基于微控制器的數(shù)控DC電流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為主要控制部件，通過鍵盤預(yù)置輸出電流值并采用液晶模塊實(shí)時(shí)顯示。整個(gè)系統(tǒng)硬件部分由微控制器模塊、電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、直流穩(wěn)壓電源模塊和語音提示模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　圖1 數(shù)控DC電流源系統(tǒng)

　　微控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。為了能夠做到硬件電路簡單，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，便于實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)、鍵盤設(shè)置和信息實(shí)時(shí)顯示等功能的協(xié)調(diào)，通過多種方案論證后，選用凌陽十六位單片機(jī)SPCE061A。該單片機(jī)采用現(xiàn)代電子技術(shù)——片上系統(tǒng)SOC(system on a chip)技術(shù)設(shè)計(jì)而成，內(nèi)部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF、LCD-DRIVER等電路(與IC型號有關(guān))。它采用精簡指令集(RISC)，指令周期均以CPU時(shí)鐘數(shù)為單位。另外，它還兼有DSP芯片功能，內(nèi)置16位硬件乘法器和加法器，并配備有DSP擁有的特殊指令，大大加速了各種演算法的運(yùn)行速度。同時(shí)可以在Windows環(huán)境下使用凌陽十六單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)工具，該工具支持標(biāo)準(zhǔn)C語言和凌陽單片機(jī)匯編語言，集匯編、編程、仿真等功能于一體，大大加快了軟件開發(fā)過程。凌陽單片機(jī)具有高速度、低價(jià)、可靠、實(shí)用、體積小、功耗低等特點(diǎn)，用該單片機(jī)作為控制器比較合適，在硬件電路簡單的前提下容易實(shí)現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換、語音提示、PID運(yùn)算等功能。

　　顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是顯示設(shè)置的電流輸出值和其他人機(jī)交互信息。本部分可以采用七段數(shù)碼LED顯示器，實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)字、簡單字母和小數(shù)點(diǎn)等信息，但由于其顯示信息單一，人機(jī)交互不友好，在系統(tǒng)中采用字符型液晶顯示屏LCDSMC1602A模塊。該模塊具有輕薄短小、低壓微功耗、體積小、無輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)點(diǎn)。其方便用于顯示字母、數(shù)字、符號等信息，而且不需要擴(kuò)展過多外圍電路，可由單片機(jī)直接進(jìn)行控制輸出顯示。

　　電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊由精密運(yùn)放與3個(gè)晶體管組成的達(dá)林頓管電路構(gòu)成。轉(zhuǎn)換電路利用晶體管平坦的輸出特性和深度負(fù)反饋電路使輸出電流穩(wěn)定。如圖2所示，此V/I轉(zhuǎn)換電路的帶負(fù)載能力強(qiáng)，電流輸出范圍達(dá)0～3A。輸出電流Io經(jīng)反饋電阻Rf得到一個(gè)反饋電壓Vf，Vf= V11-V12，通過R5、R6加到運(yùn)算放大器的兩輸入端，設(shè)運(yùn)放兩端的電為V1、V2，Vi由單片機(jī)DAC輸出。因?yàn)槔硐脒\(yùn)放的輸入電流約等于零，且V1=V2，則有V12[1-R6/(R2+R6)]+ViR6/(R2+R6)=V11R1(R1+R6)。由于V12=V11-Vf，則V11R2/(R2+R6)+(ViR6-VfR2)/(R2+R6)=V11R1/(R1+R5)。令R1=R2=10kΩ，R5=R6=1kΩ,則有Vf=ViR6/R2=Vi/10。若暫不考慮反饋時(shí)，Io=Vi/(10Rf)。

　　圖2 V/I轉(zhuǎn)換電路圖

　　由此可見，輸出電流的標(biāo)定由D/A轉(zhuǎn)換的輸出電壓Vi和Rf決定，為線性變換。Rf由大線徑康銅絲制作，其溫度系數(shù)很小(5×10-6/℃)，大線徑可以使其溫度影響減至最小。3個(gè)三極管應(yīng)選用大功率管TIP122，且使用散熱片，以保證管子工作在線性區(qū)。

　　電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊的組成還有另外一種方案，采用3個(gè)運(yùn)放構(gòu)成輸出電流可變的電流源，如圖3所示。輸出電流I=Vi/R1，為使R1兩端的電壓保持恒定，由差分放大器IC1b通過射隨器IC1c監(jiān)測R1兩端的電位，此電位經(jīng)IC1b的7腳加到比較器 ICa的反相輸入端與Vref比較。比較結(jié)果使比較器的輸出端變化，直到平衡為止，即Vr1=Vi。電路中的電容用于補(bǔ)償ICa的頻率，減少控制環(huán)路的延時(shí)。只要R1=R2=R3=R4=R5，此電路的性能較好。但此電路的帶負(fù)載能力不強(qiáng)，環(huán)路延時(shí)補(bǔ)償對電路的穩(wěn)定有較大影響。

　　圖3 三運(yùn)放V/I轉(zhuǎn)換電路[!--empirenews.page--]

　　系統(tǒng)鍵盤模塊可以采用獨(dú)立式連接方式或行列式(矩陣式)連接方式，該模塊的功能主要完成對輸出電流和其他信息的設(shè)定。直流穩(wěn)壓電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電;語音模塊實(shí)現(xiàn)語音提示，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更具人性化，系統(tǒng)具有友好的工作界面。凌陽單片機(jī)內(nèi)部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF等模塊，語音功能可由軟件編程實(shí)現(xiàn)，不需要外接任何電路，有效的利用了系統(tǒng)資源。

　　系統(tǒng)工作及軟件流程

　　在工作過程中， SPCE061A單片機(jī)將被預(yù)置的電流值通過換算進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，以輸出電壓驅(qū)動V/I轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)電路輸出，并將該電流值對應(yīng)的電壓值通過閉環(huán)回路，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)系統(tǒng)，再通過PID算法調(diào)整電流輸出。整個(gè)系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

　　圖4 系統(tǒng)工作流程圖

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在凌陽十六單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)工具unSPIDE1.16.1中進(jìn)行，采用凌陽單片機(jī)匯編語言和標(biāo)準(zhǔn)C語言對單片機(jī)進(jìn)行編程。主要實(shí)現(xiàn)5個(gè)功能：(1)系統(tǒng)的初始化，包括各外圍接口設(shè)備的初始化;(2)鍵盤輸入;(3)D/A、A/D轉(zhuǎn)換; (4)PID算法進(jìn)行電流調(diào)整;(5)語音提示和電流顯示。其主程序流程圖如圖5所示。

　　圖5 主程序流程圖[!--empirenews.page--]

　　A/D轉(zhuǎn)換部分程序主要用于將采樣電阻采到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。采樣信號由IoA6輸入并直接送入緩沖器P_ADC_MUX_Data，在ADC自動方式被啟用后，會產(chǎn)生一個(gè)啟動信號，此時(shí)，RDY=0，DAC0的電壓模擬量與外部的采樣模擬比較，以盡快找出外部信號模擬量的數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存在SAR內(nèi)。當(dāng)10位A/D轉(zhuǎn)換完成時(shí)，RDY=1，此時(shí)，通過讀P_ADC_MUX_Data單元可以獲得10位A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。其IRQ1 中斷服務(wù)程序的流程圖如圖6所示。

　　圖6 IRQ1中斷服務(wù)程序的流程圖

　　PID算法程序主要用于修正實(shí)際輸出的電流值和設(shè)定值的偏差，調(diào)節(jié)下一次的輸出值，使輸出更接近于設(shè)定值，提高精度。具體控制過程為單片機(jī)經(jīng)A/D芯片讀出實(shí)際電流Ik，然后和設(shè)定的電流Is比較，得出偏差值Ek=Is-Ik，單片機(jī)根據(jù)Ek的大小，調(diào)用PID公式，計(jì)算出本次電流調(diào)節(jié)的增量Δik，然后根據(jù)前一次的D/A轉(zhuǎn)換后輸出電流Iq-1，計(jì)算出本次電流的輸出Iq。

　　離散增量PID的計(jì)算公式為

　　ΔIk=Kp[(Ek-Ek-1)+K1Ek+KD(Ek-2Ek-1+Ek-2)]

　　=Kp(Ek-Ek-1)+K1’Ek +KD’(Ek-2Ek-1+Ek-2)

　　式中，K1’= Kp.K1, KD’= Kp×KD，Ek為本次采樣時(shí)刻的電流誤差，Ek-1為上次采樣電流誤差，Ek-2為再次采樣電流誤差值。

　　為了測試系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性和可靠性，將設(shè)定量與反饋量的進(jìn)行測試對比，誤差在0.01%之內(nèi)，并且運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目的，還增添了特色的音頻播放設(shè)計(jì)。