一種基于單片機(jī)的燈光調(diào)光控制系統(tǒng)開發(fā)

1 引言
調(diào)光器是機(jī)場(chǎng)助航燈光系統(tǒng)的核心控制設(shè)備。目前,國(guó)內(nèi)外使用的調(diào)光器主要采用可控硅斬波技術(shù),這種調(diào)光器存在波形畸變大、電網(wǎng)要求高、對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重、效率低、負(fù)載適應(yīng)能力差等缺點(diǎn)。針對(duì)以往系統(tǒng)存在的不足,提出了正弦波調(diào)光器,它采用逆變技術(shù),輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓,它的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)、對(duì)電網(wǎng)要求低、污染輕、效率高、輸出波形好等。正弦波調(diào)光器采用逆變技術(shù),輸出幅度可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓,通過(guò)控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光回路的高精度恒流控制?！罢也ㄕ{(diào)光器”將極大地提高調(diào)光器的技術(shù)水平,改善調(diào)光器的性能,增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
機(jī)場(chǎng)燈光調(diào)光器控制系統(tǒng)由電壓傳感器、電流傳感器、人機(jī)接口、存儲(chǔ)器接口、主回路等部分組成,示意框圖如圖1所示。
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圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖
系統(tǒng)以Intel 16位單片機(jī)為控制核心,利用電壓、電流傳感器采集變壓器二次側(cè)電壓和回路電流值。由于采集的信號(hào)為交流信號(hào)不能直接進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換電路得到它們的有效值直流信號(hào),再經(jīng)低通濾波、信號(hào)放大后送入單片機(jī)內(nèi)部10位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,A/D轉(zhuǎn)換后的值經(jīng)過(guò)軟件濾波后,電壓值輸出顯示,電流值與光級(jí)設(shè)定值一同進(jìn)入控制算法,算法的輸出量參與到PWM信號(hào)產(chǎn)生機(jī)制中,最終調(diào)整輸出等效正弦脈寬調(diào)制信號(hào)(SPWM)。
2.2 硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)
1、主回路設(shè)計(jì)。主回路由整流電路、逆變電路、濾波電路等組成,其框圖如圖2所示。

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圖2 調(diào)光器主回路框圖
主回路中三相交流電壓經(jīng)全橋整流、濾波后得到直流電壓,將此電壓連接到IGBT(IPM)模塊兩端。單片機(jī)輸出的等效正弦脈寬調(diào)制信號(hào)(SPWM)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制兩塊IGBT(IPM)對(duì)加在其兩端的直流電壓進(jìn)行逆變,輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)LC濾波電路后得到幅值可調(diào)的正弦電壓。逆變后的電壓經(jīng)過(guò)升壓變壓器直接送入燈泡回路,從而改變回路的電流值,最終達(dá)到設(shè)定值。通過(guò)按鍵可以任意切換光級(jí),當(dāng)光級(jí)改變時(shí)由程序算法控制使電流、電壓快速達(dá)到穩(wěn)定值,完成光級(jí)的切換。同時(shí),通過(guò)控制板上的數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示出變壓器二次側(cè)電壓值和回路電流值,使系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)一目了然。系統(tǒng)工作時(shí),可能由于某些情況產(chǎn)生了過(guò)壓、過(guò)流等情況,導(dǎo)致IPM產(chǎn)生報(bào)警信號(hào),單片機(jī)采用中斷方式采集報(bào)警信號(hào)。
2、控制回路設(shè)計(jì)。核心控制模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)中最重要的一部分,它完成控制的全過(guò)程。核心控制器選用的是Intel 16位單片機(jī)80C196MC,  80C196MC由一個(gè)C196核心,一個(gè)三相波形發(fā)生器WFG和若干個(gè)其它片內(nèi)外設(shè)構(gòu)成,其它外設(shè)裝置包括一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器、一個(gè)事件處理陣列(EPA)、兩個(gè)定時(shí)器和一個(gè)脈寬調(diào)制單元PWM。由于80C196MC內(nèi)部的資源有限,需外擴(kuò)EPROM、RAM,對(duì)于16位機(jī)實(shí)現(xiàn)外擴(kuò)EPROM、RAM硬件連接起來(lái)比較麻煩,所以硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用了可編程外圍芯片PSD。通過(guò)編程決定它內(nèi)部RAM、EPROM的大小。可編程外圍芯片的運(yùn)用簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是PSD302/301。

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圖3 二階低通濾波器                       圖4 同相放大器
3、數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊主要的功能是采集二次側(cè)電壓和回路電流,利用電流、電壓互感器采集信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊中。由于采集的信號(hào)為交流信號(hào)不能直接進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,必須經(jīng)過(guò)有效值轉(zhuǎn)換電路得到它們的有效值直流信號(hào),系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了AD536芯片完成這一功能。此外,信號(hào)中必然含有許多干擾信號(hào),它們將直接影響測(cè)量精度,所以電路設(shè)計(jì)中加入了濾波電路,消除干擾信號(hào)。轉(zhuǎn)換、濾波后的信號(hào)電壓值偏小,不利于數(shù)模轉(zhuǎn)換,所以電路中又加入了模擬信號(hào)的放大部分。
濾波部分采用的是有源濾波器中的無(wú)限增益多環(huán)反饋型濾波器即二階低通濾波器。有源濾波器由電阻、電容和運(yùn)算放大器組成。其中運(yùn)算放大器采用的是LM324。二階低通濾波器的示意圖如圖3所示。系統(tǒng)中采用的是增益可調(diào)反相放大器,經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)可得到所需范圍的電壓信號(hào)。如圖4所示。
    4、人機(jī)接口模塊。人機(jī)接口模塊主要完成按鍵和顯示功能。通過(guò)按鍵可以設(shè)定光級(jí),用戶可在5級(jí)光中任意選擇。同時(shí),系統(tǒng)將顯示主回路變壓器二次側(cè)的電流、電壓值。
該模塊的功能主要是由芯片8279完成的。Intel 8279是一種通用可編程鍵盤、顯示器接口芯片,它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。鍵盤部分提供一種掃描工作方式,可與64個(gè)按鍵的矩陣鍵盤連接,能對(duì)鍵盤不斷掃描,自動(dòng)消抖,自動(dòng)識(shí)別出按下的鍵并給出編碼,能對(duì)雙鍵和n鍵同時(shí)按下實(shí)施保護(hù)。顯示部分為發(fā)光二級(jí)管、熒光管及其它顯示器提供了按掃描方式工作的顯示接口,它為顯示器提供多路復(fù)用信號(hào),可顯示16位的數(shù)字或字符。
5、驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)IPM的。該設(shè)計(jì)完成對(duì)IPM門極的驅(qū)動(dòng),以及對(duì)它的一些保護(hù)、去干擾措施。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)程序流程及抗干擾設(shè)計(jì)
 
圖5 程序流程圖
控制系統(tǒng)的軟件采用中斷處理和查詢并用的方式。主程序完成循環(huán)查詢按鍵、報(bào)警信號(hào)、A/D狀態(tài);中斷處理程序分為三部分。首先,由于傳感器采回來(lái)的信號(hào)有很多干擾信號(hào)存在,所以在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)利用A/D多次采樣值取平均值的方法消除干擾,第一部分的中斷程序用來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能。其次,根據(jù)SPWM信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)制,第二部分中斷程序完成必要的計(jì)算以產(chǎn)生所需值,再次,第三部分的中斷程序能對(duì)來(lái)自IPM模塊的報(bào)警信號(hào)做出響應(yīng),并
采取相應(yīng)控制措施。程序的流程如圖5所示。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)生PWM波形以正弦波為載波頻率構(gòu)成SPWM信號(hào)。系統(tǒng)采用C196進(jìn)行編程,相對(duì)于匯編語(yǔ)言來(lái)說(shuō)利用高級(jí)C語(yǔ)言使得編程簡(jiǎn)便、直觀,調(diào)試也比較方便,提高了工作效率。編程過(guò)程中,首先要對(duì)一些參數(shù)初始化,以啟動(dòng)波形發(fā)生器。
竄入測(cè)控系統(tǒng)中的干擾,其頻譜往往很寬,且有隨機(jī)性,采用硬件抗干預(yù)措施,只能抑制某個(gè)頻段的干擾,仍有一些干擾會(huì)侵入系統(tǒng)。需要采取軟件抗干擾措施。軟件抗干擾技術(shù)是當(dāng)系統(tǒng)受干擾后使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行或輸入信號(hào)受干擾后去偽求真的一種輔助方法。由于軟件設(shè)計(jì)靈活,節(jié)省硬件資源,所以軟件抗干擾技術(shù)越來(lái)越引起人們的重視。疊加在系統(tǒng)被測(cè)模擬輸入信號(hào)上的噪聲干擾,導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。但由于這些噪聲的隨機(jī)性,可以通過(guò)軟件濾波(即數(shù)字濾波技術(shù))剔除虛假信號(hào),求其真值。系統(tǒng)采用了防脈沖干擾平均值濾波法、一階滯后濾波法作為軟件抗干擾措施。
3.2 系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用的是增量式分段PID控制器,分段式是指PID控制器在不同的區(qū)間采用不同的參數(shù)。增量式PID數(shù)字控制器差分方程為:
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式中,kp, kd, ki,分別是比例、微分、積分參數(shù),e (k)為時(shí)刻k的偏差,e (k-1)和e (k-2)分別是k-1及k-2時(shí)刻的偏差。u (k)為時(shí)刻k的輸出值,u (k-1)為k-1時(shí)刻的輸出值。kp, kd, ki經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試整定為kp=2.5~4.5, kd=0~40, ki=0~0.05。根據(jù)設(shè)計(jì),系統(tǒng)采用的是分段式PID,即e (k)較大時(shí),kp, kd兩個(gè)參數(shù)起作用,當(dāng)e (k)小到一定范圍內(nèi)時(shí)kp, kd, ki三個(gè)參數(shù)共同作用。這就使得系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定的達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)在控制算法后加上一個(gè)輸出緩沖環(huán)節(jié),通過(guò)它來(lái)調(diào)節(jié)輸出的步長(zhǎng),一方面可以控制變化速度,另一方面通過(guò)輸出的緩沖影響了 PID使系統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)定。程序?qū)崿F(xiàn)中利用ram_k_step變量控制輸出的步長(zhǎng),根據(jù)情況加減ram_k_step值。mark_wg是輸出環(huán)節(jié)狀態(tài)標(biāo)志。
4 系統(tǒng)通訊功能設(shè)計(jì)
現(xiàn)代的控制系統(tǒng)不僅僅是單機(jī)系統(tǒng),往往還增加了網(wǎng)絡(luò)功能以便信息的集中管理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的是控制局域網(wǎng)絡(luò)CAN,利用該網(wǎng)絡(luò)可把現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)及時(shí)送到上位機(jī),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控、管理,同時(shí)上位機(jī)也通過(guò)總線系統(tǒng)發(fā)出指令。
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圖5 CAN總線框圖
CAN總線主要由CAN控制器和CAN總線收發(fā)接口電路組成。CAN控制器主要由CAN總線協(xié)議部分和與微控制器接口部分電路組成。CAN總線收發(fā)接口是CAN控制器與物理總線之間的接口。CAN總線的框圖如圖6所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)CAN控制器選用的是SJA1000 (Philips公司生產(chǎn)),CAN總線收發(fā)接口采用的是82C250。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使CAN系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冗余的工作模式即采用了兩個(gè)CAN控制器,形成兩路CAN總線。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可保證至少有一路CAN總線工作,以保證系統(tǒng)的可靠性。CAN總線軟件部分設(shè)計(jì)主要是采用中斷處理方式,每當(dāng)檢測(cè)到CAN控制器產(chǎn)生中斷,主控制器立即讀取CAN控制器內(nèi)部中斷寄存器,判斷是何種中斷并作相應(yīng)的處理。采用這種處理方式使編程比較簡(jiǎn)單.,有利于程序的規(guī)劃。采用高級(jí)語(yǔ)言C進(jìn)行編程使程序非常直觀,有利于系統(tǒng)的調(diào)試,加快了開發(fā)周期,提高了工作效率。
CAN總線軟件設(shè)計(jì)采用中斷處理方式,通過(guò)CAN控制芯片內(nèi)部中斷寄存器判斷是何中斷,并進(jìn)入相應(yīng)的處理程序。要使CAN控制芯片工作首先必須對(duì)它初始化。
5 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)
本文研究的對(duì)象是機(jī)場(chǎng)燈光調(diào)光器控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)出一種新型機(jī)場(chǎng)燈光調(diào)光器控制系統(tǒng)。它具有負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)、對(duì)電網(wǎng)要求低、污染輕、效率高、輸出波形好等優(yōu)點(diǎn)。采用先進(jìn)的智能功率模塊(IPM)取代以往的可控硅作為功率變換器件。本文研制的調(diào)光器采用逆變技術(shù),輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓,通過(guò)控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光回路的高精度恒流控制。最后,調(diào)光器加入了通訊接口的設(shè)計(jì),使系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)功能,以便信息的集中管理。現(xiàn)場(chǎng)總線CAN的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)傳輸,一種冗余的CAN系統(tǒng)進(jìn)一步保證了傳輸?shù)目煽啃浴?br />