基于LPC2119的配電控制模塊設(shè)計(jì)

　　火箭炮配電箱在火箭炮作戰(zhàn)任務(wù)完成過程中起著極其重要的作用，它主要對(duì)火箭炮的高低和方向調(diào)炮及左右千斤頂放列、撤收進(jìn)行配電控制。目前，火箭炮配電箱使用的控制器件仍是傳統(tǒng)的接觸器，這類器件觸點(diǎn)在切換過程中極容易出現(xiàn)觸點(diǎn)發(fā)熱、粘接、卡死，造成配電動(dòng)作失敗，存在故障隱患時(shí)難以發(fā)現(xiàn);同時(shí)，配電箱為減小大功率電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流，采用串聯(lián)啟動(dòng)電阻限流的方法，當(dāng)電機(jī)過載時(shí)，極易燒壞啟動(dòng)電阻，造成配電箱無法工作，這些問題嚴(yán)重影響了配電箱的可靠使用，直接影響火箭炮作戰(zhàn)任務(wù)的完成?；诖?，亟需改進(jìn)火箭炮現(xiàn)有配電箱，設(shè)計(jì)新型智能配電箱來解決現(xiàn)有配電箱存在的問題，使火箭炮配電朝著自動(dòng)化和智能化方向轉(zhuǎn)變。配電控制模塊是智能配電箱的控制單元，本文基于LPC2119設(shè)計(jì)配電控制模塊。

　　配電控制模塊總體設(shè)計(jì)

　　智能配電箱主要由配電控制模塊、智能配電模塊、CAN總線通信模塊和LIN總線通信模塊等組成。配電控制模塊是智能配電箱的控制單元，主要負(fù)責(zé)管理智能配電模塊，監(jiān)控用電負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)通過雙CAN冗余通道與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)火箭炮配電箱的數(shù)字化、智能化管理。配電控制模塊結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，它以嵌入式微處理器LPC2119為控制核心，主要由CAN收發(fā)器、LIN收發(fā)器、輸入接口、輸出接口和電源模塊等組成。

　　圖1配電控制模塊結(jié)構(gòu)組成圖

　　配電控制模塊選用ARM7TDMI版本的LPC2119微處理器作為控制核心，該微處理器將許多外圍功能集成到了芯片內(nèi)部，性價(jià)比高;選用存儲(chǔ)器FM24C64存儲(chǔ)智能配電模塊的配置參數(shù)信息;配電控制模塊各種通信接口由專用的接口芯片來負(fù)責(zé)處理;CAN總線接口主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行信息交互，LIN總線接口主要負(fù)責(zé)控制和管理智能配電模塊;串口部分主要預(yù)留系統(tǒng)升級(jí)、信息配置、讀取及修改等。

　　配電控制模塊上電后，從存儲(chǔ)器中讀取配電箱配置信息，根據(jù)信息對(duì)智能配電模塊進(jìn)行核對(duì)和識(shí)別，完成信息分配初始化工作;實(shí)時(shí)掃描智能配電模塊輸出電流、電壓和溫度參數(shù)，響應(yīng)CAN總線顯示控制命令，上傳配電箱工作狀態(tài)信息至上位機(jī)。配電控制模塊主要性能包括：①通訊協(xié)議采用CAN 2.0B，具有兩路CAN通訊接口，實(shí)現(xiàn)CAN總線的冗余備份;②具有LIN通訊接口，通訊協(xié)議采用LIN 2.0，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有智能配電模塊的控制;③自動(dòng)識(shí)別智能配電模塊，進(jìn)行模塊參數(shù)自動(dòng)下載，方便快速更換、維修智能配電模塊;④上位機(jī)通過CAN總線可以訪問配電控制模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能配電箱的維護(hù)和檢修;⑤微處理器通過CAN總線可以上傳配電狀態(tài)參數(shù)和配電箱故障信息等。

　　微處理器LPC2119選型

　　嵌入式微處理器是配電控制模塊的核心部件。本文在綜合考慮CAN總線和LIN通信要求，以及處理器性價(jià)比、功能完善等方面因素的基礎(chǔ)上，選擇Philips公司的LPC2119微處理器作為配電控制模塊的核心。LPC2119是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S核，并帶有128K片內(nèi)FLASH、16K SRAM、雙CAN總線控制器、片內(nèi)Boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)ISP和IAP、2個(gè)UART通用串口等。LPC2119滿足本設(shè)計(jì)對(duì)存儲(chǔ)、CAN總線和LIN總線的收發(fā)以及參數(shù)設(shè)置等需求，并且雙CAN總線控制器為系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)提供了方便，LPC2119將處理器內(nèi)核與CAN控制器模塊集成在一起，增強(qiáng)了該芯片的功能，不僅使CAN總線的通訊具有更高的可靠性，而且在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)不需再考慮選用何種CAN控制器，只需增加CAN收發(fā)器即可實(shí)現(xiàn)CAN總線通信，簡化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。

　　存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)選用存儲(chǔ)器FM24C64存儲(chǔ)智能配電模塊的配置參數(shù)信息，F(xiàn)M24C64是采用先進(jìn)的鐵電技術(shù)制造的64K位非易失性存儲(chǔ)器。鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器(FRAM)具有非易失性，且可以像RAM一樣快速讀寫，數(shù)據(jù)在掉電后可以保存十年，相比EEPROM或其他非易失性存儲(chǔ)器，F(xiàn)RAM具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)。與EEPROM系列不同的是，F(xiàn)M24C64以總線速度進(jìn)行寫操作，無須延時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)到FM24C64后直接寫到具體的單元地址，下一個(gè)總線操作可以立即開始。FM24C64可以支持1萬億次讀寫次數(shù)，是EEPROM的1百萬倍。

　　FM24C64非易失性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器的特性包括：①工作電壓為5V;②動(dòng)態(tài)工作電流為150μA;③總線速度可以達(dá)到1MHz;④可以直接替換EEPROM;⑤向上兼容100K和400K總線速度。這些特性使得FM24C64滿足配電控制模塊非易失性要求，使存儲(chǔ)具有更快的寫操作速度和更少的系統(tǒng)開銷。FM24C64采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兩線接口，8腳SOP封裝，操作溫度范圍為-40℃~+85℃。配電控制模塊采用鐵電存儲(chǔ)器FM24C64(8KB)，主要是作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，F(xiàn)M24C64與LPC2119的電路連接如圖2所示。

　　圖2 FM24C64與LPC2119的電路連接圖

　　圖3 MAX3232與LPC2119的電路連接圖

　　RS232通信接口電路設(shè)計(jì)

　　RS232標(biāo)準(zhǔn)是美國電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與終端或外設(shè)之間的近端連接。實(shí)際工作時(shí)，為了能夠與TTL器件連接，必須在RS232與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換;輸出、輸入信號(hào)都要分別經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后才能送到連接器或從連接器上接收。本配電控制模塊選用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，MAX3232芯片與LPC2119的電路連接如圖3所示。LPC2119內(nèi)部集成2個(gè)的通用異步收發(fā)器UART單元，提供了兩個(gè)獨(dú)立的異步串行I/O口。MAX232內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，只需3.3V電源便可實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS232電平的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)簡單、可靠性高。

　　CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

　　CAN控制器是CAN通信的核心，CAN的通信底層協(xié)議的轉(zhuǎn)換主要由CAN控制器和CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)。對(duì)于不同型號(hào)的CAN總線通信控制器，實(shí)現(xiàn)底層協(xié)議部分的電路結(jié)構(gòu)和功能基本相同，而與微處理器接口部分的結(jié)構(gòu)和方式存有不同。

　　在本配電控制模塊的CAN總線通信接口中采用CTM1050T總線接口模塊。CTM1050T為隔離型CAN收發(fā)器模塊，內(nèi)部包含隔離電路、CAN收發(fā)器、總線保護(hù)和電源電路，CTM1050T主要是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，且具有隔離功能、ESD保護(hù)功能以及TVS管防總線過壓功能。CTM1050T是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。CAN總線接口電路如圖4所示，LPC2119與CTM1050T模塊構(gòu)成的CAN節(jié)點(diǎn)具有設(shè)計(jì)簡單、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)CAN總線上各節(jié)點(diǎn)在電氣、電源上完全隔離和獨(dú)立。由圖4可知，在設(shè)計(jì)過程中CTM1050T與CAN總線的接口部分采用了一定的安全和抗干擾措施。為了保護(hù)CTM1050T免受過流的沖擊，CTM1050T的CANL和CANH引腳各自通過一個(gè)5Ω的電阻和濾波電感與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用;為了濾除總線上的高頻干擾和預(yù)防電磁輻射，CANL和CANH與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30P的小電容。當(dāng)CAN總線有較高的電壓時(shí)，通過二極管的瞬態(tài)擊穿可起到一定的過壓保護(hù)作用，因此，在兩根CAN總線接入端與地之間分別反接了一個(gè)保護(hù)二極管。CTM1050T模塊的TXD、RXD引腳兼容+3.3V、+5V的CAN控制器，不需外接其他元器件，直接將+3.3V或+5V的CAN控制器發(fā)送、接收引腳與CTM1050T模塊的發(fā)送、接收引腳相連接。

　　圖4 CAN總線接口電路圖

　　LIN總線接口電路設(shè)計(jì)

　　在配電控制模塊的LIN總線通信接口中采用TJA1020作為總線數(shù)據(jù)收發(fā)器件，TJA1020收發(fā)器是LIN傳輸媒體之間的接口協(xié)議控制器和LIN主機(jī)/從機(jī)協(xié)議控制器，配電控制模塊充當(dāng)LIN網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)，通過UART1串口連接到LIN收發(fā)器TJA1020，然后再由TJA1020連接到LIN物理總線上。TJA1020輸入引腳TXD的發(fā)送數(shù)據(jù)流被LIN收發(fā)器轉(zhuǎn)換成總線信號(hào)并且電平翻轉(zhuǎn)速率和波形都受到限制，以減少電磁輻射。TJA1020的接收器檢測(cè)到LIN總線上的數(shù)據(jù)流并通過RXD引腳將它傳送到協(xié)議控制器。LIN收發(fā)器TJA1020的主要特性是：①波特率最高達(dá)20kbps;②高抗電磁干擾性，極低的電磁發(fā)射;③未通電狀態(tài)下的無源特性;④在睡眠模式下電流消耗極低，可實(shí)現(xiàn)本地或遠(yuǎn)程喚醒;⑤短路保護(hù)和過熱保護(hù)等。本設(shè)計(jì)采用LPC2119處理器的UART1作為LIN總線通訊接口，選用TLP113高速光耦進(jìn)行信號(hào)隔離傳輸，LIN總線接口電路如圖5所示。

　　圖5 LIN總線接口電路圖

　　圖6 +15V控制電源電路圖