基于C8051FF330D單片機的程控恒流源設(shè)計

     摘要： 給出了用C8051FF330D的內(nèi)部電流型D/A轉(zhuǎn)換器和電流/電壓轉(zhuǎn)換電路來輸出0～4V的模擬信號量， 用于控制恒流源輸出電流， 并使其按設(shè)定的值進行變化， 從而完成可編程恒流源控制器的設(shè)計方法。利用該方法設(shè)計的程控恒流源具有電流紋波小、控制精度高和運行穩(wěn)定等特點。

　　0 引言

　　在飛速發(fā)展的電子和電信技術(shù)系統(tǒng)中， 電源的優(yōu)劣在一定程度上決定著電信設(shè)備的性能和壽命。因此， 人們對程控恒流器件的需求也日益迫切。雖然目前市場上的數(shù)控恒壓技術(shù)已經(jīng)比較成熟， 數(shù)控電壓源產(chǎn)品也已朝著智能化和小型化的趨勢發(fā)展， 且價格也越來越便宜。但是， 在恒流源方面， 尤其是數(shù)字控制的恒流技術(shù)則由于起步較晚， 高性能的數(shù)控恒流器件的開發(fā)和應用存在著巨大的發(fā)展空間。為此， 本文以C8051FF330D單片機為控制核心， 并利用C8051FF330D的I2C串行總線擴展外圍器件， 同時以模塊化設(shè)計方法，設(shè)計了一種程控恒流源。而且整個電源還具有功耗低、體積小， 電流紋波小、控制精度高和運行穩(wěn)定等特點。

　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　該程控恒流源設(shè)計主要采用C8051FF330D單片機內(nèi)部的10位電流型數(shù)模轉(zhuǎn)換器和電流/電壓轉(zhuǎn)換電路來輸出0～4 V的模擬量， 然后用這個電壓信號來控制恒流源的輸出電流， 以使其按照給定值變化。由于本系統(tǒng)擴展了I2C串行總線接口，以及以ZLG7290為核心的鍵盤和LED數(shù)碼管顯示器電路， 因而可用鍵盤進行電流值和時間間隔的設(shè)定， 其電流值設(shè)定范圍為0～10 A， 時間間隔為0～10小時。另外， 系統(tǒng)還具有掉電保護功能， 故當其恢復用電后， 可使電流源從斷點處恢復運行。

　　圖1所示是本系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)。其中，時鐘電路采用外部晶體振蕩器來提高時鐘精度，JTAG接口電路則為系統(tǒng)提供全速、非侵入式的在線系統(tǒng)調(diào)試接口， 而外部復位電路可用于強制MCU進入復位狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)圖

　　2 硬件電路設(shè)計

　　2.1 模擬量輸出接口電路

　　C8051F330D內(nèi)部有一個10位電流型的D/A轉(zhuǎn)換器IDA0， 它的最大輸出電流具有0.5 mA、1 mA和2 mA三種不同的設(shè)置。同時， IDA0還具有靈活的輸出更新機制， 并允許無縫滿度變化， 可支持無抖動波形更新。IDA0的三種更新方式分別為寫IDA0H、定時器溢出和外部引腳邊沿出發(fā)。本設(shè)計采用P1.0輸出， 并采用定時器溢出的更新方式。

　　C8051F330D內(nèi)部電路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的0～1 mA電流信號通過基準電阻轉(zhuǎn)換為0～2 V的電壓信號后， 再經(jīng)過放大電路轉(zhuǎn)換為0～4 V的標準信號輸出。其模擬量輸出信號轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 模擬量輸出信號轉(zhuǎn)換電路

　　2.2 掉電保護電路

　　在電信和其他通信系統(tǒng)中， 如果設(shè)備斷電，將給系統(tǒng)造成巨大損失， 甚至可能使系統(tǒng)癱瘓。

　　為了避免系統(tǒng)掉電情況的發(fā)生， 本設(shè)計采用FM24CL04作為非易失存儲器來保護系統(tǒng)參數(shù)及其它中間數(shù)據(jù)。與EEPROM不同， FM24CL04可以以總線速度進行寫操作， 它使用的是工業(yè)標準兩線I2C接口， 圖3所示是本電源系統(tǒng)附帶的掉電數(shù)據(jù)保護電路。

圖3 掉電數(shù)據(jù)保護電路

　　由于FM24CL04存儲器的寫入速度極快， 因此， 在一個高噪聲的通信環(huán)境中， 它受到干擾的可能性很小。此外， FM24CL04使用二線制串行總線及握手協(xié)議來進行雙向傳輸， 由于這種方式占用的引腳少， 因此， 系統(tǒng)線路板占用的空間也比較小。

　　2.3 鍵盤及顯示電路

　　本系統(tǒng)配置有4位鍵盤和8位LED數(shù)碼管顯示電路， 以用于顯示編程數(shù)據(jù)和參數(shù)。鍵盤顯示器接口電路采用廣州周立功單片機發(fā)展有限公司的專用芯片ZLG7290B數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤管理芯片。該芯片能夠直接驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管或者64位獨立的LED， 同時， 也可以掃描和管理64位按鍵。本電路將ZLG7290B通過I2C總線與單片機進行連接， 僅需要兩根信號線即可傳遞數(shù)據(jù)。

　　同時， 采用ZLG7290B專用芯片還可以簡化電路和程序， 減輕電路的調(diào)試負擔。而且， 作為工業(yè)級顯示驅(qū)動芯片， ZLG7290B也具有較強的抗干擾能力。圖4 所示是由C8051F330D 單片機和ZLG7290B專用顯示驅(qū)動芯片組成的鍵盤及顯示驅(qū)動電路原理圖。

圖4 鍵盤顯示驅(qū)動電路

　　一般情況下， 在設(shè)計時， 為了使電源更加穩(wěn)定， 可在圖4電路的VCC和GND之間接入電解電容。由于電路中的數(shù)碼管在工作時要消耗較大的電流， 因此， 其限流電阻的典型值可取的更大一些。另外， 由于數(shù)碼管掃描和鍵盤掃描線共用，因此， 本電路采用二極管來防止按鍵對數(shù)碼管顯示的干擾。

　　3 軟件設(shè)計

　　3.1 主程序設(shè)計

　　本系統(tǒng)采用C語言來進行軟件設(shè)計， 以實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能。系統(tǒng)應用程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計， 主要包括主程序、參數(shù)調(diào)用修改子程序、DAC0初始化程序等。圖5所示是其主程序流程圖。

圖5 主程序流程圖

　　3.2 模塊函數(shù)程序設(shè)計

　　模塊函數(shù)程序主要是為結(jié)構(gòu)化模塊設(shè)計定義一些函數(shù)， 如各定時器的初始化函數(shù)、SMBUS初始化及處理函數(shù)、DAC0的初始化和處理函數(shù)，另外， 也包括往鐵電存儲器中寫入字節(jié)的函數(shù)和從目標地址讀取數(shù)據(jù)等函數(shù)。其中DAC0的初始化程序代碼如下：

　　Void DAC_Init (void)

　　{

　　REF0CN =0X30; /*內(nèi)部偏壓發(fā)生器和電壓基準緩沖器工作， 基準從VREF腳輸出*、

　　ID0CB =0XF2;

　　}

　　存儲器寫入函數(shù)如下：

　　Viod EEPROM_ByteWrite ( uchar i2caddr,uchar addr, uchar dat )

　　{

　　While (smb_busy)

　　Smb_busy = 1;

　　Target = i2caddr;

　　Smb_w =write;

　　Smb_sendwordaddr = 1;

　　Smb_randomread = 0;

　　Smb_ackpoll =1;

　　Word_addr = addr;

　　Smb_singlebyte_out = dat;

　　Psmb_data_out =&smb_singlebyte_out;

　　Smb_data_len =1;

　　Sta = 1;

　　}

　　……

　　4 結(jié)束語

　　本文給出了用C8051FF330D的內(nèi)部電流型D/A轉(zhuǎn)換器和電流/電壓轉(zhuǎn)換電路來設(shè)計可編程恒流源控制器的設(shè)計方法。由于C8051F330D單片機的運算速度比普通單片機要快， 而且功耗比較低， 同時內(nèi)置有DAC和ADC， 由此可在電子產(chǎn)品開發(fā)過程中減小產(chǎn)品體積， 降低硬件連線的復雜程度。實驗證明， 本設(shè)計的程控電流源具有輸出電流穩(wěn)定準確等特點， 而且電流隨負載和環(huán)境溫度變化小， 輸出電流誤差范圍為±5 mA， 同時其輸出電流也較大， 是一款價格低廉， 性能穩(wěn)定，操作簡單的實用性通信電流源。