基于STM32F103的数字式电镀电源并联均流系统设计

摘要：为了实现大功率数字式电镀电源，提出了一种基于ARM芯片STM32F103的数字式电镀电源并联均流系统设计方案，并完成系统的软硬件设计。该系统采用STM32F103作为主控芯片，通过CAN总线控制多个电源模块并联工作并使其电流平均，达到大功率输出的目的。系统具有多种工作模式和外设接口，人机界面友善。实际应用表明，系统工作稳定，达到设计要求。
关键词：电镀电源；并联均流；STM32F103；CAN总线

STM32系列处理器是由意法半导体ST公司生产、基于ARM公司Cortex-M3内核的MCU，专门为微控制系统、汽车控制系统、工业控制系统和无线网络等嵌入式应用领域而设计，具有高性能、低功耗、高集成度、丰富且性能出众的片上外设、编程复杂度低等优点。数字式电镀电源并联均流系统以数字通信和控制的方式实现多个电源模块的并联工作，提供更大的输出功率，具有组合灵活、可靠性高、人机接口友善、工作模式多样等优点。本文采用STM32F103VET6处理器作为主控芯片，实现了一种以CAN总线为通信媒介、具有稳压／稳流／安培时／工艺曲线／远程控制5种工作模式、液晶图形显示的数字式电镀电源并联均流系统(以下简称“并联均流系统”)，给出了系统主要软硬件的详细设计方案。

1 总体设计
并联均流系统由主控模块和功率模块组成，如图1所示。主控模块和功率模块间以高效和高可靠性的CAN总线为通信媒介。主控模块完成人机交互和整机的运行监控。每个功率模块实质为单个电源模块，按照主控模块的指令以稳压或稳流的方式工作。系统在稳流工作方式下，主控模块将设定工作电流均匀分配给每个功率模块，功率模块根据分配电流控制本模块以稳流方式运行，从而实现系统稳流和均流。系统在稳压工作方式下，主控模块指定一个功率模块为主模块，其余为从模块。主模块按照主控模块给定的电压以稳压方式工作，实现系统稳压。同时主控模块获取每个功率模块的电流，计算平均电流并分配给从模块，从模块按照平均电流以稳流方式工作，实现系统均流。在稳流或稳压工作的基础上，安培时模式下主控模块统计工作安培时数，当达到设定安培时数时进行加药控制。工艺曲线模式下主控模块控制系统按照设定的稳压或稳流工作曲线工作。远程控制模式下，上位机通过与主控模块通信完成对系统的运程监控。

2 系统硬件设计
2．1 主控芯片STM32F103VET6
STM32F103VET6属于STM32F103增强系列处理器，具有更多片内RAM和外设，具体特性如下：
1)采用基于哈佛架构的3级流水线内核Cortex-M3，具有单周期乘法、硬件除法特性，最高工作频率72 MHz，运算速度高达1．25DMips ／MHz。
2)内置高速存储器，高达512 k字节的闪存和64 k字节的SRAM。
3)多达80个快速多功能双向I／O口，所有I／O口可以映射到16个外部中断；几乎所有端口均可容忍5V信号。
4)多达11个定时器，包括4个16位通用定时器、2个16位带死区控制的PWM高级控制定时器、2个看门狗定时器、系统时间定时器、2个用于驱动DAC的16位基本定时器。
5)多达13个通信接口，包括2个I2C接口、5个USART接口、3个SPI接口、CAN接口、USB2．0全速接口、SDIO接口。
6)3个12位A／D转换器，1μs转换时间(多达21个输入通道)和2通道12位D／A转换器。
STM32F103VET6出色的性能和丰富的资源使得几乎不需要扩展外围电路就能完全满足设计要求，使硬件设计大为简化。执行速度和内存容量完全满足主控模块的多任务实时应用。如图1所示，主控模块设计使用STM32F103VET6的CAN、USART、USB等通信接口，CAN用于和功率模块通信，2个USART分别用于微型打印机和485通信(上位机通信)，USB用于笔记本现场配置电源系统参数。主控模块人机界面中的LCD、按键、LED指示、蜂鸣器以及加药开关，均通过GPIO连接，共计34个。
2．2 CAN通信模块
CAN通信模块是系统中最关键的通信模块，由CAN控制器、光耦隔离和CAN总线驱动器组成(见图1)。CAN控制器集成于STM32F103VET6内部，完全支持CAN协议2．0A和2．0B，波特?最高可达1兆位／秒。控制器内部集成3个优先级可配置的发送邮箱、2个3级深?的接收FIFO、14个位宽可变的过滤器组和灵活的中断管理，可以高效地完成主控模块与多个功率模块间的大量通信。

光耦隔离和CAN总线驱动器电路如图2所示。CAN-TX和CAN-RX是与CAN控制器相连的发送数据线和接收数据线。由于系统输出功率大，电磁干扰强，采用高速光耦6N137将CAN控制器与CAN总线隔离。MCP2551是一个可容错的高速CAN总线驱动器，作为CAN控制器和物理总线的接口。
2．3 LCD模块
LCD模块是人机界面的主要组成部分。用LCD代替传统的数码管，可以应用图形交互界面，使人机交互方便友善。系统采用240x128图形点阵STN液晶模块ZLG240128A，该模块采用RA6963控制器，内建256-word的ROM字形产生器，可以显示英文字型、数字符号等字母，并支持最大64 kByte的外部显示内存(Display RAM)，具有文字显示模式、绘图显示模式及混合显示模式。LCD接口电路如图3所示，左侧LCD控制和数据线与5 V容忍GPIO连接。LCD模块的工作电压为5 V，而STM32F103VET6的输出电压为33 V，因此使用10 k排阻Rp1、Rp2作为上拉电阻，并使用GPIO的开漏模式。可变电阻VR1用于背光亮度调节。