基于DSP的鋁電磁鑄造磁場(chǎng)控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

0 引言
    鋁合金是重要的民用、戰(zhàn)略金屬材料，其力學(xué)性能與合金的晶粒尺寸和形態(tài)密切相關(guān)。但是未經(jīng)細(xì)化處理的結(jié)晶鋁合金晶粒粗大、柱狀晶發(fā)達(dá)、深拉性能差，嚴(yán)重影響其質(zhì)量。研究表明，在鑄造生產(chǎn)過(guò)程中，在鑄造區(qū)引入特殊的低頻復(fù)合電磁場(chǎng)，可有效地起到細(xì)化晶粒和改善鑄錠表面品質(zhì)的作用。
    針對(duì)鋁電磁鑄造特殊復(fù)合磁場(chǎng)的控制要求，根據(jù)前期研究和設(shè)計(jì)的鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋控制器在福建瑞閩鋁板帶廠的實(shí)際運(yùn)行情況，本文研究和設(shè)計(jì)了基于DSP(TMS320F2808)+單片機(jī)(C8051F410)+CPLD(EPM7128)的復(fù)合磁場(chǎng)控制器。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    復(fù)合磁場(chǎng)控制系統(tǒng)以DSP(TMS320F2808)為主控制處理核心，以單片機(jī)為專用人機(jī)接口控制核心，DSP和單片機(jī)之間采用同步串行SPI接口進(jìn)行通信；CPLD完成晶閘管觸發(fā)脈沖的形成，本文特別設(shè)計(jì)了采用高頻雙窄脈沖列的觸發(fā)方式；各模擬量的采集基于提高精度的考慮選用外擴(kuò)雙極性16位的AD。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    (1)系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)
    產(chǎn)生特殊復(fù)合磁場(chǎng)的電磁感應(yīng)裝置是鋁電磁場(chǎng)半連續(xù)鑄造的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)電磁半連續(xù)鑄造的特殊工藝要求，以及復(fù)合磁場(chǎng)感應(yīng)器的特殊結(jié)構(gòu)，選取了交一交變頻方式作為復(fù)合磁場(chǎng)控制器的變頻方式，同時(shí)設(shè)計(jì)了有別于傳統(tǒng)交一交變頻方式的主電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

    L、L‘是電磁感應(yīng)裝置內(nèi)部環(huán)繞在同一個(gè)鐵心上的兩個(gè)負(fù)載線圈(注意兩者之間沒有電氣連接)，VF組和VR組變流器均采用三相橋式全控整流。VF組工作時(shí)，線圈L中得到相應(yīng)的正半波電流，VR組工作時(shí)，線圈L‘中得到相應(yīng)的負(fù)半波電流。在同一鐵心上將兩者疊加則相當(dāng)于在負(fù)載線圈中引入了一個(gè)完整的電磁鑄造所需的特殊電流，從而最終獲得特殊的電磁場(chǎng)，達(dá)到控制目的。[!--empirenews.page--]
    (2)晶閘管觸發(fā)脈沖設(shè)計(jì)
    針對(duì)現(xiàn)在普遍采用的雙窄脈沖驅(qū)動(dòng)晶閘管的方法提出新的驅(qū)動(dòng)方案，采用高頻雙窄脈沖列來(lái)代替普通的雙窄驅(qū)動(dòng)脈沖，根據(jù)脈沖變壓器的能量傳輸理論，新方案?jìng)鬏斈芰啃矢?，可以大大?jié)省脈沖變壓器的體積。   
    常規(guī)的高頻雙窄脈沖列產(chǎn)生方法為使用雙窄脈沖去控制一個(gè)高頻振蕩器的輸出來(lái)獲得高頻雙窄脈沖列，此方法存在高頻雙窄脈沖列和雙窄脈沖的脈沖前沿不一致的缺陷，從而會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)角的不準(zhǔn)確，這在大功率晶閘管的驅(qū)動(dòng)控制中是需要改進(jìn)的。本文設(shè)計(jì)在利用CPLD產(chǎn)生雙窄脈沖的同時(shí)，通過(guò)一定的處理，變成高頻雙窄脈沖列，經(jīng)仿真和實(shí)踐，取得明顯效果。高頻雙窄脈沖列形成的原理框圖如圖3所示。

    (3)SCI轉(zhuǎn)RS485電路
    三路高速光電隔離(TLP113)是為了防止總線上的干擾信號(hào)竄入DSP控制器，提高系統(tǒng)通信的抗干擾能力。低功耗RS485半雙工收發(fā)器(SP3485)完成RS485通信接口電路。具體實(shí)現(xiàn)如圖4所示。圖中發(fā)光二極管用來(lái)顯示通信數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收狀態(tài)，RS485兩根輸出引線之間接一個(gè)120W的匹配電阻，并分別進(jìn)行一階低通濾波。需要注意的是光隔離器兩端的電源和地要絕對(duì)地絕緣，實(shí)現(xiàn)真正的隔離。

    (4)鐵電存儲(chǔ)和看門狗電路設(shè)計(jì)
    鋁電磁鑄造復(fù)合磁場(chǎng)控制器涉及到一系列參數(shù)的設(shè)置和保存，并且可能經(jīng)常被重復(fù)修改，此外，現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境惡劣，為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，必須外設(shè)系統(tǒng)看門狗。鑒于上面原因，選擇具有集串行非易失性存儲(chǔ)器(鐵電存儲(chǔ)器--無(wú)限制的讀寫次數(shù)，掉電數(shù)據(jù)保持10年)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷、低電壓復(fù)位、看門狗、快速的二線制串行接口(I2C)于一體的元器件FM31256。具體電路如圖5所示。

    在制作PCB板的時(shí)候，為了提高DSP和FM312561間通信的穩(wěn)定性和可靠性，兩者應(yīng)盡量靠近，I2C通信線盡可能短，并可考慮加一級(jí)低通濾波(100W，100p)。[!--empirenews.page--]
    (5)人機(jī)接口設(shè)計(jì)
    人機(jī)接口處理采用專門的單片機(jī)進(jìn)行管理，單片機(jī)與系統(tǒng)主控制核心DSP間采用SPI總線形式通信，編程簡(jiǎn)單且實(shí)現(xiàn)容易。單片機(jī)主要完成鍵盤掃描(參數(shù)的設(shè)置等)、液晶顯示(運(yùn)行檢測(cè)的參數(shù)顯示)功能。根據(jù)人機(jī)接口功能的需要，考慮性價(jià)比，選用新華龍推出的C8051F410單片機(jī)，顯示裝置則選擇北京青云公司的LCM128×64藍(lán)色背光液晶，按照總體設(shè)計(jì)規(guī)劃設(shè)置6個(gè)按鍵，采用矩陣式結(jié)構(gòu)即可。人機(jī)接口框圖如圖6所示。

1．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    (1)系統(tǒng)軟件架構(gòu)
    鑒于整個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)繁多，DSP各外設(shè)均被應(yīng)用，對(duì)處理的實(shí)時(shí)性要求比較高，并且DSP(TMS320F2808)平臺(tái)支持和能承載RTOS的開發(fā)，所以系統(tǒng)軟件采用mC／OS-II設(shè)計(jì)。mC／OS-II是一種源碼公開、可移植、可固化(ROMable)、可裁減(scalable)、可剝奪性(preemptive)、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)[3，5]。整個(gè)系統(tǒng)軟件分為兩步：a．μ C／OS-II到DSP移植；b．μC／OS-II平臺(tái)上軟件的編寫。μ C／OS-II到DSP移植只需要修改與處理器相關(guān)的OS_CPU．H、OS_CPU_C．C和OS CPU A．A三個(gè)文件的代碼，移植的工作量相對(duì)較小。由于μ C／OS-II是基于優(yōu)先級(jí)的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，因此，在進(jìn)行代碼編寫之前，應(yīng)先確認(rèn)系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)，每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)別，并為每個(gè)任務(wù)分配一定數(shù)量的堆棧空間以供運(yùn)行時(shí)調(diào)用。也就是說(shuō)，要首先對(duì)復(fù)合磁場(chǎng)控制系統(tǒng)軟件的各功能模塊進(jìn)行管理。

    根據(jù)復(fù)合磁場(chǎng)控制系統(tǒng)的特殊性，將控制軟件分為0～9十個(gè)級(jí)別，表1為軟件各功能模塊以及分別對(duì)應(yīng)的任務(wù)名稱、任務(wù)優(yōu)先級(jí)別。
    控制程序的流程是：首先進(jìn)行CPU及程序數(shù)據(jù)初始化；再進(jìn)行操作系統(tǒng)初始化，主要完成任務(wù)控制塊(TCB)初始化、TCB優(yōu)先級(jí)表初始化、TCB鏈表初始化、事件控制塊(ECB)鏈表初始化、空任務(wù)的創(chuàng)建等等；然后創(chuàng)建任務(wù)D TK ST，在任務(wù)D TK ST中再創(chuàng)建其他任務(wù)；最后啟動(dòng)多任務(wù)調(diào)度。在多任務(wù)調(diào)度開始后，啟動(dòng)時(shí)鐘節(jié)拍源開始計(jì)時(shí)，此節(jié)拍源給系統(tǒng)提供周期性的時(shí)鐘中斷信號(hào)，實(shí)現(xiàn)延時(shí)和超時(shí)確認(rèn)。當(dāng)時(shí)鐘中斷來(lái)臨時(shí)，系統(tǒng)把當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)掛起，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行中斷處理，判斷有無(wú)任務(wù)延時(shí)到期，若有，則使該任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，并把所有進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行比較，通過(guò)任務(wù)切換去執(zhí)行最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，若沒有別的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，則恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)繼續(xù)執(zhí)行原任務(wù)。任務(wù)之間通過(guò)信號(hào)量和消息郵箱進(jìn)行通信，任務(wù)和中斷之間通過(guò)消息郵箱進(jìn)行通信。
    在保證功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，增加了系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)。該任務(wù)功能是監(jiān)視系統(tǒng)其他任務(wù)的運(yùn)行。被監(jiān)視任務(wù)在其即將運(yùn)行完畢時(shí)監(jiān)視任務(wù)發(fā)送消息說(shuō)明自身運(yùn)行正常。被監(jiān)視任務(wù)運(yùn)行時(shí)，監(jiān)視任務(wù)等待被監(jiān)視任務(wù)給它發(fā)送消息，等待時(shí)間被設(shè)定為預(yù)計(jì)的任務(wù)正常運(yùn)行所需的最大時(shí)間。若等待時(shí)間內(nèi)監(jiān)視任務(wù)收到消息，則認(rèn)為發(fā)送消息的任務(wù)運(yùn)行正常，依照各任務(wù)執(zhí)行順序的開始運(yùn)行下一任務(wù)，監(jiān)視任務(wù)等待下一任務(wù)發(fā)送的消息。若等待時(shí)間已過(guò)，監(jiān)視任務(wù)仍未收到消息，則系統(tǒng)的時(shí)間管理函數(shù)將強(qiáng)行把監(jiān)視任務(wù)視為就緒狀態(tài)。因?yàn)楸O(jiān)視任務(wù)的優(yōu)先權(quán)是最高的，它將搶占對(duì)CPU的控制權(quán)并采取相應(yīng)的糾錯(cuò)方案以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。[!--empirenews.page--]
    (2)人機(jī)接口程序設(shè)計(jì)
    人機(jī)接口包括單片機(jī)初始化、鍵盤掃描子程序、LCD子程序、SPI通信子程序。具體軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖7所示。LCD與單片機(jī)之間采用串行通信方式，針對(duì)LCD自身獨(dú)特的串口通信協(xié)議，單片機(jī)利用I／O口模擬此協(xié)議，各數(shù)據(jù)線為提高通信穩(wěn)定性和抗干擾能力均進(jìn)行了一階低通濾波處理(100W，100p)。在實(shí)際的鍵盤掃描程序里進(jìn)行了軟件防抖處理。

    (3)高頻雙窄脈沖列軟件設(shè)計(jì)
    針對(duì)高頻雙窄脈沖列的具體要求和前面設(shè)計(jì)的原理框圖，通過(guò)QuartusII軟件平臺(tái)，采用VHDL語(yǔ)言編程分別構(gòu)造定時(shí)計(jì)數(shù)器、2選1開關(guān)(初始狀態(tài)輸出‘1‘)、邏輯與門三個(gè)功能模塊并按原理圖連接，仿真結(jié)果能很好地達(dá)到所要求的前沿一致，仿真波形如圖8所示。將所設(shè)計(jì)的程序下載到CPLD(Altera開發(fā)板)里面分別利用模擬示波器和虛擬儀器觀察，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。虛擬儀器觀察波形如圖9所示。(仿真波形中：Duble clk-雙窄脈沖；out_serial-高頻雙窄脈沖列；虛擬儀器波形中；黃色線(下)-雙窄脈沖；綠色線(上)-高頻雙窄脈沖列。)

2 結(jié)語(yǔ)
    本文針對(duì)鋁電磁半連續(xù)鑄造特殊復(fù)合磁場(chǎng)的控制要求，在鋁電磁快速連續(xù)鑄軋復(fù)合磁場(chǎng)控制器的基礎(chǔ)上(已在福州瑞閩鋁板帶廠運(yùn)行)，設(shè)計(jì)了改進(jìn)的磁場(chǎng)控制器。雙核(DSP+單片機(jī))的處理形式，便于整體功能的實(shí)現(xiàn)和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠性。利用CPLD實(shí)現(xiàn)大功率晶閘管的觸發(fā)脈沖方式一高頻脈沖列，穩(wěn)定性高、應(yīng)用靈活。鑒于特殊復(fù)合磁場(chǎng)控制器工作環(huán)境的惡劣，在PCB板的制作上充分考慮EMC和EMI的處理措施，如A／D信號(hào)分開、電源模塊的良好設(shè)計(jì)和管理、大／小信號(hào)的分開、A／D采樣信號(hào)線的處理、I/O的光電隔離等，經(jīng)過(guò)測(cè)試，效果良好。