基于高性能嵌入式網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的脈沖電鍍電源設(shè)計

徐麗春

XU Li-chun

（遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，遵義 563000）

0 引言

脈沖電鍍是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種電鍍技術(shù)，脈沖電鍍主要特點是能改善鍍層結(jié)構(gòu)，使鍍層平滑、細致，降低鍍層孔隙率和內(nèi)應(yīng)力，同時提高鍍層抗蝕性、韌性及耐磨性，從而獲得成分穩(wěn)定的合金鍍層[1,2]。

在工業(yè)電鍍生產(chǎn)中，脈沖電鍍電源主要用于觸點類小零件的恒流鍍金工序，對鍍層質(zhì)量要求高。目前工業(yè)現(xiàn)場常用的是數(shù)控雙脈沖方波電鍍電源，該雙脈沖電源具有脈沖、電流等參數(shù)的設(shè)置、顯示功能，但沒有電流及脈沖的實時監(jiān)控功能，因而無法保證輸出參數(shù)的精度，且由于電鍍現(xiàn)場環(huán)境惡劣，腐蝕性強，對于具有很多設(shè)置開關(guān)以及裸露器件的儀器設(shè)備非常不利，如在工藝過程中儀器發(fā)生故障，不但無法保證電鍍質(zhì)量，同時會造成不小的損失（零件報廢和鍍金成本損失）。

近幾年來，隨著以高性能嵌入式微處理器及嵌入式操作系統(tǒng)為代表的嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，為脈沖電鍍電源的設(shè)計提供了一種全新的思路，采用這些先進的技術(shù)方法設(shè)計具有較高智能化水平的脈沖電鍍電源，實現(xiàn)對輸出脈沖電流、脈沖寬度等參數(shù)的實時監(jiān)測與控制，從而提高系統(tǒng)控制精度，并大幅度提升設(shè)備的可靠性，從而減少因設(shè)備故障造成的質(zhì)量問題及成本損失。同時，依托高性能嵌入式系統(tǒng)的強大網(wǎng)絡(luò)功能，可方便構(gòu)建工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對多臺設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化控制與管理。

1 脈沖電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

脈沖電源主要由可調(diào)恒流源和脈沖電源監(jiān)控系統(tǒng)組成，其中脈沖電源監(jiān)控系統(tǒng)包含電流斬波器、脈沖電源中央控制器和控制面板等，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 脈沖電源系統(tǒng)原理框圖

在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，可調(diào)恒流源用于提供電鍍電流，根據(jù)不同零件電鍍工藝要求可進行不同電流的設(shè)定，工作輸出直流電流為30A，開路電壓最大12V。

電流斬波器采用大功率MOS管對恒流源輸出的直流電流進行斬波，通過脈沖電源中央控制器發(fā)出的斬波驅(qū)動脈沖信號控制MOS管的通斷，達到電流以脈沖方式輸出的目的，改變控制器輸出驅(qū)動脈沖信號的占空比即可實現(xiàn)不同需求的脈沖電流或占空比輸出。

控制面板包含輸出電流顯示控制儀表、輸出電流脈沖占空比選擇開關(guān)、輸出脈沖狀態(tài)指示和輸出脈沖電流狀態(tài)指示等，用于實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定及顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。

脈沖電源中央控制器是脈沖電鍍電源的核心控制系統(tǒng)，是由32位高性能嵌入式微處理器、斬波脈沖發(fā)生器、脈沖整形驅(qū)動電路、脈沖電流采樣、脈沖寬度采樣等部件組成一個完整的智能控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)用戶的設(shè)定輸出對應(yīng)的斬波驅(qū)動脈沖，同時對輸出的驅(qū)動脈沖和電流脈沖反饋信號進行實時監(jiān)測處理，達到智能監(jiān)控脈沖電鍍的目的。

2 基于高性能嵌入式網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的中央控制器設(shè)計

近幾年來，隨著以嵌入式微處理器及嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式技術(shù)飛速發(fā)展，為智能系統(tǒng)的設(shè)計提供了一種全新的思路。其中，32位ARM架構(gòu)的嵌入式微處理器具有高性能、低功耗、低成本、小體積的特點，可滿足對智能化程度要求較高的系統(tǒng)應(yīng)用需求。

軟件系統(tǒng)是智能系統(tǒng)的核心，以嵌入式操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的軟件系統(tǒng)的引入，可大幅度提高設(shè)備的智能化水平。在該脈沖電鍍電源的設(shè)計中，中央控制器以32位ARM處理器為硬件平臺，運行eCos嵌入式實時操作系統(tǒng)，通過對輸出電壓、電流信號的實時監(jiān)控及運算處理，輸出相應(yīng)控制信號，可靠實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能，并可依托系統(tǒng)強大的網(wǎng)絡(luò)功能，構(gòu)建工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，方便實現(xiàn)對多臺電鍍設(shè)備的遠程監(jiān)控與管理。

圖2 中央控制器硬件結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)脈沖電鍍的工藝過程及系統(tǒng)特點，中央控制器硬件平臺采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的高性能嵌入式微處理器STM32F207，該處理器較高的運算能力和儲存能力，足以支持復(fù)雜嵌入式操作系統(tǒng)系統(tǒng)的運行，且具有非常豐富的外圍接口，可很好的實現(xiàn)對電壓、電流信號的采集與檢查，以及輸出相應(yīng)的控制信號。同時，強大的網(wǎng)絡(luò)功能可非常方便的支持組建工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。中央控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖3 eCos嵌入式實時操作系統(tǒng)程序流程圖

在圖2所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，STM32F207為意法半導(dǎo)體（ST）推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的高性能嵌入式微處理器，運行頻率為120MHz，可實現(xiàn)150DMIPS的處理能力。同時，該處理器內(nèi)部集成高達1MB Flash存儲器和128KB SRAM存儲器，作為程序存儲及運行空間，強大的運算能力和大容量的存儲器，足以支持復(fù)雜嵌入式操作系統(tǒng)系統(tǒng)的運行。

在本系統(tǒng)的設(shè)計中，需要對電壓及電流信號進行監(jiān)控，信號采集的精度及實時性對系統(tǒng)的性能有至關(guān)重要的影響，STM32F207所具有的優(yōu)秀的實時性能及豐富的接口功能，可很好的實現(xiàn)系統(tǒng)需求。

在一個典型的脈沖電鍍車間，通常安裝有多臺設(shè)備電鍍設(shè)備，傳統(tǒng)的脈沖電鍍電源均不具備網(wǎng)絡(luò)功能，無法實現(xiàn)多臺設(shè)備的遠程控制與管理。STM32F207內(nèi)嵌的10/100Mbps自適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)接口，為系統(tǒng)功能的擴展提供了充分的基礎(chǔ)，通過該網(wǎng)絡(luò)接口，組建基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，可方便實現(xiàn)對多臺設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化控制與管理，以及工藝過程數(shù)據(jù)的遠程傳輸。

2.2 系統(tǒng)軟件編程及eCos操作系統(tǒng)的特點

為充分發(fā)揮高性能硬件平臺的各種優(yōu)異特性，軟件系統(tǒng)采用eCos嵌入式實時操作系統(tǒng)，并在該軟件平臺上實現(xiàn)系統(tǒng)所要求的各種功能。程序流程圖3所示：

eCos（Embedded Configurable Operating System ，嵌入式可配置操作系統(tǒng)）是一個非常優(yōu)秀的嵌入式實時操作系統(tǒng)解決方案，除了具有本設(shè)備所要求的良好的實時特性以外，還具有高度可配置能力。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，它將系統(tǒng)分為不同的軟件組件，這些軟件組件具有可重用性，根據(jù)實際應(yīng)用的需要，通過其獨特的配置工具可以選擇使用相應(yīng)的組件，同時對每一個選擇使用的組件，用戶還可以對每個選項進行更細致的配置，可以增加或刪減組件的某些功能，從而實現(xiàn)完整的嵌入式操作系統(tǒng)。使用這種方式最后產(chǎn)生可執(zhí)行的 eCos 映像文件非常緊湊，只包含應(yīng)用所需的特定功能，這樣使得 eCos 系統(tǒng)與許多傳統(tǒng)的實時操作系統(tǒng)相比較，其運行速度更快，穩(wěn)定性更高。

eCos所具有的如下三個特點，非常適合于本系統(tǒng)的應(yīng)用需求：

1）可搶占的硬實時內(nèi)核

eCos的調(diào)度內(nèi)核是一個嵌入式硬實時內(nèi)核，并在調(diào)度策略選擇、防止優(yōu)先級反轉(zhuǎn)、中斷與異常的處理模式、中斷處理的最短延遲，以及內(nèi)存分配方式等方面都做了許多精巧的設(shè)計，使其在系統(tǒng)的實時性能上有非常良好的表現(xiàn)，因而可以很好的滿足本系統(tǒng)在電壓與電流監(jiān)控，以及輸出控制信號方面的實時性要求，從而提高系統(tǒng)的整體性能。

2）良好的軟件支持

eCos支持ISO標(biāo)準(zhǔn)C庫和math庫，兼容各種常見C函數(shù)和數(shù)學(xué)函數(shù)調(diào)用，其應(yīng)用程序具有良好的穩(wěn)定性、可維護性及可移植性。

3）完整協(xié)議棧支持

eCos支持完整的TCP/IP協(xié)議棧，以及上層的各種常用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，便于嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接。eCos的該性能結(jié)合STM32F207所提供的10/100Mbps自適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)接口，非常完美的實現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場的多臺設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化控制。

3 結(jié)束語

以高性能嵌入式微處理器及嵌入式操作系統(tǒng)為代表的嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，給各種智能系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)及應(yīng)用，帶來了全新的思路，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文將最新發(fā)展起來的高性能嵌入式技術(shù)與傳統(tǒng)脈沖電鍍工業(yè)生產(chǎn)過程相結(jié)合，提出一種新的脈沖電鍍電源設(shè)計方法，與傳統(tǒng)的設(shè)備相比較，除具有更高的精度、穩(wěn)定性及安全性的特點，同時具有先進的網(wǎng)絡(luò)控制功能。可在生產(chǎn)過程中減少設(shè)備的維護成本和過程控制成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢品率，具有傳統(tǒng)脈沖電鍍無可比擬的優(yōu)勢。

[1]黃子勛,吳純素.電鍍理論[M].中國農(nóng)業(yè)機械出版社,1982.

[2]向國樸.脈沖電鍍的原理與應(yīng)用[M].天津科學(xué)技術(shù)出版社,1989.

[3]李駒光.嵌入式LINUX系統(tǒng)開發(fā)詳解[M].清華大學(xué)出版社,2006.