可网络化管理的高精度多路数控直流电源

摘　要:介绍了一款以AT89C51 单片机为核心的新颖的直流稳压电源的设计。 该电源能同步输出正负电压值,通过电源面板键盘对电压值的预置和步进调节实现独立工作,也可通过PC 机的“虚拟键盘”实现远程控制和网络化管理。 系统具有通用性好、可靠性高、线路简单、步进精度高、显示直观、使用方便等优点,有较高的性价比。

关键词:直流稳压电源;数字控制;高精度;串行通信;网络化管理

　　直流稳压电源是科学研究中必不可少的仪器设备。 传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节,并由电压表指示电压值的大小。 因此,电压的调整精度不高,读数欠直观,电位器也易磨损。 近年来,多功能和数字化直流稳压电源已得到了长足的发展,该类稳压电源克服了传统直流稳压电源的上述缺陷,但美中不足的是不易实现远程控制和网络化管理。 笔者给出一款以A T89C51 为控制核心的新颖的数控直流电源,其性能特点是:能同步输出正负电压值(B 路: ±5 ～12 V) ,既可独立工作,即通过稳压电源的面板,预置电压值和步进调节;也可联网工作,即通过PC 机的“虚拟键盘”对其进行电压值的预置和步进调节,实现了稳压电源的远程控制和网络化管理。

系统的主要功能和特点

本系统设置了A 、B ⁺ 、B ^- 3 路可调的电压输出;可用键盘(面板键盘和“虚拟键盘”) 分别对A路、B 路( B ⁺ 和B ^- ) 独立设置初始电压值及电压步进调节; A 路步进电压为0.01 V ,输出电压范围为1.5～5.0 V ,输出持续电流为8 A ; B ⁺ 、B ^-两路步进电压为0.1 V ,输出电压范围为±5～12V ,输出电流大于1 A ;L ED 输出电压显示;能存储最近一次掉电前的电压值。

本电源共使用了16 个按键, A 路、B ( B ⁺ 、B ^- ) 路共用“0～9”这10 个数字键,用于预置输出电压初值。 同时, A 路、B 路各有“增量↑”、“减量↓”和“确认”键。 输出的电压步进调节可通过“增量↑”、“减量↓”键实现;例如,要设定A 路初始电压,首先在电源面板上按下对应的“确认”键,然后通过数字键盘输入电压数值,再按一次“确认”键,设定完毕。 同理可设置B 路的输出电压。 不同的是在B 路中电压设定后即可同时得到数值相同、极性相反的两组电压。 要想通过PC 机上的“虚拟键盘”设置电压,只需在PC 机键盘上直接输入电压值,并用鼠标点击“O K”按钮即可,同时可在PC 机屏幕上显示实际电压值;与电源面板上的键盘相似, A 路、B 路各设有“增量↑”、“减量↓”虚拟按钮,用以调节电压的增减。 若串口未连接好,按任意按钮都会显示“Disconnected”,若电压设定值超过量程,则提出警告,闪烁显示 “Wrong”。

系统硬件组成

本系统由单片机最小系统 、键盘/ 显示、PC串行通信、高精度数控调节、电流扩展、闭环巡回检测、电压掉电存储等模块组成。 需说明的是,系统中用A T89C2051 单片机来取代传统的8279键盘/ 显示芯片,实现键值输入和L ED 输出显示,这在价格、体积、功耗、电路的复杂性等方面均有较好的优势。 系统的工作原理是: 主单片机A T89C51 从EEPROM 中读取上次掉电前的电压值,或通过串行通信接收从单片机A T89C2051或PC 机发送的预置电压值,经过处理后送D/ A ,调整输出电压,再由A/ D 对A 路、B ⁺ 路、B ^- 路的电压巡回采样,与预设的电压进行比较,每次调整的电压都存入EEPROM ,同时送L ED 输出显示。图1 即为该系统的原理框图。

高精度数控调节机理

现以A 路为例阐述高精度数控调节机理。在A 路中,为了提高电压输出精度, 采用双D/ A 级联法。 即将DAC0832 ( 1 ) 的输出电压作为DAC0832 (2) 的参考电压,如图2 所示。

RFB和R 分别为DAC0832 内部反馈电阻和R-2R 电阻网络单元电阻,是确定的常数。 V _REF1 为DAC0832 (1) 的参考电压, 调试完毕后也为确定值,故K 为常数。 由上式可知,V 0 由DAC0832 (1)和DAC0832 (2) 的输入数字量共同决定。 通过改变DAC ( 1 ) 的数字量D₇ …D₀ , 即可改变DAC0832 (2) 的参考电压。 每当D₇ …D₀ 中改变一个单位数字量时,DAC0832 (2) 中就有256 个可改变的数字量,总共可改变的数字量为65 536个。因此,调整DAC (1) 的数字量D₇ …D₀ 即可改变DAC(2) 的参考电压,从而提高了精度。 在程序设计时,将D₇ …D₀ 、D′₇ …D′₀ 的值存放在映射寄存器R₆ 、R₅ 中。

电流扩展模块

在A 路输出电压中, 为获得较大的电流, 采 用OPA549 电流扩展。 OPA549 是一种高电压大电流功率运算放大器, 其双电源工作电压范围为±4～30 V ,连续输出电流为8 A ,峰值电流可达10 A ,且具有过热关闭功能。B 路中, 为了获得正负电压同步输出, 使用一片DAC0832 来控制数字调节, 将输出的电流经LM358 电压转换后得到的负电压、再次反相后得到的正电压分别作为LM337 、LM317 的基准控制电压。B ⁺ 、B ^- 路电压输出采用金属封装的LM317 和LM337 , 以保证输出电流大于1 A。

　PC 机串口通信

PC 机串口的电气性能是RS232 电平标准,与单片机TTL 电平不兼容,必须经过电平转换才能相互通讯。本模块选用MAX232CPE 芯片,实现了单片机与PC 机的通讯。该芯片的最大优点是单电源工作,内部自带电压泵,具有自动升压和电压极性变换能力,且电路简单,外围只需4 个小电容就可以完成所有功能,功耗也很低,性能稳定可靠。单片机侧的串行通信程序较为简单,PC 机侧的串行通信程序和“虚拟键盘”是采用VB 语言编写的,系统通过MSComm 控件实现串行通信的控制,因此界面友好,使用方便。

键盘/ 显示电路

键盘/ 显示装置主要由A T89C2051 单片机、译码驱动器、键盘、LED 显示器组成,如图3 所示。

考虑到本系统对键盘/ 显示的功能要求不多,以及在成本、功耗和体积等方面的因素,在设计过程中采用89C2051 单片机控制L ED 数码管动态显示和键值译码操作。采用串行方式与主控单片机交换信息,硬件及工艺设计简单,抗干扰能力强,避免了用传统的8279 芯片来控制键盘/ 显示所带来的线路复杂问题。

系统的软件设计

在设计软件时,从系统实用、可靠及方便使用几方面予以考虑,加入了开机自检功能。系统的软件主要由以下几大功能模块组成:数据通讯及处理模块;键盘/ 显示模块;中断服务模块。下面对部分程序模块作简单的介绍。

(1) 主机(A T89C51) 程序主要完成的工作:对系统的初始化;从EEPROM 中读取最近一次掉电前的电压值,电压数据传输采用虚拟I² C 总线来实现;接收来自键盘(或“虚拟键盘”) 的电压预置值,控制调整输出电压,同时循环采集各路输出电压,对输出电压是否超过范围进行检测;存储每次调整后的电压,如图4 所示。

　　(2) 主机AT89C51 的串行通信程序模块主要功能是发送显示数据,接收A T89C2051 或PC机发来的电压数据。AT89C2051 的主程序主要判断是否有键按下,并解出键码值。串行中断主要用于发送键码预置的电压数据、联机调试,对显示数据进行处理得到显示码放入对应地址。同时,电压显示采用定时中断实现。 AT89C2051 主程序、串行中断程序如图5 (a) 、(b) 所示。

样机实测指标

根据本文所讨论的方案,采用测试仪器Agilent 34401A 61/ 2 Digit Multimeter , FluckPM3394B 200 MHz Combiscope Inst rument 所测得的各路性能指标如下:

(1) A 路纹波电压(峰峰值) 4.7 mV ;

(2) A 路电压调整率为0.011 % ,负载调整率为0.05 %;

(3) A 路输出持续电流大于8.24 A ;

(4) B ⁺ 、B ^- 路纹波电压(峰峰值) 小于5 mV ;

(5) B ⁺ 、B ^- 路电压调整率为0.016 %,负载调整率为0.07 %;

(6) B ⁺ 、B ^- 路输出持续电流大于1.05 A。

　结束语

本文介绍的高精度数控直流电源,硬件电路结构简单。 在设计过程中将DAC 级联,用稳压性高的基准电源为参考电压,并增加了软硬件保护及抗干扰措施;将主机板、显示键盘面板和电源板分开设计,并加装大小适当的散热片,从而提高了系统的稳定性、可靠性。 本电源是一种较为理想的电源设备,非常适合于一般的科研工作以及大学、中学的实验教学使用。 通过PC 机的虚拟键盘控制,可实现对多台数控直流电源的监控,便于实验室教员对学员实验过程的统一管理。