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数字密码锁电路的设计

数字密码锁电路的设计

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  • 宽带阻抗测量仪的设计——微处理器电路设计(二)

    5.3人机接口单元电路

    为了方便系统的扩展和满足人机互动的需要,本设计提供了液晶显示界面、键盘控制等,同时提供了RS-485/232通讯接口。液晶显示界面用来显示测试结果,可通过字符和图形形式显示;键盘控制用来设置一些参数,以得到不同情况下测试结果的变化情况;RS-485/232通讯接口用来实现与其它监测设备或和外部计算机的信息通讯和共享。人机接口单元原理图如图5-5所示。

    5.3.1RS232/485接口电路设计阅读全文>>

  • 臭氧电源驱动保护电路的设计与实现

    摘要:介绍了臭氧逆变电源的整体设计和IGBT对驱动电路的设计要求,指出了用EXB841直接驱动IGBT时存在的问题和不足,提出了应用ExB84l设计驱动电路的改进用法,并将优化电路成功应用于臭氧电源中。关键词:臭氧电源;IGBT;EXB841O引言用介质阻挡放电法(DBD法)的大功率臭氧发生设备已广泛应用于自来水、泳池水处理以及污废水的深度处理,在提高生活用水质量和环境保护领域起着越来越重要的作用。臭氧发生设备的关键技术是用IGBT实现的高压逆变电源,而IGBT的可靠驱动与保护是高性能电源的重要保障。JGBT专用驱动芯片EXB841,具有正负偏压、过流检测、故障保护和软关断等主要功能特征,在300A容量以下的IGBT驱动中得到了广泛应用。但它存在着许多不足,有待进一步完善与改进,以便更好地满足IGBT、的驱动要求,实现IGBT驱动电路性能的优化。本文结合研制的大功率DBD型臭氧电源,在探讨IGBT的驱动要求和EXB84l在应用中的不足的基础上,研究和设计了一种新的基于EXB841的优化驱动电路,并给出了实验结果。臭氧逆变电源的实际运行结果说明该设计是合适的,不仅克服了原EXB841典型应用的不足,而且还极大地改善了IGBT的驱动与保护性能。1臭氧电源系统的组成及其工作原理图1所示为臭氧电源系统原理框图,整个系统由主电路、控制电路和驱动电路组成。主电路包括整流电路、逆变电路;控制电路主要包括IGBT驱动电路、晶闸管智能模块触发电路、保护电路和软启动电路。根据介质阻挡放电产生臭氧的机理,臭氧发生器可等效为由Cd(介质等效电容)、Cg(气隙等效电容)和Vz放电维持电压)组成的等效电路。对于供电电源来说,发生器是一非线性容性负载。整流电路采用三相整流智能控制模块,该模块高度集成了晶闸管主电路和移相控制电路,且具有过热、过流、缺相保护功能,使用起来非常方便。电容C1很大,因而直流输入可近似地等效为一个电压源,电感L主要起平波作用。电源的功率调节是通过调节全控整流桥晶闸管的触发角a来实现的。逆变电路采用PWM控制,输出电压波形为频率变化的方波,此方波电压经中频升压变压器升压后给臭氧发生器供电。S1一S4为IGBT功率管,C2为防止变压器偏磁的隔直电容。采用频率跟踪技术使逆变桥工作频率接近于负载偕振频率,即准谐振状态,负载由补偿电感Ls(包括变压器漏感)和臭氧发生器串联组成,实现对功率因数的补偿。2IGBT的驱动要求IGBT是一种由双极晶体管与MOSFET组合的器件。IGBT的门极驱动电路影响IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电流能力及dv/dt等参数,并决定了lGBT的静态与动态特性。因此,在使用IGBT时,最重要的就是要设计好驱动与保护电路。IGBT对驱动电路有如下要求。2.1栅极驱动电压U由于IGBT开关速度较高,关断时很高的di/dt将在分布电感上产生较高的关断浪涌电压,其值可能超过IGBT的集射极间耐压值而造成器件损坏。当Uge增加时,导通状态下的集射极电压Uce减小,开通损耗下降,但也会使IGBT承受短路电流的时间变短,续流二极管反向恢复过电压增大。因此,Uge的选择应折衷考虑。为保证IGBT在集射极间出现dv/dt噪声时可靠关断,关断时必须在栅极施加负偏压。特别应当注意,若这个负电压值太小,集电极电压变化率dv/dt可能使管子误导通或不能关断。2.2栅极串联电阻Rg及栅射电阻Rgt为改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡,减少1GBT集电极上的电压尖脉冲,须在栅极串接电阻Rμ。但增大Rg会使IGBT的通断时间延长,能耗增加;而减小Rg又会使di/dt增加,可能引发误导通或损害IGBT。由于lGBT属于压控器件,当集射极间加有高电压时,很容易受外界干扰,使栅射极电压超过导通时的门槛电压,引起器件误导通,尤其是在桥式逆变器中易造成桥臂直通。为防这类现象发生,应在栅射极间并接30kΩ左右的电阻Rge。2.3驱动电路的电源驱动电路的电源应稳定,应有足够的功率,以满足栅极对驱动功率的要求,能提供足够高的正负栅压。在大电流应用场合,每个栅极驱动电路最好都采用独立的分立绝缘电源。驱动电路的电源和控制电路的电源应独立,以减小相互问的干扰。日本FUJI公司的EXB841芯片具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性,是一种比较典型的驱动电路。其功能比较完善,在国内得到了广泛应用。3驱动芯片ExB84l图2是EXB841的内部原理图,其主要有3个工作过程:正常开通过程、正常关断过程和保护动作过程。保护动作过程是根据IGBT开通期间其集射极间电压Uce的大小判定是否发生过流而进行保护的。当IGBT开通时,若发生短路,Uce上升很多,会使得D7截止,EXB841的脚6“悬空”,B点和C点电位开始上升;当上升至13V时,VZ1被击穿,V3导通,C4通过R7和V3放电,E点的电压逐渐下降,D6导通,从而使IGBT的集射极间电压Uge下降,实现缓关断,完成EXB841对IGBT的保护。作为IGBT的驱动芯片,EXB84l有着众多的优点,但也存在着下列不足。3.1过流保护阈值太高过流保护的阈值设置不合理。ExB84l判定过流的主要依据是脚6电压。脚6电压不仅和Uce有关,还和D7的导通电压有关。由于D7在O5~0.6V时即可开通,故可知过流时Uce约为75V(=13—5—0.5=7.5v)。而通常IGBT在通过额定电流时导通压降约为3.5V,当Uce=7.5V时IGBT已严重过流。3.2负偏压不足负偏压偏低是EXB84l的一个致命弱点。EXB841设置负栅压是为了防止较高dv/dt而引起ICBT误动作。但在高压大电流时,开关管通断会在负栅压信号中产生很大的干扰尖刺,使截止的lGBT误导通。对于全桥电路则存在直通的可能,因而有必要适当提高负偏压。实际表明,在合理布局的基础上,一般须采用8V左右的负偏压才能满足要求。3.3存在虚假过流一般大功率IGBT的导通时间ton在lμs左右,但其尾部电压下降是较慢的。实验表明,当电源电压较高时,Uce下降至饱和导通压降通常约需4~5μs,而过流检测的延迟时间约为2.7μs,于是在使用中往往会出现虚假过流。因而脚5输出信号应延时5μs,以识别真假过流,并使真正过流在内部软关断后才封锁PWM信号。3.4过流保护无自锁功能在过流保护时,只具有当前脉冲软关断功能,而不是完全关闭。如果存在过流,它只能把正常的驱动信号变成一系列降幅脉冲,连续工作亦可能导致器件损坏。这就需在过流检测时,当防误触发和保证软关断后,必须能自动锁定过流信号,同时终止其输出。4驱动电路优化设计针对上述EXB84l典型应用中存在的不足,在设计臭氧逆变电源中,研究与设计了基于EXB841的优化驱动电路,如图3所示。辅助电源电压采用24V。这是因为负偏压影响保护特性,负偏压和保护阈值电压之和不得高于13V,否则将被视为过流状态而不能正常工作。为降低保护阈值电压,即过流时的Uce值,可通过外接稳压管提高负偏压,这时正向驱动电压将下降,因此,为保证正向驱动电压而适当地提高了电源电压。外接办法是断开EXB841的脚l与IGBT发射极E间的连线,如图3所示,用外接的稳压管代替EXB84l内部的稳压管VZa,此时应使稳压管两端并有电容,同时也须根据稳压管的稳压值适当调整其所在支路的限流电阻。本电路选用了稳压值为8V的稳压管,限流电阻4.7kΩ,稳压管两端并联电容为O33μF。为防止栅极驱动电路出现高压尖峰,在栅射极问并接了两只反向串联的稳压二极管。对于偏高的保护动作阈值难以起到有效的保护作用,除用短路等辅助保护外,仍须配合电流传感器进行过流保护。为了适当降低动作阈值,已提出过采用高压降检测二极管或采用串接反向稳压管及二极管的方法,但其调整受到较大限制。而本改进电路不仅可使实际过载电流小于IGBT的极限过载电流,而且还实现了保护电压的连续调节和较准确控制。为改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡以及减少IGBT集电极高电压尖脉冲,须在栅极串联电阻Rgo但是,在开通IGBT时,Rg增大会使IGBT的导通时间延长,能耗增加,因此需要减小Rg;而在关断IGBT时,由于(dv/dt较大,会导致IGBT发生擎住效应,因此需要增大Rg以延}乏关断时间,减小过电压。为此对电路进行了部分改进,采用了不对称的开启和关断的方法。如图3所示,在IGBT开通时,EXB841的脚3提供+15V触发电压,此时两个电阻并联使Rg值较小,在IGBT关断时,EXB841提供一8V电压,此时二极管D1截止,Rg=Rg2值较大,可以增大关断时间,减小过电压。当然,Rg阻值的增加会加大[GBT的开关损耗,因此,要合理选择Rg1和Rg2的阻值。对于EXB84l驱动中产生的虚假过流以及无过流自锁,如图3所示,可通过外接光耦将信号传输给外部保护电路,经过一定延时以防止误动作和保证进行软关断后由触发器锁定。延时是为了使lGBT软关断后再停止触发信号,避免了立即停止触发信号造成硬关断,同时还极大地提高了抗虚假过流的能力。本锁定保护电路其工作原理是:当过流检测信号超过设定值时,过流高速比较器LM319输出高电平,电容C2通过R7充电,若LM393持续低电平时间大于设定保护时间(一般是5tμs),稳压管VD1被击穿,三极管Q2饱和导通,输出低电平,经R—S触发器翻转、锁定,并送至SG:3525的脚10,停止PWM波输出。由于EXB84l的脚5被置为低电平,IGBT在此过程中缓关断。若是EXB84l误触发,则自动恢复到工作状态。5实验结果实验驱动波形如图4所示,反向关断电压为一7.8V,正向驱动电压为15.2V,正负偏压同时得到了调整,且波形呈规则的矩形波。实验中还发现若稳压管两端未并接电容,则正向驱动电压上升沿仍然很陡,而由正向驱动电压向反向关断电压切换时,先有一很陡的快速F降过程,接近0V时,经过缓慢的过渡过程才达到稳态反向关断电压。这是由于反向充电时间常数过大引起的。原EXB84l典型驱动电路应用到臭氧电源时,电源系统极易m现故障,表现为:由于负偏压不足,导致内部稳压管损坏;在桥式电路中,lGBT发生直通现象,IGBT经常炸毁;由于臭氧电源中强电磁干扰的存在,致使EXB84l在电流较小时就产生虚假过流故障报警,使得设备无法正常运行,从而使保护功能失效。改进后的优化电路使以上几种故障均得以消除,设备能长时间可靠运行。从驱动波形看,正负偏压均得到了提高。同时,由于用外接稳压管替代r内部稳压管,故在产生故障时,一般只是烧毁外接稳压管,从而保护了FXB841,降低了设备的维修成本.图5为该臭氧设备正常运行(准谐振状态)时的电压电流波形,黑色波形为放电电流波形。6结语EXB841改进型驱动电路具有较好的实用性,既提高了EXB84l驱动能力,又具有很强的过流信号识别功能,从而对过流真正起到了保护作用。将改进后的驱动电路应用到臭氧电源后,电源性能得到大幅度提高,满足r高浓度、高产量臭氧发生器的要求。本文对于合理应用EXB841设计IGBT驱动电路,有着较大的参考价值。阅读全文>>

  • 臭氧电源驱动保护电路的设计与实现

    摘要:介绍了臭氧逆变电源的整体设计和IGBT对驱动电路的设计要求,指出了用EXB841直接驱动IGBT时存在的问题和不足,提出了应用ExB84l设计驱动电路的改进用法,并将优化电路成功应用于臭氧电源中。关键词:臭氧电源;IGBT;EXB841O引言用介质阻挡放电法(DBD法)的大功率臭氧发生设备已广泛应用于自来水、泳池水处理以及污废水的深度处理,在提高生活用水质量和环境保护领域起着越来越重要的作用。臭氧发生设备的关键技术是用IGBT实现的高压逆变电源,而IGBT的可靠驱动与保护是高性能电源的重要保障。JGBT专用驱动芯片EXB841,具有正负偏压、过流检测、故障保护和软关断等主要功能特征,在300A容量以下的IGBT驱动中得到了广泛应用。但它存在着许多不足,有待进一步完善与改进,以便更好地满足IGBT、的驱动要求,实现IGBT驱动电路性能的优化。本文结合研制的大功率DBD型臭氧电源,在探讨IGBT的驱动要求和EXB84l在应用中的不足的基础上,研究和设计了一种新的基于EXB841的优化驱动电路,并给出了实验结果。臭氧逆变电源的实际运行结果说明该设计是合适的,不仅克服了原EXB841典型应用的不足,而且还极大地改善了IGBT的驱动与保护性能。1臭氧电源系统的组成及其工作原理图1所示为臭氧电源系统原理框图,整个系统由主电路、控制电路和驱动电路组成。主电路包括整流电路、逆变电路;控制电路主要包括IGBT驱动电路、晶闸管智能模块触发电路、保护电路和软启动电路。根据介质阻挡放电产生臭氧的机理,臭氧发生器可等效为由Cd(介质等效电容)、Cg(气隙等效电容)和Vz放电维持电压)组成的等效电路。对于供电电源来说,发生器是一非线性容性负载。整流电路采用三相整流智能控制模块,该模块高度集成了晶闸管主电路和移相控制电路,且具有过热、过流、缺相保护功能,使用起来非常方便。电容C1很大,因而直流输入可近似地等效为一个电压源,电感L主要起平波作用。电源的功率调节是通过调节全控整流桥晶闸管的触发角a来实现的。逆变电路采用PWM控制,输出电压波形为频率变化的方波,此方波电压经中频升压变压器升压后给臭氧发生器供电。S1一S4为IGBT功率管,C2为防止变压器偏磁的隔直电容。采用频率跟踪技术使逆变桥工作频率接近于负载偕振频率,即准谐振状态,负载由补偿电感Ls(包括变压器漏感)和臭氧发生器串联组成,实现对功率因数的补偿。2IGBT的驱动要求IGBT是一种由双极晶体管与MOSFET组合的器件。IGBT的门极驱动电路影响IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电流能力及dv/dt等参数,并决定了lGBT的静态与动态特性。因此,在使用IGBT时,最重要的就是要设计好驱动与保护电路。IGBT对驱动电路有如下要求。2.1栅极驱动电压U由于IGBT开关速度较高,关断时很高的di/dt将在分布电感上产生较高的关断浪涌电压,其值可能超过IGBT的集射极间耐压值而造成器件损坏。当Uge增加时,导通状态下的集射极电压Uce减小,开通损耗下降,但也会使IGBT承受短路电流的时间变短,续流二极管反向恢复过电压增大。因此,Uge的选择应折衷考虑。为保证IGBT在集射极间出现dv/dt噪声时可靠关断,关断时必须在栅极施加负偏压。特别应当注意,若这个负电压值太小,集电极电压变化率dv/dt可能使管子误导通或不能关断。2.2栅极串联电阻Rg及栅射电阻Rgt为改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡,减少1GBT集电极上的电压尖脉冲,须在栅极串接电阻Rμ。但增大Rg会使IGBT的通断时间延长,能耗增加;而减小Rg又会使di/dt增加,可能引发误导通或损害IGBT。由于lGBT属于压控器件,当集射极间加有高电压时,很容易受外界干扰,使栅射极电压超过导通时的门槛电压,引起器件误导通,尤其是在桥式逆变器中易造成桥臂直通。为防这类现象发生,应在栅射极间并接30kΩ左右的电阻Rge。2.3驱动电路的电源驱动电路的电源应稳定,应有足够的功率,以满足栅极对驱动功率的要求,能提供足够高的正负栅压。在大电流应用场合,每个栅极驱动电路最好都采用独立的分立绝缘电源。驱动电路的电源和控制电路的电源应独立,以减小相互问的干扰。日本FUJI公司的EXB841芯片具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性,是一种比较典型的驱动电路。其功能比较完善,在国内得到了广泛应用。3驱动芯片ExB84l图2是EXB841的内部原理图,其主要有3个工作过程:正常开通过程、正常关断过程和保护动作过程。保护动作过程是根据IGBT开通期间其集射极间电压Uce的大小判定是否发生过流而进行保护的。当IGBT开通时,若发生短路,Uce上升很多,会使得D7截止,EXB841的脚6“悬空”,B点和C点电位开始上升;当上升至13V时,VZ1被击穿,V3导通,C4通过R7和V3放电,E点的电压逐渐下降,D6导通,从而使IGBT的集射极间电压Uge下降,实现缓关断,完成EXB841对IGBT的保护。作为IGBT的驱动芯片,EXB84l有着众多的优点,但也存在着下列不足。3.1过流保护阈值太高过流保护的阈值设置不合理。ExB84l判定过流的主要依据是脚6电压。脚6电压不仅和Uce有关,还和D7的导通电压有关。由于D7在O5~0.6V时即可开通,故可知过流时Uce约为75V(=13—5—0.5=7.5v)。而通常IGBT在通过额定电流时导通压降约为3.5V,当Uce=7.5V时IGBT已严重过流。3.2负偏压不足负偏压偏低是EXB84l的一个致命弱点。EXB841设置负栅压是为了防止较高dv/dt而引起ICBT误动作。但在高压大电流时,开关管通断会在负栅压信号中产生很大的干扰尖刺,使截止的lGBT误导通。对于全桥电路则存在直通的可能,因而有必要适当提高负偏压。实际表明,在合理布局的基础上,一般须采用8V左右的负偏压才能满足要求。3.3存在虚假过流一般大功率IGBT的导通时间ton在lμs左右,但其尾部电压下降是较慢的。实验表明,当电源电压较高时,Uce下降至饱和导通压降通常约需4~5μs,而过流检测的延迟时间约为2.7μs,于是在使用中往往会出现虚假过流。因而脚5输出信号应延时5μs,以识别真假过流,并使真正过流在内部软关断后才封锁PWM信号。3.4过流保护无自锁功能在过流保护时,只具有当前脉冲软关断功能,而不是完全关闭。如果存在过流,它只能把正常的驱动信号变成一系列降幅脉冲,连续工作亦可能导致器件损坏。这就需在过流检测时,当防误触发和保证软关断后,必须能自动锁定过流信号,同时终止其输出。4驱动电路优化设计针对上述EXB84l典型应用中存在的不足,在设计臭氧逆变电源中,研究与设计了基于EXB841的优化驱动电路,如图3所示。辅助电源电压采用24V。这是因为负偏压影响保护特性,负偏压和保护阈值电压之和不得高于13V,否则将被视为过流状态而不能正常工作。为降低保护阈值电压,即过流时的Uce值,可通过外接稳压管提高负偏压,这时正向驱动电压将下降,因此,为保证正向驱动电压而适当地提高了电源电压。外接办法是断开EXB841的脚l与IGBT发射极E间的连线,如图3所示,用外接的稳压管代替EXB84l内部的稳压管VZa,此时应使稳压管两端并有电容,同时也须根据稳压管的稳压值适当调整其所在支路的限流电阻。本电路选用了稳压值为8V的稳压管,限流电阻4.7kΩ,稳压管两端并联电容为O33μF。为防止栅极驱动电路出现高压尖峰,在栅射极问并接了两只反向串联的稳压二极管。对于偏高的保护动作阈值难以起到有效的保护作用,除用短路等辅助保护外,仍须配合电流传感器进行过流保护。为了适当降低动作阈值,已提出过采用高压降检测二极管或采用串接反向稳压管及二极管的方法,但其调整受到较大限制。而本改进电路不仅可使实际过载电流小于IGBT的极限过载电流,而且还实现了保护电压的连续调节和较准确控制。为改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡以及减少IGBT集电极高电压尖脉冲,须在栅极串联电阻Rgo但是,在开通IGBT时,Rg增大会使IGBT的导通时间延长,能耗增加,因此需要减小Rg;而在关断IGBT时,由于(dv/dt较大,会导致IGBT发生擎住效应,因此需要增大Rg以延}乏关断时间,减小过电压。为此对电路进行了部分改进,采用了不对称的开启和关断的方法。如图3所示,在IGBT开通时,EXB841的脚3提供+15V触发电压,此时两个电阻并联使Rg值较小,在IGBT关断时,EXB841提供一8V电压,此时二极管D1截止,Rg=Rg2值较大,可以增大关断时间,减小过电压。当然,Rg阻值的增加会加大[GBT的开关损耗,因此,要合理选择Rg1和Rg2的阻值。对于EXB84l驱动中产生的虚假过流以及无过流自锁,如图3所示,可通过外接光耦将信号传输给外部保护电路,经过一定延时以防止误动作和保证进行软关断后由触发器锁定。延时是为了使lGBT软关断后再停止触发信号,避免了立即停止触发信号造成硬关断,同时还极大地提高了抗虚假过流的能力。本锁定保护电路其工作原理是:当过流检测信号超过设定值时,过流高速比较器LM319输出高电平,电容C2通过R7充电,若LM393持续低电平时间大于设定保护时间(一般是5tμs),稳压管VD1被击穿,三极管Q2饱和导通,输出低电平,经R—S触发器翻转、锁定,并送至SG:3525的脚10,停止PWM波输出。由于EXB84l的脚5被置为低电平,IGBT在此过程中缓关断。若是EXB84l误触发,则自动恢复到工作状态。5实验结果实验驱动波形如图4所示,反向关断电压为一7.8V,正向驱动电压为15.2V,正负偏压同时得到了调整,且波形呈规则的矩形波。实验中还发现若稳压管两端未并接电容,则正向驱动电压上升沿仍然很陡,而由正向驱动电压向反向关断电压切换时,先有一很陡的快速F降过程,接近0V时,经过缓慢的过渡过程才达到稳态反向关断电压。这是由于反向充电时间常数过大引起的。原EXB84l典型驱动电路应用到臭氧电源时,电源系统极易m现故障,表现为:由于负偏压不足,导致内部稳压管损坏;在桥式电路中,lGBT发生直通现象,IGBT经常炸毁;由于臭氧电源中强电磁干扰的存在,致使EXB84l在电流较小时就产生虚假过流故障报警,使得设备无法正常运行,从而使保护功能失效。改进后的优化电路使以上几种故障均得以消除,设备能长时间可靠运行。从驱动波形看,正负偏压均得到了提高。同时,由于用外接稳压管替代r内部稳压管,故在产生故障时,一般只是烧毁外接稳压管,从而保护了FXB841,降低了设备的维修成本.图5为该臭氧设备正常运行(准谐振状态)时的电压电流波形,黑色波形为放电电流波形。6结语EXB841改进型驱动电路具有较好的实用性,既提高了EXB84l驱动能力,又具有很强的过流信号识别功能,从而对过流真正起到了保护作用。将改进后的驱动电路应用到臭氧电源后,电源性能得到大幅度提高,满足r高浓度、高产量臭氧发生器的要求。本文对于合理应用EXB841设计IGBT驱动电路,有着较大的参考价值。阅读全文>>

  • 80C196KC-ADMC401接口电路设计及其应用

    摘要:结合80C196KC和ADMC401双CPU接口电路图,详细介绍了系统的设计过程,并对主要部件的基本功能以及需要注意的问题做了分析和说明。最后以静止无功发生器(SVG)装置为例,介绍了双CPU系统的应用。关键词:80C196KCADMC401SVGIGBT-IPM随着微机控制技术的发展和广泛应用以及控制系统复杂性和实时性要求的不断提高,使得很多系统需要用两个甚至更多的控制器,实现被控对象提出的各种要求。尤其是在工业应用领域中,要完成大量的数据采集和处理、控制信号的接收和发送等诸多功能,对系统的运算速度、接口资源、稳定性以及成本方面有着非常高的要求。设计一个实用、合理、经济的高性能控制系统是成功投入现场运行的关键。在SVG(静止无功发生器)装置中涉及到大量的复杂计算(如滤波计算、瞬时无功计算)和先进的控制手段(如矢量控制)以及诸多信号的采集和发送,使得单个CPU很难满足系统要求。因此采用高集成度的嵌入式处理器与DSP芯片组成双CPU系统来实现对整个系统的控制。1系统设计1.1系统的组成及原理双CPU系统的原理图框图如图1所示。系统采用80C196KC和ADMC401两个芯片作为核心处理器。ADI公司的ADMC401芯片是基于DSP的控制器,非常适于工业应用领域中的高性能控制。该芯片集成了一个高速的DSP内核,且其内核具有一套完备的外围控制接口,以便在高度集成的环境中快速实现控制。Intel公司的80C196(KB/KC)是一款高性能且价格低廉的16位单片机,同样适用于高速控制和需要多个外设的场合。两个CPU在运行时独立执行存放在不同器件中的程序,同时保持相互之间的协调工作。考虑到系统本身的复杂性,如果使用传统的RAM、ROM和逻辑译码器件分离的系统接线方式,必定会使得整个控制电路过于庞杂,给调试带来很大困难,同时也降低了系统的稳定性。因此,该系统用到了可编程系统外围接口器件PSD产品中的PSD4235和PSD311。它们分别作为两个CPU的外部扩展器件,并和CPU组成一个双CPU—PSD系统(简称双CPU系统),如图1所示。两个CPU间的相互通信采用了双口RAM(IDT7132),通过它可以顺利实现两个CPU之间的数据传输。键盘管理部分用82C79接口芯片。输出显示部分用以SED1520为驱动芯片的MGLS-12032A液晶模块(LCD)。系统中专门增加了额外的串行E2PROM,主要用于掉电时数据的保护以及记录部分操作参数。此外,组成系统的还有WATCHDOG电路、UART电路等。它们在系统中的资源分配、功能实现都是通过对控制器的软件编程来完成。下面将详细介绍各部分的接口电路设计以及相应的工作原理。1.280C196KC部分设计16位的80C196KC芯片是Intel公司MCS-96系列单片机中重要的新成员,也是目前该系列单片机中性能最强的产品之一,在各类自动控制系统、数据采集系统和高级智能仪器中都有广泛的应用。80C196KC芯片的特点如下:振荡信号频率达16MHz,指令的运算速度更快,16位乘法1.75μs,32位除法3.0μs;8个A/D通道,可以方便地实现被控对象多点电压和电流采样;通过CPU的串行口可实现与上位PC机之间的通信;新增100H~1FFH内部RAM,在垂直窗下具有更灵活的运用;具有三路脉宽调制(PWM)输出;在80C196KB的基础上又增加了5条(KB已经增加了6条),使程序编制更加方便;16位多路复用地址数据/地址线可以与PSD直接接口,同时通过锁存器后,可将地址和数据分别接至双口RAM,实现多个CPU之间的数据传输等。详细的性能参数和特点请参见文献1~2。在双CPU系统中,80C196主要完成的功能有键盘控制、显示输出、数据保存、信号传送等。由于涉及的内容复杂,而且还需要与很多外围接口,所以用到了大容量、多端口的PSD4000系列芯片与它配合,图2所示即为80C196KC部分的电路图。图280C196KC-PSD4235接口电路虽然CPU的数据与地址线可以直接与PSD连接,但是在双口RAM时,数据与地址信号必须分离。所需用到的锁存器在图2中省略了。PSD4235芯片是WSI公司2000年最新推出PSD4000系列产品,它能够适应多种不同的微处理器。其片内集成了4M位的闪速存储器,16个输出微单元、24个输入微单元的CPLD、译码PLD,52个单独可配置I/O端口,JTAG串行接口等,并且有支持掉电模式的低功耗可编程电源管理单元。PSD芯片对外地址分配和各接口的逻辑译码由专用的软件PSDSOFTTMLITE实现,具体情况请参考文献5~6或登陆www.waferscale.com站点查询。使用PSD后极大地简化了硬件电路的设计,减少了印制电路板的面积,提高了系统的稳定性。显示部分通过单片机控制图形液晶模块MGLS-12032实现。该模块有直接访问方式和间接访问方式两种。本系统以间接访问方式为基础。图2所示即为间接访问方式的电路。显示模块的时序通过对80C196编程实现。液晶模块MGLS-12032A是两片SED1520级联在一起,一片处于主工作方式,一片处于从工作方式,它们分别控制显示屏幕的左、右半屏。在编程时要特别注意汉字和字符显示时在边界区域两片SED1520间的切换。系统中外部扩展了串行的E2PROM电路,用来存放系统的一些固定参数等,使用的芯片是Atmel公司的AT24C02。它只需通过80C196KC的高速输入、输出通道(HIS和HSO)产生连续的高低电平序列,便可实现与CPU之间的数据传输。从硬件的角度来看,该芯片不占用任何数据总线,连接简单且节约大量系统资源。1.3ADMC401部分设计ADMC401芯片是一个基于单片DSP的控制器,适合工业应用领域中高性能控制。该芯片集成了一个26MIPS(13MHz晶振)定点内核ADSP-2171,单条指令执行时间为38.5ns,其编码与ADSP-21xxDSP系列完全兼容。内核具有一套完备的外围控制接口,以便在高度集成环境中快速实现对元器件的控制;它还包含三个计算单元、两个数据地址发生器和一个程序定序器。其中计算单元包含一个算术逻辑单元ALU、一个乘法/累加器MAC和一个桶式移位器。内核还增加了位操作、平方、四舍五入和全局中断屏蔽等指令。除此之外,ADMC401芯片包括两个灵活的双缓冲器、双向的同步串行口。图3为ADMC401的功能框图。ADMC401芯片提供2K%26;#215;24位的内部程序存储器RAM、2K%26;#215;24位的内部程序存储器ROM、1K%26;#215;16位的内部数据存储器RAM、1个高性能8通道12位模数转换ADC系统(它能经过4对输入实现双通道同时采样)、1个三相16位中心对称的PWM发生器(能以最小开销产生高精度的PWM信号)、1个灵活的增量编码器接口单元、2个可调频的辅助PWM输出、12条I/O数字信号线、1个双通道事件捕获系统、1个16位看门狗定时器、2个16位内部定时器等。图3单片数字信号处理器ADMC401功能框图PSD3XX芯片内部同样提供了许多应用系统需要的全部元件和外围。对于8051、80196和68HC11等微控制器来说与PSD相配合是极为有用的。ADMC401与它结合同样非常有效。考虑到ADMC401内部程序的长度以及接口并不象80196控制器那么多(80196需要完成人机界面实现、信号传送、外围器件接口等),所以采用PSD311(现有价格最低的3系列产品)。ADMC401芯片的引导程序装载可以通过两个引脚MMAP和BMODE的各种不同状态产生。如果引脚MMAP和BMODE电位都为0,那么ADMC401芯片工作在所谓的EPROM引导程序模式,其中被称为“引导存储器”的专用外部存储空间将允许芯片和字节宽度的EPROM相连,并在上电时通过存储器接口从外部装载程序;如果引脚MMAP和BMODE设置为其它电位将会产生不同的引导模式;另外,401芯片有一个专门的低电平有效信号——引导存储器选择BMS(BootMemorySelect)简化了引导存储器的接口。以上这些功能极大地方便了ADMC401与PSD接口。图4为ADMC401与PSD311的接口电路图(图中还包括了一些其它外围)。ADMC401与PSD311的连接几乎和它与标准的EPROM连接一样简单。由于总线的通路布在ADMC401内部,PSD311的8根数据线并不与ADMC401的D7~D0相连,而是与D15~D8C相连。还要注意,地址的最高位由ADMC401的D22线提供(在ADMC401中没有A14地址线)。BMS信号充当EPROM的片选并与PSD311的A19输入相连接。A19在PSD的程序里将被定义为芯片使能信号。ADMC401生成低有效读和写选通脉冲,它们与PSD311的RD和WR输入相连。这些选通脉冲在传输中用来选通PSD311的EPROM和RAM。ADMC401有2K%26;#215;24位的内部程序存储空间。在采用EPROM引导程序模式时(MMAP=0,BMODE=0),外部程序通过ADMC401内部的定序器按照24位命令格式一次性全部下载到其内部程序存储空间。当然应用程序可能大于ADMC401内部程序存储空间,不过程序如果执行到后面的代码,ADMC401会自动重新引导。引导程序存储器由八页组成,每页8K字节长。一页中除了第一个字节外每隔三个字节是一个空字节,第一个字节是该页的长度,在两个相邻空字节中每组三个字节包含一个要装入DSP内部程序存储器的24位指令。也就是说2K%26;#215;24位的内部程序存储空间需要8K%26;#215;8位的外部存储空间。在ADMC401的开发工具中有一个程序存储器PROM分配器实用程序“SPL21.exe”。它为用户程序计算正确的页长度,并且根据适当的协议为用户程序的字节排序,极大地方便了程序代码的生成。这些生成的代码可以直接写入PSD311。图4ADMC401-PSD311接口电路图280C196KC—ADMC401两片系统在SVG装置中的应用SVG(StaticVarGenerator)——静止无功发生器也被称为STATCOM(StaticSynchronousCompensator),是灵活交流输电系统FACTS(FlexibleACTransmissionSystem)技术中一个重要的基础部件。虽然SVG装置的成本要高一些,但其灵活的动态调节特性、优越的补偿效果以及更小的设备体积都是其他无功补偿装置不能比拟的。很多文献资料对SVG装置的原理和研制都有介绍。图5为两片系统的SVG装置结构图。系统共分为三个主要部分。第一部分是由80C196KC—ADMC401两片系统构成的检测控制部分。80196主要负责人机界面的完成以及向上位机发送信号等功能。ADMC401的高速流水线式的8路A/D采样端口也为电压电流的快速采集提供了保证,同时ADMC401还要完成数字滤波计算、无功计算、PWM控制信号的产生发送等功能。第二部分是由IGBT模块构成的逆变电路。SVG装置的关键部件就是它的逆变桥路部分,而ADMC401集成的专用6路PWM波发生器正好提供了灵活的控制方法。此外,逆变电路部分采用富士电机最新推出的R系列IGBT-IPM模块7MBP100RA-120。它将过去的IGBT单元、驱动电路、保护电路等结合在一个模块中,极大地提高了实际应用系统的稳定性,简化了设计的难度,缩小了装置的体积。第三部分是由电力二极管构成的全波整流电路。整流电路采用日本富士公司的三相全波整流模块6RI100G-160。主要将三相线路上的交流电压变为直流输出,从而维持直流电容两端电压的稳定,为逆变电路提供一个直流电。这样避免了要轻微改变逆变器的触发工作角来达到提高和稳定电容上电压的情况。电流的检测是利用KT100-P型电流传感器完成,电压的检测是利用CHV-50P电压传感器完成。输出显示部分是用以SED1520为驱动芯片的MGLS-12032A液晶模块。以上各部件功能都是通过对ADMC401数字信号处理芯片和80C196KC软件编程实现。图5SVG装置结构图80C196KC和ADMC401组成的两片系统,应用范围相当广泛,非常适合计算量大、多外设、高速度的场合。阅读全文>>

  • 80C196KC-ADMC401接口电路设计及其应用

    摘要:结合80C196KC和ADMC401双CPU接口电路图,详细介绍了系统的设计过程,并对主要部件的基本功能以及需要注意的问题做了分析和说明。最后以静止无功发生器(SVG)装置为例,介绍了双CPU系统的应用。关键词:80C196KCADMC401SVGIGBT-IPM随着微机控制技术的发展和广泛应用以及控制系统复杂性和实时性要求的不断提高,使得很多系统需要用两个甚至更多的控制器,实现被控对象提出的各种要求。尤其是在工业应用领域中,要完成大量的数据采集和处理、控制信号的接收和发送等诸多功能,对系统的运算速度、接口资源、稳定性以及成本方面有着非常高的要求。设计一个实用、合理、经济的高性能控制系统是成功投入现场运行的关键。在SVG(静止无功发生器)装置中涉及到大量的复杂计算(如滤波计算、瞬时无功计算)和先进的控制手段(如矢量控制)以及诸多信号的采集和发送,使得单个CPU很难满足系统要求。因此采用高集成度的嵌入式处理器与DSP芯片组成双CPU系统来实现对整个系统的控制。1系统设计1.1系统的组成及原理双CPU系统的原理图框图如图1所示。系统采用80C196KC和ADMC401两个芯片作为核心处理器。ADI公司的ADMC401芯片是基于DSP的控制器,非常适于工业应用领域中的高性能控制。该芯片集成了一个高速的DSP内核,且其内核具有一套完备的外围控制接口,以便在高度集成的环境中快速实现控制。Intel公司的80C196(KB/KC)是一款高性能且价格低廉的16位单片机,同样适用于高速控制和需要多个外设的场合。两个CPU在运行时独立执行存放在不同器件中的程序,同时保持相互之间的协调工作。考虑到系统本身的复杂性,如果使用传统的RAM、ROM和逻辑译码器件分离的系统接线方式,必定会使得整个控制电路过于庞杂,给调试带来很大困难,同时也降低了系统的稳定性。因此,该系统用到了可编程系统外围接口器件PSD产品中的PSD4235和PSD311。它们分别作为两个CPU的外部扩展器件,并和CPU组成一个双CPU—PSD系统(简称双CPU系统),如图1所示。两个CPU间的相互通信采用了双口RAM(IDT7132),通过它可以顺利实现两个CPU之间的数据传输。键盘管理部分用82C79接口芯片。输出显示部分用以SED1520为驱动芯片的MGLS-12032A液晶模块(LCD)。系统中专门增加了额外的串行E2PROM,主要用于掉电时数据的保护以及记录部分操作参数。此外,组成系统的还有WATCHDOG电路、UART电路等。它们在系统中的资源分配、功能实现都是通过对控制器的软件编程来完成。下面将详细介绍各部分的接口电路设计以及相应的工作原理。1.280C196KC部分设计16位的80C196KC芯片是Intel公司MCS-96系列单片机中重要的新成员,也是目前该系列单片机中性能最强的产品之一,在各类自动控制系统、数据采集系统和高级智能仪器中都有广泛的应用。80C196KC芯片的特点如下:振荡信号频率达16MHz,指令的运算速度更快,16位乘法1.75μs,32位除法3.0μs;8个A/D通道,可以方便地实现被控对象多点电压和电流采样;通过CPU的串行口可实现与上位PC机之间的通信;新增100H~1FFH内部RAM,在垂直窗下具有更灵活的运用;具有三路脉宽调制(PWM)输出;在80C196KB的基础上又增加了5条(KB已经增加了6条),使程序编制更加方便;16位多路复用地址数据/地址线可以与PSD直接接口,同时通过锁存器后,可将地址和数据分别接至双口RAM,实现多个CPU之间的数据传输等。详细的性能参数和特点请参见文献1~2。在双CPU系统中,80C196主要完成的功能有键盘控制、显示输出、数据保存、信号传送等。由于涉及的内容复杂,而且还需要与很多外围接口,所以用到了大容量、多端口的PSD4000系列芯片与它配合,图2所示即为80C196KC部分的电路图。图280C196KC-PSD4235接口电路虽然CPU的数据与地址线可以直接与PSD连接,但是在双口RAM时,数据与地址信号必须分离。所需用到的锁存器在图2中省略了。PSD4235芯片是WSI公司2000年最新推出PSD4000系列产品,它能够适应多种不同的微处理器。其片内集成了4M位的闪速存储器,16个输出微单元、24个输入微单元的CPLD、译码PLD,52个单独可配置I/O端口,JTAG串行接口等,并且有支持掉电模式的低功耗可编程电源管理单元。PSD芯片对外地址分配和各接口的逻辑译码由专用的软件PSDSOFTTMLITE实现,具体情况请参考文献5~6或登陆www.waferscale.com站点查询。使用PSD后极大地简化了硬件电路的设计,减少了印制电路板的面积,提高了系统的稳定性。显示部分通过单片机控制图形液晶模块MGLS-12032实现。该模块有直接访问方式和间接访问方式两种。本系统以间接访问方式为基础。图2所示即为间接访问方式的电路。显示模块的时序通过对80C196编程实现。液晶模块MGLS-12032A是两片SED1520级联在一起,一片处于主工作方式,一片处于从工作方式,它们分别控制显示屏幕的左、右半屏。在编程时要特别注意汉字和字符显示时在边界区域两片SED1520间的切换。系统中外部扩展了串行的E2PROM电路,用来存放系统的一些固定参数等,使用的芯片是Atmel公司的AT24C02。它只需通过80C196KC的高速输入、输出通道(HIS和HSO)产生连续的高低电平序列,便可实现与CPU之间的数据传输。从硬件的角度来看,该芯片不占用任何数据总线,连接简单且节约大量系统资源。1.3ADMC401部分设计ADMC401芯片是一个基于单片DSP的控制器,适合工业应用领域中高性能控制。该芯片集成了一个26MIPS(13MHz晶振)定点内核ADSP-2171,单条指令执行时间为38.5ns,其编码与ADSP-21xxDSP系列完全兼容。内核具有一套完备的外围控制接口,以便在高度集成环境中快速实现对元器件的控制;它还包含三个计算单元、两个数据地址发生器和一个程序定序器。其中计算单元包含一个算术逻辑单元ALU、一个乘法/累加器MAC和一个桶式移位器。内核还增加了位操作、平方、四舍五入和全局中断屏蔽等指令。除此之外,ADMC401芯片包括两个灵活的双缓冲器、双向的同步串行口。图3为ADMC401的功能框图。ADMC401芯片提供2K%26;#215;24位的内部程序存储器RAM、2K%26;#215;24位的内部程序存储器ROM、1K%26;#215;16位的内部数据存储器RAM、1个高性能8通道12位模数转换ADC系统(它能经过4对输入实现双通道同时采样)、1个三相16位中心对称的PWM发生器(能以最小开销产生高精度的PWM信号)、1个灵活的增量编码器接口单元、2个可调频的辅助PWM输出、12条I/O数字信号线、1个双通道事件捕获系统、1个16位看门狗定时器、2个16位内部定时器等。图3单片数字信号处理器ADMC401功能框图PSD3XX芯片内部同样提供了许多应用系统需要的全部元件和外围。对于8051、80196和68HC11等微控制器来说与PSD相配合是极为有用的。ADMC401与它结合同样非常有效。考虑到ADMC401内部程序的长度以及接口并不象80196控制器那么多(80196需要完成人机界面实现、信号传送、外围器件接口等),所以采用PSD311(现有价格最低的3系列产品)。ADMC401芯片的引导程序装载可以通过两个引脚MMAP和BMODE的各种不同状态产生。如果引脚MMAP和BMODE电位都为0,那么ADMC401芯片工作在所谓的EPROM引导程序模式,其中被称为“引导存储器”的专用外部存储空间将允许芯片和字节宽度的EPROM相连,并在上电时通过存储器接口从外部装载程序;如果引脚MMAP和BMODE设置为其它电位将会产生不同的引导模式;另外,401芯片有一个专门的低电平有效信号——引导存储器选择BMS(BootMemorySelect)简化了引导存储器的接口。以上这些功能极大地方便了ADMC401与PSD接口。图4为ADMC401与PSD311的接口电路图(图中还包括了一些其它外围)。ADMC401与PSD311的连接几乎和它与标准的EPROM连接一样简单。由于总线的通路布在ADMC401内部,PSD311的8根数据线并不与ADMC401的D7~D0相连,而是与D15~D8C相连。还要注意,地址的最高位由ADMC401的D22线提供(在ADMC401中没有A14地址线)。BMS信号充当EPROM的片选并与PSD311的A19输入相连接。A19在PSD的程序里将被定义为芯片使能信号。ADMC401生成低有效读和写选通脉冲,它们与PSD311的RD和WR输入相连。这些选通脉冲在传输中用来选通PSD311的EPROM和RAM。ADMC401有2K%26;#215;24位的内部程序存储空间。在采用EPROM引导程序模式时(MMAP=0,BMODE=0),外部程序通过ADMC401内部的定序器按照24位命令格式一次性全部下载到其内部程序存储空间。当然应用程序可能大于ADMC401内部程序存储空间,不过程序如果执行到后面的代码,ADMC401会自动重新引导。引导程序存储器由八页组成,每页8K字节长。一页中除了第一个字节外每隔三个字节是一个空字节,第一个字节是该页的长度,在两个相邻空字节中每组三个字节包含一个要装入DSP内部程序存储器的24位指令。也就是说2K%26;#215;24位的内部程序存储空间需要8K%26;#215;8位的外部存储空间。在ADMC401的开发工具中有一个程序存储器PROM分配器实用程序“SPL21.exe”。它为用户程序计算正确的页长度,并且根据适当的协议为用户程序的字节排序,极大地方便了程序代码的生成。这些生成的代码可以直接写入PSD311。图4ADMC401-PSD311接口电路图280C196KC—ADMC401两片系统在SVG装置中的应用SVG(StaticVarGenerator)——静止无功发生器也被称为STATCOM(StaticSynchronousCompensator),是灵活交流输电系统FACTS(FlexibleACTransmissionSystem)技术中一个重要的基础部件。虽然SVG装置的成本要高一些,但其灵活的动态调节特性、优越的补偿效果以及更小的设备体积都是其他无功补偿装置不能比拟的。很多文献资料对SVG装置的原理和研制都有介绍。图5为两片系统的SVG装置结构图。系统共分为三个主要部分。第一部分是由80C196KC—ADMC401两片系统构成的检测控制部分。80196主要负责人机界面的完成以及向上位机发送信号等功能。ADMC401的高速流水线式的8路A/D采样端口也为电压电流的快速采集提供了保证,同时ADMC401还要完成数字滤波计算、无功计算、PWM控制信号的产生发送等功能。第二部分是由IGBT模块构成的逆变电路。SVG装置的关键部件就是它的逆变桥路部分,而ADMC401集成的专用6路PWM波发生器正好提供了灵活的控制方法。此外,逆变电路部分采用富士电机最新推出的R系列IGBT-IPM模块7MBP100RA-120。它将过去的IGBT单元、驱动电路、保护电路等结合在一个模块中,极大地提高了实际应用系统的稳定性,简化了设计的难度,缩小了装置的体积。第三部分是由电力二极管构成的全波整流电路。整流电路采用日本富士公司的三相全波整流模块6RI100G-160。主要将三相线路上的交流电压变为直流输出,从而维持直流电容两端电压的稳定,为逆变电路提供一个直流电。这样避免了要轻微改变逆变器的触发工作角来达到提高和稳定电容上电压的情况。电流的检测是利用KT100-P型电流传感器完成,电压的检测是利用CHV-50P电压传感器完成。输出显示部分是用以SED1520为驱动芯片的MGLS-12032A液晶模块。以上各部件功能都是通过对ADMC401数字信号处理芯片和80C196KC软件编程实现。图5SVG装置结构图80C196KC和ADMC401组成的两片系统,应用范围相当广泛,非常适合计算量大、多外设、高速度的场合。阅读全文>>

  • 80C196KC-ADMC401双CPU接口电路设计/其应用

    随着微机控制技术的发展和广泛应用以及控制系统复杂性和实时性要求的不断提高,使得很多系统需要用两个甚至更多的控制器,实现被控对象提出的各种要求。尤其是在工业应用领域中,要完成大量的数据采集和处理、控制信号的接收和发送等诸多功能,对系统的运算速度、接口资源、稳定性以及成本方面有着非常高的要求。设计一个实用、合理、经济的高性能控制系统是成功投入现场运行的关键。

    在SVG(静止无功发生器)装置中涉及到大量的复杂计算(如滤波计算、瞬时无功计算)和先进的控制手段(如矢量控制)以及诸多信号的采集和发送,使得单个CPU很难满足系统要求。因此采用高集成度的嵌入式处理器与DSP芯片组成双CPU系统来实现对整个系统的控制。

    1系统设计

    1.1系统的组成及原理

    双CPU系统的原理图框图如图1所示。系统采用80C196KC和ADMC401两个芯片作为核心处理器。ADI公司的ADMC401芯片是基于DSP的控制器,非常适于工业应用领域中的高性能控制。该芯片集成了一个高速的DSP内核,且其内核具有一套完备的外围控制接口,以便在高度集成的环境中快速实现控制。Intel公司的80C19680C196(KB/KC)是一款高性能且价格低廉的16位单片机,同样适用于高速控制和需要多个外设的场合。两个CPU在运行时独立执行存放在不同器件中的程序,同时保持相互之间的协调工作。考虑到系统本身的复杂性,如果使用传统的RAM、ROM和逻辑译码器件分离的系统接线方式,必定会使得整个控制电路过于庞杂,给调试带来很大困难,同时也降低了系统的稳定性。因此,该系统用到了可编程系统外围接口器件PSD产品中的PSD4235和PSD311。它们分别作为两个CPU的外部扩展器件,并和CPU组成一个双CPU-PSD系统(简称双CPU系统),如图1所示。两个CPU间的相互通信采用了双口RAM(IDT7132IDT7132),通过它可以顺利实现两个CPU之间的数据传输。键盘管理部分用82C7982C79接口芯片。输出显示部分用以SED1520SED1520为驱动芯片的MGLS-12032A液晶模块(LCD)。系统中专门增加了额外的串行E2PROM,主要用于掉电时数据的保护以及记录部分操作参数。此外,组成系统的还有WATCHDOG电路、UART电路等。它们在系统中的资源分配、功能实现都是通过对控制器的软件编程来完成。下面将详细介绍各部分的接口电路设计以及相应的工作原理。1.280C196KC部分设计阅读全文>>

  • 80C196KC-ADMC401接口电路设计及其应用

    摘要:结合80C196KC和ADMC401双CPU接口电路图,详细介绍了系统的设计过程,并对主要部件的基本功能以及需要注意的问题做了分析和说明。最后以静止无功发生器(SVG)装置为例,介绍了双CPU系统的应用。关键词:80C196KCADMC401SVGIGBT-IPM随着微机控制技术的发展和广泛应用以及控制系统复杂性和实时性要求的不断提高,使得很多系统需要用两个甚至更多的控制器,实现被控对象提出的各种要求。尤其是在工业应用领域中,要完成大量的数据采集和处理、控制信号的接收和发送等诸多功能,对系统的运算速度、接口资源、稳定性以及成本方面有着非常高的要求。设计一个实用、合理、经济的高性能控制系统是成功投入现场运行的关键。在SVG(静止无功发生器)装置中涉及到大量的复杂计算(如滤波计算、瞬时无功计算)和先进的控制手段(如矢量控制)以及诸多信号的采集和发送,使得单个CPU很难满足系统要求。因此采用高集成度的嵌入式处理器与DSP芯片组成双CPU系统来实现对整个系统的控制。1系统设计1.1系统的组成及原理双CPU系统的原理图框图如图1所示。系统采用80C196KC和ADMC401两个芯片作为核心处理器。ADI公司的ADMC401芯片是基于DSP的控制器,非常适于工业应用领域中的高性能控制。该芯片集成了一个高速的DSP内核,且其内核具有一套完备的外围控制接口,以便在高度集成的环境中快速实现控制。Intel公司的80C196(KB/KC)是一款高性能且价格低廉的16位单片机,同样适用于高速控制和需要多个外设的场合。两个CPU在运行时独立执行存放在不同器件中的程序,同时保持相互之间的协调工作。考虑到系统本身的复杂性,如果使用传统的RAM、ROM和逻辑译码器件分离的系统接线方式,必定会使得整个控制电路过于庞杂,给调试带来很大困难,同时也降低了系统的稳定性。因此,该系统用到了可编程系统外围接口器件PSD产品中的PSD4235和PSD311。它们分别作为两个CPU的外部扩展器件,并和CPU组成一个双CPU—PSD系统(简称双CPU系统),如图1所示。两个CPU间的相互通信采用了双口RAM(IDT7132),通过它可以顺利实现两个CPU之间的数据传输。键盘管理部分用82C79接口芯片。输出显示部分用以SED1520为驱动芯片的MGLS-12032A液晶模块(LCD)。系统中专门增加了额外的串行E2PROM,主要用于掉电时数据的保护以及记录部分操作参数。此外,组成系统的还有WATCHDOG电路、UART电路等。它们在系统中的资源分配、功能实现都是通过对控制器的软件编程来完成。下面将详细介绍各部分的接口电路设计以及相应的工作原理。1.280C196KC部分设计16位的80C196KC芯片是Intel公司MCS-96系列单片机中重要的新成员,也是目前该系列单片机中性能最强的产品之一,在各类自动控制系统、数据采集系统和高级智能仪器中都有广泛的应用。80C196KC芯片的特点如下:振荡信号频率达16MHz,指令的运算速度更快,16位乘法1.75μs,32位除法3.0μs;8个A/D通道,可以方便地实现被控对象多点电压和电流采样;通过CPU的串行口可实现与上位PC机之间的通信;新增100H~1FFH内部RAM,在垂直窗下具有更灵活的运用;具有三路脉宽调制(PWM)输出;在80C196KB的基础上又增加了5条(KB已经增加了6条),使程序编制更加方便;16位多路复用地址数据/地址线可以与PSD直接接口,同时通过锁存器后,可将地址和数据分别接至双口RAM,实现多个CPU之间的数据传输等。详细的性能参数和特点请参见文献1~2。在双CPU系统中,80C196主要完成的功能有键盘控制、显示输出、数据保存、信号传送等。由于涉及的内容复杂,而且还需要与很多外围接口,所以用到了大容量、多端口的PSD4000系列芯片与它配合,图2所示即为80C196KC部分的电路图。图280C196KC-PSD4235接口电路虽然CPU的数据与地址线可以直接与PSD连接,但是在双口RAM时,数据与地址信号必须分离。所需用到的锁存器在图2中省略了。PSD4235芯片是WSI公司2000年最新推出PSD4000系列产品,它能够适应多种不同的微处理器。其片内集成了4M位的闪速存储器,16个输出微单元、24个输入微单元的CPLD、译码PLD,52个单独可配置I/O端口,JTAG串行接口等,并且有支持掉电模式的低功耗可编程电源管理单元。PSD芯片对外地址分配和各接口的逻辑译码由专用的软件PSDSOFTTMLITE实现,具体情况请参考文献5~6或登陆www.waferscale.com站点查询。使用PSD后极大地简化了硬件电路的设计,减少了印制电路板的面积,提高了系统的稳定性。显示部分通过单片机控制图形液晶模块MGLS-12032实现。该模块有直接访问方式和间接访问方式两种。本系统以间接访问方式为基础。图2所示即为间接访问方式的电路。显示模块的时序通过对80C196编程实现。液晶模块MGLS-12032A是两片SED1520级联在一起,一片处于主工作方式,一片处于从工作方式,它们分别控制显示屏幕的左、右半屏。在编程时要特别注意汉字和字符显示时在边界区域两片SED1520间的切换。系统中外部扩展了串行的E2PROM电路,用来存放系统的一些固定参数等,使用的芯片是Atmel公司的AT24C02。它只需通过80C196KC的高速输入、输出通道(HIS和HSO)产生连续的高低电平序列,便可实现与CPU之间的数据传输。从硬件的角度来看,该芯片不占用任何数据总线,连接简单且节约大量系统资源。1.3ADMC401部分设计ADMC401芯片是一个基于单片DSP的控制器,适合工业应用领域中高性能控制。该芯片集成了一个26MIPS(13MHz晶振)定点内核ADSP-2171,单条指令执行时间为38.5ns,其编码与ADSP-21xxDSP系列完全兼容。内核具有一套完备的外围控制接口,以便在高度集成环境中快速实现对元器件的控制;它还包含三个计算单元、两个数据地址发生器和一个程序定序器。其中计算单元包含一个算术逻辑单元ALU、一个乘法/累加器MAC和一个桶式移位器。内核还增加了位操作、平方、四舍五入和全局中断屏蔽等指令。除此之外,ADMC401芯片包括两个灵活的双缓冲器、双向的同步串行口。图3为ADMC401的功能框图。ADMC401芯片提供2K%26;#215;24位的内部程序存储器RAM、2K%26;#215;24位的内部程序存储器ROM、1K%26;#215;16位的内部数据存储器RAM、1个高性能8通道12位模数转换ADC系统(它能经过4对输入实现双通道同时采样)、1个三相16位中心对称的PWM发生器(能以最小开销产生高精度的PWM信号)、1个灵活的增量编码器接口单元、2个可调频的辅助PWM输出、12条I/O数字信号线、1个双通道事件捕获系统、1个16位看门狗定时器、2个16位内部定时器等。图3单片数字信号处理器ADMC401功能框图PSD3XX芯片内部同样提供了许多应用系统需要的全部元件和外围。对于8051、80196和68HC11等微控制器来说与PSD相配合是极为有用的。ADMC401与它结合同样非常有效。考虑到ADMC401内部程序的长度以及接口并不象80196控制器那么多(80196需要完成人机界面实现、信号传送、外围器件接口等),所以采用PSD311(现有价格最低的3系列产品)。ADMC401芯片的引导程序装载可以通过两个引脚MMAP和BMODE的各种不同状态产生。如果引脚MMAP和BMODE电位都为0,那么ADMC401芯片工作在所谓的EPROM引导程序模式,其中被称为“引导存储器”的专用外部存储空间将允许芯片和字节宽度的EPROM相连,并在上电时通过存储器接口从外部装载程序;如果引脚MMAP和BMODE设置为其它电位将会产生不同的引导模式;另外,401芯片有一个专门的低电平有效信号——引导存储器选择BMS(BootMemorySelect)简化了引导存储器的接口。以上这些功能极大地方便了ADMC401与PSD接口。图4为ADMC401与PSD311的接口电路图(图中还包括了一些其它外围)。ADMC401与PSD311的连接几乎和它与标准的EPROM连接一样简单。由于总线的通路布在ADMC401内部,PSD311的8根数据线并不与ADMC401的D7~D0相连,而是与D15~D8C相连。还要注意,地址的最高位由ADMC401的D22线提供(在ADMC401中没有A14地址线)。BMS信号充当EPROM的片选并与PSD311的A19输入相连接。A19在PSD的程序里将被定义为芯片使能信号。ADMC401生成低有效读和写选通脉冲,它们与PSD311的RD和WR输入相连。这些选通脉冲在传输中用来选通PSD311的EPROM和RAM。ADMC401有2K%26;#215;24位的内部程序存储空间。在采用EPROM引导程序模式时(MMAP=0,BMODE=0),外部程序通过ADMC401内部的定序器按照24位命令格式一次性全部下载到其内部程序存储空间。当然应用程序可能大于ADMC401内部程序存储空间,不过程序如果执行到后面的代码,ADMC401会自动重新引导。引导程序存储器由八页组成,每页8K字节长。一页中除了第一个字节外每隔三个字节是一个空字节,第一个字节是该页的长度,在两个相邻空字节中每组三个字节包含一个要装入DSP内部程序存储器的24位指令。也就是说2K%26;#215;24位的内部程序存储空间需要8K%26;#215;8位的外部存储空间。在ADMC401的开发工具中有一个程序存储器PROM分配器实用程序“SPL21.exe”。它为用户程序计算正确的页长度,并且根据适当的协议为用户程序的字节排序,极大地方便了程序代码的生成。这些生成的代码可以直接写入PSD311。图4ADMC401-PSD311接口电路图280C196KC—ADMC401两片系统在SVG装置中的应用SVG(StaticVarGenerator)——静止无功发生器也被称为STATCOM(StaticSynchronousCompensator),是灵活交流输电系统FACTS(FlexibleACTransmissionSystem)技术中一个重要的基础部件。虽然SVG装置的成本要高一些,但其灵活的动态调节特性、优越的补偿效果以及更小的设备体积都是其他无功补偿装置不能比拟的。很多文献资料对SVG装置的原理和研制都有介绍。图5为两片系统的SVG装置结构图。系统共分为三个主要部分。第一部分是由80C196KC—ADMC401两片系统构成的检测控制部分。80196主要负责人机界面的完成以及向上位机发送信号等功能。ADMC401的高速流水线式的8路A/D采样端口也为电压电流的快速采集提供了保证,同时ADMC401还要完成数字滤波计算、无功计算、PWM控制信号的产生发送等功能。第二部分是由IGBT模块构成的逆变电路。SVG装置的关键部件就是它的逆变桥路部分,而ADMC401集成的专用6路PWM波发生器正好提供了灵活的控制方法。此外,逆变电路部分采用富士电机最新推出的R系列IGBT-IPM模块7MBP100RA-120。它将过去的IGBT单元、驱动电路、保护电路等结合在一个模块中,极大地提高了实际应用系统的稳定性,简化了设计的难度,缩小了装置的体积。第三部分是由电力二极管构成的全波整流电路。整流电路采用日本富士公司的三相全波整流模块6RI100G-160。主要将三相线路上的交流电压变为直流输出,从而维持直流电容两端电压的稳定,为逆变电路提供一个直流电。这样避免了要轻微改变逆变器的触发工作角来达到提高和稳定电容上电压的情况。电流的检测是利用KT100-P型电流传感器完成,电压的检测是利用CHV-50P电压传感器完成。输出显示部分是用以SED1520为驱动芯片的MGLS-12032A液晶模块。以上各部件功能都是通过对ADMC401数字信号处理芯片和80C196KC软件编程实现。图5SVG装置结构图80C196KC和ADMC401组成的两片系统,应用范围相当广泛,非常适合计算量大、多外设、高速度的场合。阅读全文>>

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