C8015F041在智能功率柜中的应用_单片机论文
关键词：c8051f041 can 现场总线 励磁
随着发电机容量的不断增大，对励磁系统的要求越来越高。某省12年的统计表明，励磁系统故障仍是发电机故障停机和非计划停运的主要原因，占发电机的非停运比大于50%。励磁系统出现故障，将影响发电系统整体可靠性，可见励磁系统的可靠性非常重要。国内目前使用的各类励磁调节器非常先进，但功率柜的制造水平还不尽如人意，这势必影响励磁系统整体性能的提高，进而妨碍升发电系统的性能。
目前，国产的励磁功率柜普遍存在检测功能不全，传送、控制和检测技术落后等问题。本文介绍的基于c8051f041的智能励磁功率柜具有完备的检测、控制、通信功能。
1 c8051f041单片机特点
c8051fxx系列单片机是美国cygnal公司新推出的一种兼容51内核的单片机。其结构较复杂，限于篇幅，在这里不再详述。以下仅就笔者对c8051f041的使用介绍一下其新特点。
①内核采用流水线结构，速度可达25mips（25mhz晶振），比普通的51快10倍；指令与标准51系列兼容，掌握开发过程非常容易；jtag调试方式，支持在系统、全速、非插入调试和编程，不占用片内资源。
②片上集成64kb flash，4352b内部ram（256+4kb，可外扩至64kb），32个i/o口，12通道12位100ksps可编程增益adc，8通道8位500ksps可编程增益adc，2路12位dac，3路模拟比较器，内部电压基准，片内电源监视、降压检测、看门狗。由于c8051f041的高集成度，避免了外扩rom、ram、a/d、d/a、watchdog、可编程i/o口、eeprom（用片内flash实现），大大简化了硬件电路，为形成以c8051f041为核心的单片系统创造了条件，从而可提高系统的可靠性。
③片内集成2个uart，1个sm（兼容i2c），1个spi。最为便利的是，c8051f041集成了can总线控制器。can总线具有开发费用低、抗干扰性强、适用于工业现场应用等特点，其在干扰非常严重各种工业现场测控领域得到广泛应用。c8051f041只需加上can总线收发电路就可挂接到can通信网络上，大大简化了通信系统的设计，同时可减少通信节点受到干扰的概率。
④可编程的16位计数器阵列（pca），有6个捕捉/比较模块，5个通用16位计数器/定时器。这为需求定时器/计数器较多的测控节点提供了方便。
⑤c8051f041能够满足绝大多数工业测控节点的要求，能够形成以c8051f041为核心的单片系统；配以外围测量单元，可以形成完整的测控节点，提高系统的可靠性。
2 智能励磁功率柜的系统结构
智能功率柜系统原理框图如图1所示。在功率柜中最关键的部件是三相全控桥。控制此桥的核心参数触发角度经can总线由调节器送出，同时送达本地柜应发的电流值。经检测得到的输出电流值与调节器的应发给定电流值进行比较，完成pi运算后产生新的微调触角度。该触发角度经pca形成触发脉冲继而驱动三相全控桥，从而在电子级实现柜间均流。与此同时，通过信号检测模块将柜内温度、晶闸管通断状态、输出电流值送入微控制器，对各参数进行计算分析，与设定阀值比较，实时显示测量结果并可进行报警。
2.1 基于pca模块实现的数字移相触发
三相晶闸管全控桥工作原理及6个晶闸管的触发脉冲相序关系如图2所示。
pca包含6个基于同一16位计数器作为时基的捕捉/比较模块，每个模块可构成正沿捕捉、负沿捕捉、正负沿捕捉、软件定时器、高速输出、脉冲宽度调制器6种方式。在本系统中，其被构造成高速输出模式，每当pca计数器与模块的16位捕捉/比较寄存器相匹配，相应模块的cex引脚的逻辑电平发生变化，并引起相应中断。
触发信号从同步信号过零点计时，调节器经can网络发送给各功率框触发我的电角度值α、同步信号周期值tsyn、脉冲宽度w。同步信号采样电路如图3所示。同步信号过零产生中断时，使pca计数器开始计数，并根据α、w、tsyn及pca计数频率计算出α的对应值tα1～tα6和脉冲后沿的对应值tw1～tw6，并将tα1～tα6写入6个模块的16位捕捉/比较寄存器。当捕捉寄存器的值与pca计数器相符时，cex引脚变为高电平，相应模块产生中断。在中断子程序中相应的twn读写入16位捕捉/比较寄存器，其与pca计数器值相符时，cex引脚变为低电平，一路触发单脉冲产生，用门电路可将6路单脉冲合为6路双窄脉冲。下式为tα和tw计算方法：
tαn=tsyn[α+90(n-1)]/(360×tclk)
twn=tsyn[α+w+90(n-1)]/(360×tclk)
n=1,2,…，6，tclk为pca计数器计数周期。
2.2 通过片内flash在线修改参数
c8051f041的flash的0x0000～0x007f的地址范围既可用于片内64kb flash，也可用于附加的128b的扇区，这通过设置psctl寄存器的sfle位实现。由于片内flash必须先擦除再写入，而且以512b一扇区进行，故附加的128b的扇我更适合用作非易失性数据存储。功率柜需在线修改的参数为pi调节器的p和i。下面以keil c51为例给出在线修改参数的程序。
wrre_flash（）{
unsigned int xdata *pwrite;
unsigned int code *pread;
unsigned char i;
unsigned char il;
wdtch=0xde; //禁止看门狗
wdtcn=0xad；
flscl|=0x09; //25mhz时钟的擦写频率
psctl|=0x02； //允许flash扇区擦除
psctl|=0x05; //允许flash扇区写
pwrite=0x0000; //0x0000指向128b扇区
*pwrite=0; //擦除flash
psctl&=～0x02; //禁止擦除flash
for(i=0;i<2;i++) //将p和i参数写入
{*pwrite++=pi[i];}
psctl&=～0x01; //禁止写flash
pread=0x0000; //读入当前值
for(il=0;il<2;il++){pi[il]=*pread++;}
}
3 can总线在励磁装置中的应用
can总线是主要的现场总线之一。由于其较低的开发费用、良好的抗干扰能力等特点，其在工业测控领域得到广泛应用。关于can总线的基本概念、接口电路等方面的相关内容较多，这里不再详述。本文重点介绍如何用c8051f041实现can总线通信。
3.1 c8051f041的can控制器结构
c8051f041内部集成can控制器，不需外加can控制器（如sja1000），这对于需要良好抗干扰性的测控系统有很大好处；可将c8051f041构成为集通信与控制功能于一体的单片系统，大大简化硬件设计，进而提高系统抗干扰能力。
图4给出c8051f041内部can结构图，mcu不能直接访问信息ram，必须通过if寄存器，然后由if寄存器与信息ram交换数据。信息ram共可存32帧信息，if寄存器分为if1和if2两组，可分别定义为接收、发送功能，if的commandrequest寄存器定义访问32帧信息的哪一帧，commandmask定义将一帧信息的哪一部分传到ram。
中断寄存器ir为0x0000，表示没有断发生；为0x0001～0x0020,表示32帧的哪一帧引脚中断；为0x8000，表示状态改变（发送完成、接收完成、错误状态）引起中断。
3.2 can通信
通信的初始化过程与其它can控制器类似，不再详述。限于篇幅仅给出如图5所示的发送、ram与if通信和接中断子程序的框图。
3.3 can总线在智能功率柜中的应用
can通信系统由4个节点组成：1个调节器和3个功率柜。功率柜由c8051f041完成通信功能，调节器由集成了can协议的网卡ht-1302b负责通信。本系统由带屏蔽层的双绞线构成通信介质，最大通信距离不超过150m，通信速率可达250kbps。调节器发送单柜应发电流值、触发角、同步信号周期、脉冲宽度给各功率柜，功率柜将各柜输出电流值、导通监视结果、柜内各点温度反馈回调节器。
4 应用中的问题
①在默认中断顺序中，can的中断号高于int1（优先级低），应将can设为高中断优先级使其高于int1，这样才能有正确的触发角度。
②在线修改参数时，读、写指针的数据类型应分为code、xdata，擦除、写入flash后应分别立即禁止擦除、禁止写入，参数写入后应将参数再读入ram中。
③总线定时寄存器的设置极大影响了can性能的发挥。应用中，我们采用16mhz晶振，btr为1c01h，通信速率为250kbps，两点间最大通信距离为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。这为需高精度测量的应用场合提供了方便。