基于C8051F500微波電源控制器的研制

汪 躍 萍

(銅陵學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000)

基于C8051F500微波電源控制器的研制

汪 躍 萍

(銅陵學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000)

微波電源是等離子體設(shè)備的核心，它的工況直接決定了等離子體的各項(xiàng)參數(shù)。針對(duì)微波電源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于C8051F500的嵌入式控制器，提供了遠(yuǎn)程控制與手操器控制兩種模式，用戶可以借助上位機(jī)對(duì)微波電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。考慮到拓展應(yīng)用，提供了CAN總線接口，為將來(lái)接入其他低溫等離子設(shè)備系統(tǒng)提供了便利。

微波電源；C8051F500；控制器

微波等離子體技術(shù)具有極其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，如等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、等離子體表面處理以及等離子體刻蝕等。微波電源[1-5]作為微波等離子體設(shè)備的核心，是激發(fā)與維持微波等離子體的動(dòng)力。它的輸出功率直接決定了等離子體的各項(xiàng)參數(shù)，影響到工藝效果。所以，為了取得良好的工藝效果與穩(wěn)定性，需要設(shè)計(jì)控制器保證微波電源穩(wěn)定可靠的工作。鑒于此，本文基于嵌入式技術(shù)，以C8051F500為控制核心，引入數(shù)字化與光信號(hào)化的測(cè)控電路設(shè)計(jì)微波電源控制器[6-8]，該控制器包括供電電源部分與測(cè)控部分，通過(guò)優(yōu)化的硬件電路，輔以合適的抗干擾措施，保證了微波電源在控制器作用下可靠工作。

圖1 控制器總體結(jié)構(gòu)

1 總體結(jié)構(gòu)

微波電源控制器包括遠(yuǎn)程控制與手操器控制兩種模式：手操器模式下借助微波電源面板旋鈕調(diào)節(jié)電源，該模式用于突發(fā)狀況、遠(yuǎn)控失效時(shí)使用，確保設(shè)備的可操作性；遠(yuǎn)程模式下通過(guò)上位機(jī)調(diào)節(jié)電源，該模式是微波電源的工作模式。微波電源控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件資源包括：① 兩路隔離的模擬量采樣電路；② 一路隔離的模擬量輸出；③ 一路繼電器輸出；④ 一路隔離的CAN接口(考慮到未來(lái)接入到其他低溫等離子設(shè)備系統(tǒng))；⑤ 一路模式切換電路；⑥ 一路微波電源工作狀態(tài)反饋電路；⑦ 一個(gè)R232/RS485接口(上位機(jī)控制接口)；⑧ 供電電路等。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 供電電路

微波電源控制器需要3部分隔離供電：CAN接口供電、C8051F500及其外圍電路供電，光耦隔離另一端電路供電；為了保證CAN接口可靠性，該部分單獨(dú)提供，不從供電電路取電；微波電源整流橋輸出提供了+12 V、-6 V和+5 V三路電源，其中+12 V與-6 V為光耦隔離另一端電路供電。供電電路主要提供給C8051F500及其外圍電路，如圖2所示。關(guān)鍵在于變壓器的設(shè)計(jì)，需要考慮裕量問(wèn)題，計(jì)算所有器件工作時(shí)消耗的總功率，再按照1.5倍～2倍選擇變壓器和電源轉(zhuǎn)換器的功率。單片機(jī)及相關(guān)運(yùn)放電路功耗如下：(1) C8051F500典型功耗18.5 mA，即0.093 W；(2) max232功耗最大842 mW；(3) TLP521-1功耗0.3 W，3個(gè)總共0.9 W；(4) 運(yùn)放功耗最大525 mW，6個(gè)總共3.15 W；(5) max5481最大功耗727 mW；(6) JRC21F005功耗0.2 W～0.45 W；(7) HCN201最大功耗700 mW；(8) 高速光隔PS1921：0.06 W全部工作時(shí)最大功耗6 292 mW，這是極限值。其中1、2、3、5、6、8部分是5 V供電，功耗3 072 mW；4、7部分是15 V供電，功耗3 850 mW。VCC提供給單片機(jī)及相關(guān)IC芯片，功耗3 072 mW,保留一定余量，取4 W，再加上7805上損耗的壓降，總功率約6.4 W，第一路7 W的功率是完全足夠了；-15V′～+15V′提供給外圍運(yùn)放電路，總功耗3 850 mW，保留一定余量，取5 W，再加上7815上的壓降損耗，總功率約需6 W；因?yàn)樵黾恿艘宦肺⒉娫垂╇娸敵鲂盘?hào)，需要單獨(dú)提供一個(gè)直流電壓值控制固態(tài)繼電器通斷，在電路中增加隔離的DC/DC(DCP021515)，產(chǎn)生一路與VCC、GND,+15V′、-15V′隔離的直流電壓15 V、15 VGND，通過(guò)它來(lái)控制固態(tài)繼電器通斷達(dá)到控制微波電源啟停的效果，加上這部分功率，第二路8 W就可以滿足功率需求。

圖2 供電電路

2.2 模擬量采樣

需要采樣微波電源實(shí)時(shí)輸出的電壓與電流：+VF與+IF。+VF代表實(shí)時(shí)輸出電壓采樣信號(hào)，它由-VF反向1倍放大得到的，而-VF是負(fù)高壓HIV經(jīng)過(guò)RR10、RR9分壓得到的，如圖3所示。-VF=HIV×RR10/(RR10+RR9)。+IF代表實(shí)時(shí)輸出電流采樣信號(hào)是電阻RR8兩端的壓降(對(duì)GNDA)，可以根據(jù)電阻RR8估算+IF的最大值：由P=(U^2)/R得到U=sqr(P×R)。

針對(duì)上述需求，設(shè)計(jì)兩路隔離的模擬量采樣電路實(shí)時(shí)采樣微波電源輸出值，組成框圖如圖4所示。以電流采樣信號(hào)+IF為例，+IF最大值約10 V，增加電壓跟隨器，能夠起到較好的隔離效果，同時(shí)提高輸入阻抗，減小負(fù)載效應(yīng)。由于運(yùn)放采用非對(duì)稱供電方式 ，使得運(yùn)放輸入輸出電壓的范圍也是非對(duì)稱的，在+12 V、-6 V非對(duì)稱供電情況下，OPA277的輸入電壓范圍-4 V～10 V，輸出電壓范圍-4.5 V～10.5 V，滿足+IF范圍，C8051F500內(nèi)部自帶AD采樣電壓最大2.2 V，結(jié)合光隔的性能參數(shù)，通過(guò)分壓電阻將+IF分壓到5 V左右采樣效果較好，考慮到負(fù)載效應(yīng)，后面再接一個(gè)電壓跟隨，降低后端電路對(duì)前端電路的影響。

圖3 微波電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖4 模擬量采樣電路組成框圖

輸出電壓V01=(R25+R26)×IPD2；

輸入輸出比例關(guān)系由上述電阻值決定。因此，該隔離電路的電壓增益只與電阻(R25+R26)、R24有關(guān)，與光耦的電流傳輸特性無(wú)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的光電隔離，提高了系統(tǒng)可靠性。

2.3 模式切換啟?？刂婆c狀態(tài)反饋

微波電源面板提供了手操器旋鈕，為了應(yīng)對(duì)調(diào)試故障等各種情況，微波電源應(yīng)具備遠(yuǎn)控與手操器兩種控制模式，其中遠(yuǎn)控模式借助上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。電路如圖6所示，the Voltage of the Digital Potentiometer是由上位機(jī)控制的數(shù)字電位器輸出信號(hào)，the Voltage of the Handed Potentiometer是微波電源面板手操器旋鈕輸出的信號(hào)。P4.1引腳輸出選擇工作模式。當(dāng)P4.1輸出低電平，三極管Q3處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器沒(méi)有發(fā)生切換，此時(shí)是手操器模式，微波電源輸出控制信號(hào)來(lái)自the Voltage of the Handed Potentiometer；當(dāng)P4.1輸出高電平，三極管Q3處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器發(fā)生切換，此時(shí)是遠(yuǎn)控模式，微波電源輸出控制信號(hào)來(lái)自the Voltage of the Digital Potentiometer，實(shí)現(xiàn)了兩種控制模式的切換。

圖5 光耦隔離電路

圖6 模式切換電路

圖7 啟停控制與狀態(tài)反饋

微波電源由220 V交流電供電，為了實(shí)現(xiàn)可控工作，在供電輸入端安裝固態(tài)繼電器。如圖7所示。啟動(dòng)微波電源，P2.0輸出低電平，光耦1、2引腳發(fā)光，3、4號(hào)引腳導(dǎo)通，P4輸出電壓控制固態(tài)繼電器導(dǎo)通，微波電源啟動(dòng)。電源啟動(dòng)后，整流橋輸出12 V電壓使得光耦1、2引腳發(fā)光，3、4號(hào)引腳導(dǎo)通，狀態(tài)指示Ready被拉低，通過(guò)該信號(hào)即可判斷微波電源的工作狀態(tài)。反之，停止微波電源，P2.0輸出高電平，固態(tài)繼電器不導(dǎo)通，微波電源停止，此時(shí)狀態(tài)指示Ready是高電平。

2.4 CAN總線接口

考慮到設(shè)備的應(yīng)用拓展性，預(yù)留了CAN總線接口用于連接其他等離子體設(shè)備系統(tǒng)，如圖8所示。CAN總線接口電路包括CAN的總線收發(fā)器與隔離電路等，總線收發(fā)器主要完成CAN的協(xié)議通信，提供高速與靜音兩種模式。根據(jù)其S引腳的電平進(jìn)行判斷：S取高電平表示靜音模式，此時(shí)可以避免因CAN控制器的故障導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)通信異常；S取低電平表示高速模式，若S引腳沒(méi)有電氣連接，默認(rèn)是高速模式。隔離電路用于提高電路的可靠性與抗干擾性，避免連接設(shè)備的相互影響。

圖8 CAN總線接口組成

3 結(jié) 語(yǔ)

介紹了微波電源控制器的設(shè)計(jì)，從硬件構(gòu)成進(jìn)行了詳細(xì)描述。實(shí)驗(yàn)環(huán)境下測(cè)試表明控制器對(duì)微波電源的操作是明顯的，模式切換可靠，安全性較好。該控制器抗電磁干擾能力強(qiáng)，能按照要求實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采樣、輸出控制與狀態(tài)反饋，性能穩(wěn)定，滿足控制要求，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

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Development of Microwave Power Controller based on C8051F500

WANG Yueping

(Tongling University, Tongling 244000, China)

Microwave power, of which working conditions determine all parameters of the plasma, is the core of plasma devices. In this paper, an embedded controller is designed for microwave power based on C8051F500, which provides both remote and hand-control modes, so that microwave power can be controlled through HMI in supervisory computer. Considering the extended application, the CAN bus is provided, which is convenient for future access to other low-temperature plasma equipment systems.

microwave power; C8051F500; controller

10.3969/j.issn.1674-5403.2017.04.011

TP273

A

1674-5403(2017)04-0046-05

2017-04-14

汪躍萍(1991-),女,安徽池州人,碩士,助教，主要從事嵌入式控制系統(tǒng)方面的研究.

安徽省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2017A471).