǎn)換電路分別供電的方式來避免干擾，并為每個有源器件的電源和地之間并聯(lián)濾波電容。同時，良好的接地是電

10、路穩(wěn)定工作的重要條件，因此該控制器采用模擬地與數(shù)字地分開的設(shè)計方法。通信部分采用電路地與機殼（大地）隔離的結(jié)構(gòu)，隔斷接地環(huán)路并減小環(huán)路電流，有效防止。（）轉(zhuǎn)換電路的抗干擾措施：為保證轉(zhuǎn)換結(jié)果的精確，的電源端、參考電壓端、接地端和模擬電壓輸入電路均與其他數(shù)字電路隔離。在電流信號的采集傳輸路徑上使用低通濾波電路。設(shè)計軟件時，在每個通道轉(zhuǎn)換時使用防脈沖干擾平均濾波法，將傳導(dǎo)噪聲降到最小。（）光電隔離：在控制模塊開關(guān)機的通道上采用光耦將與模塊的地電位從電氣上隔離開來。（）復(fù)位措施：當中應(yīng)用程序跑飛時，使用其內(nèi)置的看門狗將程序拉回到復(fù)位狀態(tài)。（）屏蔽措施：在通信電源機柜中，塊該控制器板插在模塊控制背板上

11、，目前，它們分別控制排共個模塊。背板嵌入機柜中間層，由金屬屏蔽罩包圍。電子技術(shù)應(yīng)用軟件設(shè)計使用語言編寫的軟件易于實現(xiàn)模塊化，生成代碼質(zhì)量高、可讀性和可移植性強，所以模塊控制器的應(yīng)用程序在上采用語言編寫，并在環(huán)境下進行編譯。應(yīng)用程序采用前后臺系統(tǒng)編程思想，由主程序和中斷予程序組成。主程序是一個無限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成規(guī)定的功能性操作，這部分是后臺程序：中斷處理子程序處理異步事件（時間相關(guān)性強的關(guān)鍵操作），這部分是前臺程序。該控制器主程序流程圖如圖所示，它由以下個任務(wù)組成：（）軟硬件初始化：完成口、定時，計數(shù)器、看門狗等的初始化；判斷撥碼開關(guān)的設(shè)置以選擇相應(yīng)電源型號的變量設(shè)置和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，

12、讀取本控制器所要控制的模塊組排的號。（）數(shù)據(jù)采集：等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，得到轉(zhuǎn)換結(jié)果；對每一個模塊電流信號分別進行采樣和量化處理，同時測量模塊調(diào)壓反饋信號。（）處理模塊關(guān)機：向每一個模塊發(fā)送開關(guān)機指令。（）處理模塊告警：獲得模塊的告警信號和在位信號。（）產(chǎn)生波：將數(shù)據(jù)采集部分測算的模塊調(diào)壓信號反饋值與主控制器發(fā)來的調(diào)壓信號值進行比較，將得出的誤差對輸出值積分步長進行調(diào)整，修正實際輸出值；直接產(chǎn)生限流波輸出值。該控制器有種中斷源，分別是異步串行通信接收完成中斷和發(fā)送完成中斷：（）接收完成，：接收并解析主控制器發(fā)來的模塊狀態(tài)查詢信號、模塊調(diào)壓和限流信號、模塊開關(guān)機狀態(tài)等數(shù)據(jù)包。（）發(fā)送完成：將模塊狀態(tài)信號

13、、模塊調(diào)壓和限流信號、模塊開關(guān)機狀態(tài)信號構(gòu)造成數(shù)據(jù)包，發(fā)送到主控制器。圖主程序流程囤調(diào)試選用公司出品的作為仿真調(diào)試器，它與機上仿真調(diào)試軟件組成一套完善的調(diào)試接口，可阻在運行過程中實現(xiàn)實時仿真，控制內(nèi)部資源，節(jié)省開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本。在仿真調(diào)試階段，采用“自底向上逐步集成”的策略，逐個軟硬件功能進行在線仿真調(diào)試，在此基礎(chǔ)上逐步集成。最后，將該控制器嵌入不同型號的通信電源機柜進行整機聯(lián)調(diào)。結(jié)論本文提出的基于模塊控制器的設(shè)計與實施方案，自年月至今試用于和通信電源產(chǎn)品中，性能穩(wěn)定，采樣精度高，報警、控制準確度，通信誤碼率極低。同時，具有組態(tài)簡單，軟硬件可擴展性和軟件設(shè)計規(guī)范性等優(yōu)點，為同一系列不同功

14、率型號通信電源產(chǎn)品的維護和升級創(chuàng)建了平臺。參考文獻（）沈文，詹衛(wèi)前單片機語言開發(fā)入門指導(dǎo)北京：清華大學(xué)出版社，。，基于AVR單片機的整流模塊控制器設(shè)計與實現(xiàn)作者：作者單位：張嶼， 毛征， 劉瑞東張嶼,毛征(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院,北京市,100022)， 劉瑞東(北京動力源科技股份有限公司,100070)相似文獻(1條)1.學(xué)位論文 張嶼 統(tǒng)一化軟硬件平臺的通信電源中整流模塊控制器的設(shè)計 2006DUM系列智能開關(guān)通信電源的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)是北京動力源科技股份有限公司研發(fā)生產(chǎn)的核心產(chǎn)品。由于各個系統(tǒng)性能存在差異以及工程師在系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計思路上的不同，使當前系統(tǒng)模塊化和標準化程度不夠，系統(tǒng)管理維護和更新上的困難，導(dǎo)致成本提高。為了解決上述問題，本文針對通信電源嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)中的整流模塊控制器，提出一套軟硬件平臺的統(tǒng)一化設(shè)計方案。 整流模塊控制器硬件平臺以運算速度高、功能強大的8位單片機ATmega16L為核心，建立系統(tǒng)級硬件單元的組態(tài)形式，即通信單元、檢測單元和控制單元通過主控單元實現(xiàn)功能上的連接與協(xié)調(diào)，然后對各個功能單元分別進行硬件設(shè)計。與以往的設(shè)計相比，該硬件平臺提高了系統(tǒng)集成度和電磁兼容性能，同時易于維護和管理。 整流模塊控制器軟件設(shè)計以源碼公開的嵌入式實時操作系統(tǒng)C/OS-為基礎(chǔ)，在ATmega16L上移植并配置C/O