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1、1第一章第一章 绪论绪论1.1 引言引言随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入 80 年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入 90 年代数字脉冲电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了数字脉冲电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，数字脉冲电源一般由供电电源、数字控制器、开关管、和负载构成。数字脉冲电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的
2、增加而增长，但二者增长速率各异。随着电力电子技术的发展和创新，使得数字脉冲电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为数字脉冲电源提供了广阔的发展空间。 数字脉冲电源高频化是其发展的方向，高频化使数字脉冲电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外数字脉冲电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。1.2 数字脉冲电源的发展数字脉冲电源的发展脉冲电镀是一项新的电镀技术。特点是由脉冲电流对电极过程动力学的特效影响所决定的。在直流电镀时，镀液中被镀出的金属离子在阴极表面附近溶液中逐渐
3、被消耗，造成了该处被镀金属离子与溶液中该离子浓度出现差别。这种差别随着使用的电流密度增高而加大。脉冲电镀2时的传质过程与直流电镀时的传质过程的差异，造成了峰值电流可以大大高于平均电流，促使晶种形成的速度远远高于晶体长大的速度，使镀层结晶细化，排列紧密，孔隙减小，电阻率低。脉冲电源其电流呈脉冲方式流动，并可在瞬时产生高密度电流；在电镀时能将底层均匀地涂覆到镀件上，并使之加速，提高了效率。可以调节占空比及频率的脉冲电镀电源。脉冲电源的工作原理可以通过其输出波形直接反映。一般直流电源的输出波形见图 1-1；脉冲电源的输出波形见图 1-2。所谓数字脉冲电源，就是采用微处理器等数字电路对脉冲电源中的直流
4、斩波进行控制，并实现数字显示与数字调节的一种脉冲电源。它是当今最为先进的电镀电源，也是电镀电源发展的方向。它与传统的模拟脉冲电图 1-1 一般电镀电源输出波形 图 1-2 脉冲电源输出波形源相比有以下优点：驱动波形规整，极大的改善了斩波后的输出波形，对提高电镀质量十分有利；采用数字调控，直观简单；波形调节范围宽，调节步进可以至 0.1ms；温度漂移系数小，能长期稳定连续运行。3数字脉冲电源一般分为双脉冲电源与单脉冲电源 2 种。数字单脉冲电源的原理图。如图 1-3 所示。图 1-3 数字单脉冲电源原理图在目前的应用中，大多利用大功率的开关管 IGBT 对直流电源进行斩波，达到脉冲输出的目的。改
5、变 IGBT 开关管的方波驱动信号，以实际脉宽的可调。4第二章第二章 数字脉冲电源的性能指标与设计要求数字脉冲电源的性能指标与设计要求2-1 数字脉冲电源的性能指标与设计要求数字脉冲电源的性能指标与设计要求脉冲电镀实质上是一种通、断直流电镀。所不同的是脉冲电镀有 3个独立的参数（脉冲电源密度 J、导通时间 ton及关断时间 toff）可调；而一般直流电镀只有 1 个参数（电流或电压）可调。因此，采用脉冲电镀就为槽外控制镀层提供了有利的手段。脉冲电镀是一项既能提高镀层质量，又能提高沉积速率的经济效益很高的电镀新技术。图 1-2 为脉冲电源的电流波形，图中：ton：脉冲电流导通时间；toff：脉冲
6、电流断电时间；T=ton+toff：脉冲周期；J：电流密度；Ip：电流峰值。图 1-2 脉冲电源参数图本数字单脉冲电源的性能与设计要求主要体现再以下一些指标：5供电电源：3 相，50Hz，380V。输出峰值电流：440A，连续可调。输出峰值电压：330V，连续可调。脉冲频率：110KHz，可调。脉冲占空比：0100%，可调。脉冲电流导通时间：ton：0.1999.9ms；脉冲电流断电时间toff：0.1999.9 ms。电流、电压波形：脉冲，键盘设定。工作方式：恒流/恒压任选。电镀时间可键盘设定，为 0999.9s。6第三章第三章 双双 CPU 系统方案系统方案 3-1 系统总体方案的思路系统
7、总体方案的思路由于系统中关键问题是定时：电镀时间的定时及驱动开关管的脉冲定时，而且后者的定时精度直接影响输出脉冲波形的频率精度。同时考虑到系统显示及按键处理的因素，本系统采用了双 CPU 系统设计构架。主系统主要负责显示按键管理、电镀时间控制以及余兴中的暂停等控制；从系统主要负责产生开关管的驱动脉冲。数字控制系统的原理可用图 3-1 表示。双 CPU 系统的关键是主、从 CPU 之间的协调与通信实现。实现的约束是：（1） 能满足系统的实习性要求，响应及时，并能完成系统的所有设计功能；（2）软、硬件实现不能过于复杂。图 3-1 双 CPU 系统原理示意图73-2 双双 CPU 系统的若干形式系统
8、的若干形式在单片机应用系统中，双 CPU 或多 CPU 系统的建构通常有以下 3 种形式。1采用双口 RAM 方式使用一个 CPU 有时会导致软件编写复杂，尤其当多个外围芯片发生中断请求时，容易造成数据处理的延误。采用双口 RAM 和双 CPU电路，整个电路分为 2 大部分，每个 CPU 编有单独的程序，各管理一部分，这样可减小整个软件编写的难度，增加仪器工作的可靠性。双口RAM 产品的型号和规格较多，常用的如 IDT7132 双口 RAM。作为 2个 CPU 交换信息的媒介，主 CPU 和次 CPU 均可通过与双口 RAM 相连的总线对双口 RAM 进行读/写。由于双口 RAM 对大多具有双
9、总线，而且具有总线仲裁机构，因此这种方式的特点是硬件简单，但成本相对较高。这种方式的实现原理可用图 3-2 表示。图 3-2 双口 RAM 方式双 CPU 系统2.采用并口通信方式采用并口方式的双 CPU 系统一般有以下 2 种形式。（1） 直接连接方式这种方式是直接将 2 个 CPU 通过并行接口连接起来，实现协调与交流。以图 3-3 为以说明：图中 P34，P35 作为握手联络信号。显然这种方式是以牺牲并行接口为8代价的。虽然是半双工通信方式，但由于是并行通信方式，速度还是比串口方式要快。在并行接口紧张的应用场合，需要权衡。（2）间接连接方式间接连接方式一般是通过并行接口电路来实现的。以图
10、 3-4 为例加以说明：这种方式以 2 片并行接口芯片 8155 作为双方联系的纽带。由于8155 对单片机来说只是一个外围设备，因此，这种方式可以避免总线仲裁等麻烦。图 3-3 直接并行方式图 3-4 间接并行方式9烦。只要设定好 8155 的 PA，PB，PC 的输入/输出方式，并以其中的若干条口线作为握手联络信号，就可以方便地实现双 CPU 系统。3.采用串行通信方式串行通信方式，即主、从 CPU 之间通过串行口或模拟串行接口惊醒协调和交流。这种方式的特点是硬件简单，软件实现也很方便；但实时性相对较差，只适用于数据量小的场合。本系统即采用了这种方式。为了弥补纯串行方式的缺陷，本系统在串行
11、通信的基础上，配合以适当的握手联络信号，以克服纯软件握手对驱动脉冲的影响。10第四章系统硬件设计第四章系统硬件设计4.1 基于基于 89C52 的主系统设计的主系统设计4-1-1 主系统电路主系统电路1主系统电原理设计按照设计要求及方案，确定系统的功能模块有显示/按键电路、复位与看门狗电路、主 CPU 系统、从 CPU 系统、脉冲驱动放大电路（斩波控制电路）及脉冲电源的其他电路（直流电源、斩波电路及保护环节）等。主系统电原理见图 4-1。2主系统分析（1）复位与看门狗电路本系统有以下 3 种情况：上电复位、手动复位、及看门狗定时器溢出复位；采用 MAX813L 电源监视电路。主 CPU、从 C
12、PU 系统共用复位信号，目的是当系统中的任何一个子系统运行失常时，必须共同复位，以回复待机状态，避免错误运行。对从系统的软件进行适当处理，当从系统工作失常后，也能让主系统感知，然后强制电源监视电路复位，可达到引起复位的目的。这里利用通信握手信号 SCOMM。这样当从系统失常、程序“跑飞”时，落入非正常程序区的握手信号始终无效，此时主系统的串行查询程序反复查询，使得“喂狗”信号无法及时送出，从而引起溢出复位。（2）主 CPU 系统主 CPU 系统主要管理显示电路、按键电路、运行状态控制及向从CPU 系统发送脉冲参数等，核心是 89C52 单片机。其中的 PKEY 开关为暂停开关，通过 P12 与
13、单片机接口，暂停时通过 P11 控制暂停指示灯发光指示。 “喂狗”信号由 P10 输出，其实质是一个负脉冲。主、从11CPU 系统的握手信号为 R/P，SCOMM。其中 R/P 用来由主 CPU 控制从 CPU 的运12图 4-1 主系统电原理图行与暂停；SCOMM 信号是从 CPU 向主 CPU 指示通信状态的，成功结束有效；否则无效。考虑到主 CPU 系统对定时的要求不是很高，采用6Mhz 主频。4-1-2 主系统显示电路主系统显示电路显示采用数码管；显示/键盘电路通过 8279 专用接口芯片与单片机接口。一共用 3 组数码管，每组 4 个数码管。前 2 个参数的范围为0.1999.9ms
14、,而后 1 个参数的范围为 09999s，符合 8279 的设计能力。数码管采用小型超高亮共因数码管。前 2 个参数采用绿色，后一个参数的显示采用红色。通过 P15 引脚向 MAX813L 发出 RSTK1 信号，使系统复位，也即停止从 CPU 的脉冲输出，结束电镀运行。显示电路中的数码管电路如图 3-2 所示，单片机的接口电路参见图4-2。13图 4-2 数码管电路4-1-3 主系统按键电路主系统按键电路键盘设计了 10 个数字键 09，3 个参数（ton、toff 及 T） 设置键，与此配套的 Enter，CLS“”等键及运行控制键 Start。1数字键 09用来设置参数。在当前编辑位上输
15、入数字，每按 1 个数字键，便覆盖原数字。2参数设置键ON，OFF，T 3 键用来选择设置何种参数。设置流程为：按 3 个中任 1 个，以选择参数项目；再通过数字键送入第 1 位（最高位） ，通过14“ ”键切换到下一位；再送入数字，一直到 4 位数字全部送完，通过回车键 Enter 确认。前 2 个参数采用定点数，小数位为一位。在输入过程中，如出现错误，则按 CLS 键清除该项目，重新输入。当 3 个参数全部送完，则设置参数不齐备，按此键无效。按键电路如图 4-3 所示。图 4-3 按键电路4-2 基于基于 89C2051 的从系统设计的从系统设计从 CPU 系统是基于 89C2051 单片
16、机的单芯片系统，唯一的任务是产生斩波所需的脉冲信号。电原理图见图 1-7 虚线框部分。系统主频为12Mhz，其目的是为了保证最小定时 0.1ms 的需要，在 T2 定时中断服务程序中完成相应动作。中断服务程序的总的执行时间必须小于0.1ms；否则，会引起失常，出现比较大的脉冲频率误差，甚至不能工15作。脉冲 PULSE 从 P16 输出，经 Q1（9012）小功率三极管驱动后，经光电隔离驱动斩波信号驱动电路。从系统与主系统的串行通信为直接方式，原因是双方均为 TTL 信号，可以直接交换，无需电平转换。4-3 斩波脉冲驱动输出电路设计斩波脉冲驱动输出电路设计从系统产生的脉冲信号经高速光耦 TIL117 光电隔离后，送入驱动放大电路，如图 4-4 所示。当 M1+为低电平时，光耦截止，中功率三极管 BG2 截止，MZ11 与 MZ15 间无信号输出；当 M1+为高电平时，则光耦导电，BG2 导通，则 MZ11 与 MZ
