隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定可靠的新型多功能器件和一些先進(jìn)的控制理論不斷出現(xiàn)，使得控制領(lǐng)域發(fā)生了很大的變化。但目前我國(guó)相當(dāng)一部分高職院校的實(shí)訓(xùn)設(shè)施落后，這在某種程度上限制了對(duì)新型技術(shù)人才的培養(yǎng)和新技術(shù)的發(fā)展。如當(dāng)前直流調(diào)速裝置已發(fā)展到一個(gè)全數(shù)字化的高技術(shù)水平階段，控制策略已相當(dāng)成熟，新產(chǎn)品很多，但模擬直流調(diào)速系統(tǒng)仍是實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)直流調(diào)速方面的主流設(shè)備。為此筆者對(duì)其進(jìn)行了CPLD + CAN總線改造，采用CPLD 進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)移相編碼和電機(jī)功率輸出， CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，使各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立工作又集中管理，實(shí)現(xiàn)集散控制。節(jié)點(diǎn)電機(jī)調(diào)速方案中，微控制器選用8位高性能微轉(zhuǎn)換器ADμC812，邏輯與伺服控制采用全數(shù)字化方式，晶閘管主電路觸發(fā)器選用ALTERA公司的 EPM7256S CPLD來完成。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)組成如圖1 所示，系統(tǒng)的控制臺(tái)由PC機(jī)和CAN總線適配卡等組成；CAN節(jié)點(diǎn)主要由單片機(jī)、CAN控制器和CAN收發(fā)器" title="收發(fā)器">收發(fā)器組成。

　　本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的直流調(diào)速控制系統(tǒng)是全數(shù)字化的。從圖1可以看出，單片機(jī)無需過問觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生,從而節(jié)省了單片機(jī)的資源。單片機(jī)運(yùn)算獲得移相角α后，待一個(gè)電周期上升沿中斷到來，只需將α角以數(shù)字量的形式通過數(shù)據(jù)總線傳送至CPLD，六路觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生由CPLD來完成。而電周期上升沿中斷由CPLD實(shí)現(xiàn)。盡管與“單片機(jī)＋模擬式專用移相觸發(fā)電路”模式相類似，但與其根本區(qū)別是：CPLD實(shí)現(xiàn)的移相觸發(fā)電路是全數(shù)字化的，且可編程，可復(fù)用。
1.1 信號(hào)采集電路
　　系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)需要采樣的信號(hào)有轉(zhuǎn)速、電流和電壓。電流、電壓信號(hào)使用接至晶閘管整流電路交流側(cè)的電量隔離變送器測(cè)量；轉(zhuǎn)速通過與被測(cè)電機(jī)軸連接的光電脈沖發(fā)生器測(cè)量，再由轉(zhuǎn)速變送器轉(zhuǎn)化。變送器輸出的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)1~5V，經(jīng)調(diào)理電路變?yōu)?～2.5V的模擬電壓信號(hào)，送至ADμC812的ADC采集子系統(tǒng)部分。
1.2 CPLD接口電路" title="接口電路">接口電路與晶閘管移相觸發(fā)IP核
　　復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)，具有體積小、集成度高、速度快、成本低、設(shè)計(jì)方便、可反復(fù)編程及現(xiàn)場(chǎng)模擬調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，在自控領(lǐng)域應(yīng)用很廣?，F(xiàn)今，SoC(System on a Chip)發(fā)展迅速，隨之而來的是芯片功能越來越強(qiáng)，規(guī)模越來越大，導(dǎo)致開發(fā)周期增長(zhǎng)，成本變高。這樣基于面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)模式的IP核(Intellectual Property Core)復(fù)用技術(shù)便隨之產(chǎn)生，它已成為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師普遍采用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法之一，具有通用性、正確性和可移植性。因此在晶閘管移相觸發(fā)中，筆者設(shè)計(jì)了移相觸發(fā)IP核。
　　CPLD功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)邏輯電路非常容易，所以將系統(tǒng)的其他邏輯門電路在CPLD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。由于數(shù)據(jù)總線復(fù)用，所以采用138譯碼進(jìn)行片選。74LS138的A、B、C分別接至P25、P26、P27，其輸出分別對(duì)CAN控制器、鍵盤接口擴(kuò)展芯片74LS245、1602液晶、CPLD數(shù)據(jù)口進(jìn)行片選，對(duì)應(yīng)的地址為0000H，2000H，4000H，6000H。1602液晶有3個(gè)控制端，分別為4口RS、5口R/W、6口片選端使能。1602LCD接口電路如圖3，P20接至RS，P21接至R/W，對(duì)應(yīng)的地址為：寫命令4000H，寫數(shù)據(jù)4100H，讀狀態(tài)4200H。

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1.3 CAN接口電路
　　本系統(tǒng)的上位機(jī)采用一臺(tái)PC機(jī)，給機(jī)內(nèi)插上CAN總線適配卡，配以相應(yīng)軟件作為系統(tǒng)的控制臺(tái)。控制臺(tái)以CAN通信協(xié)議向各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制數(shù)據(jù)，并接收各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)回的檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)控。
　　為了實(shí)現(xiàn)各調(diào)速系統(tǒng)與控制網(wǎng)絡(luò)的連接，設(shè)計(jì)了CAN總線接口。CAN通信控制器采用Philips公司的SJA1000，它是一款獨(dú)立的控制器，用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)，是PCA82C200 CAN控制器的替代產(chǎn)品，增加了一種新的工作模式(PeliCAN),這種模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議。CAN收發(fā)器采用高速收發(fā)器TJA1050。TJA1050可以為總線提供差動(dòng)發(fā)送功能，為CAN控制器提供差動(dòng)接收功能， 是PCA82C250和PCA82C251高速CAN收發(fā)器的后繼產(chǎn)品，主要區(qū)別在于：①輸出信號(hào)CANH和CANL的最佳匹配，使電磁輻射更低；②節(jié)點(diǎn)未供電時(shí)，性能有所改進(jìn)；③無待機(jī)模式，這使得TJA1050特別適合于在部分供電網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)掉電的情況下使用。
　　為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力和安全性，可在CAN通信控制器SJA1000和收發(fā)器TJA1050之間加接光電隔離芯片6N137等；在收發(fā)器TJA1050與CAN總線之間串入2個(gè)5~10Ω的小直流電阻R19、R20，起到一定的限流抗沖擊作用，并聯(lián)電容C3、C4起到濾除總線上的高頻干擾及一定的防電磁輻射作用。另外由于通信信號(hào)傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，干擾正常信號(hào)的傳輸，因此總線兩端可接終端電阻以消除反射信號(hào)，電阻阻值應(yīng)當(dāng)與傳輸電纜的特性阻抗大致相當(dāng)。

　　接口電路如圖4所示，SJA1000 的AD0～AD7連接到ADμC812的P00～P07口,CS 連接到74LS138的對(duì)應(yīng)引腳上。SJA1000 的RD、WR、ALE分別與ADμC812的對(duì)應(yīng)引腳相連，INT接ADμC812的中斷0。SJA1000的TX0、RX0和收發(fā)器TJA1050連接。TJA1050的CANH、CANL通過5Ω電阻后與CAN總線連接。
1.4 ADμC812和在線編程接口
　　ADμC812是集成12位ADC的8052單片機(jī)。片內(nèi)有8KB程序存儲(chǔ)器、640B非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和256B的片內(nèi)數(shù)據(jù)靜態(tài)存儲(chǔ)器。另外包括看門狗定時(shí)器、電源監(jiān)視器、溫度監(jiān)測(cè)和DAC功能，為多處理器連接和I/O" title="I/O">I/O 擴(kuò)展提供了32 條可編程的I/O 線、I²C兼容的SPI 和標(biāo)準(zhǔn)UART串行口I/O等。不僅如此，ADμC812具有在線下載(ISP)的功能，因而不需要任何硬件仿真器就可以對(duì)ADμC812進(jìn)行開發(fā)。這也是選擇ADμC812作為控制核心的原因之一。
　　ADμC812具有在線編程的功能。通過標(biāo)準(zhǔn)的UART串行接口便可以實(shí)現(xiàn)用戶代碼的下載。但必須將PSEN引腳通過外部電阻拉至低電平，此時(shí)，上電復(fù)位或手動(dòng)復(fù)位后，ADμC812就可以進(jìn)入編程模式，用戶可以使用AD公司的WSD.exe軟件進(jìn)行用戶代碼的下載。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)的軟件包括單片機(jī)程序和CPLD程序兩部分。單片機(jī)程序包括初始化、數(shù)字濾波、PID運(yùn)算、LCD顯示、CAN發(fā)送等子程序。定時(shí)器中斷包括系統(tǒng)1ms定時(shí)中斷、轉(zhuǎn)速測(cè)量中斷，外中斷包括CPLD取α角中斷、CAN接收中斷。

　　主程序流程如圖5所示，初始化包括單片機(jī)寄存器、LCD、SJA1000、CPLD的初始化。進(jìn)入監(jiān)控程序后，首先進(jìn)行采樣信號(hào)滑動(dòng)平均值濾波計(jì)算，將結(jié)果送至PID運(yùn)算，獲得的α角送至緩沖區(qū)，等待CPLD取α角中斷，然后將電機(jī)運(yùn)行參數(shù)顯示，并通過CAN總線向上位機(jī)發(fā)送。
　　CAN控制器SJA1000通過單片機(jī)外部中斷" title="外部中斷">外部中斷0獲得單片機(jī)的實(shí)時(shí)訪問。SJA1000的數(shù)據(jù)溢出中斷、錯(cuò)誤中斷、接收中斷都將引發(fā)單片機(jī)的外部中斷。在單片機(jī)的外部中斷子程序中首先讀出SJA1000的中斷寄存器IR以判斷是哪種中斷，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的程序，流程圖如圖6。

　　同步信號(hào)到來時(shí)，CPLD移相觸發(fā)器中斷單片機(jī)，單片機(jī)將緩沖區(qū)中的α角通過數(shù)據(jù)總線送至CPLD移相觸發(fā)器。
　　定時(shí)器T2設(shè)定1ms作為系統(tǒng)定時(shí)。鍵盤以定時(shí)查詢方式進(jìn)行掃描，每個(gè)系統(tǒng)定時(shí)周期掃描一次鍵盤，如20次掃描結(jié)果相同則保存鍵值，有效地防止了鍵盤抖動(dòng)。鍵盤釋義程序完成查詢電機(jī)參數(shù)，修改PID參數(shù)等工作。每?jī)蓚€(gè)系統(tǒng)定時(shí)周期啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，采樣周期2ms，在AD轉(zhuǎn)換完成中斷子程序過程中進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)保存，供數(shù)字濾波程序使用。轉(zhuǎn)速脈沖測(cè)量將系統(tǒng)定時(shí)器T2和計(jì)數(shù)器T0結(jié)合使用，并在定時(shí)時(shí)間滿后計(jì)算轉(zhuǎn)速。定時(shí)器T1用作串口波特率發(fā)生器。
　　CPLD程序使用原理圖的方法輸入，在Quartus II 中編譯。首先設(shè)計(jì)了移相觸發(fā)IP核。通過分析三相全控整流電路得知，每個(gè)周期內(nèi)，出現(xiàn)6次換流，同步點(diǎn)距第一組雙脈沖發(fā)出點(diǎn)為α電角度，后5次換流間隔60°，雙窄脈沖寬度15°。設(shè)計(jì)兩個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)α角，計(jì)數(shù)器2比較產(chǎn)生脈沖，如圖7所示。