基于高性能嵌入式網絡化技術的脈沖電鍍電源設計

徐麗春

XU Li-chun

（遵義職業技術學院 機電工程系，遵義 563000）

0 引言

脈沖電鍍是20世紀60年代發展起來的一種電鍍技術，脈沖電鍍主要特點是能改善鍍層結構，使鍍層平滑、細致，降低鍍層孔隙率和內應力，同時提高鍍層抗蝕性、韌性及耐磨性，從而獲得成分穩定的合金鍍層[1,2]。

在工業電鍍生產中，脈沖電鍍電源主要用于觸點類小零件的恒流鍍金工序，對鍍層質量要求高。目前工業現場常用的是數控雙脈沖方波電鍍電源，該雙脈沖電源具有脈沖、電流等參數的設置、顯示功能，但沒有電流及脈沖的實時監控功能，因而無法保證輸出參數的精度，且由于電鍍現場環境惡劣，腐蝕性強，對于具有很多設置開關以及裸露器件的儀器設備非常不利，如在工藝過程中儀器發生故障，不但無法保證電鍍質量，同時會造成不小的損失（零件報廢和鍍金成本損失）。

近幾年來，隨著以高性能嵌入式微處理器及嵌入式操作系統為代表的嵌入式技術的飛速發展，為脈沖電鍍電源的設計提供了一種全新的思路，采用這些先進的技術方法設計具有較高智能化水平的脈沖電鍍電源，實現對輸出脈沖電流、脈沖寬度等參數的實時監測與控制，從而提高系統控制精度，并大幅度提升設備的可靠性，從而減少因設備故障造成的質量問題及成本損失。同時，依托高性能嵌入式系統的強大網絡功能，可方便構建工業控制網絡，實現對多臺設備的網絡化控制與管理。

1 脈沖電源系統結構

脈沖電源主要由可調恒流源和脈沖電源監控系統組成，其中脈沖電源監控系統包含電流斬波器、脈沖電源中央控制器和控制面板等，系統原理框圖如圖1所示。

圖1 脈沖電源系統原理框圖

在圖1所示的結構中，可調恒流源用于提供電鍍電流，根據不同零件電鍍工藝要求可進行不同電流的設定，工作輸出直流電流為30A，開路電壓最大12V。

電流斬波器采用大功率MOS管對恒流源輸出的直流電流進行斬波，通過脈沖電源中央控制器發出的斬波驅動脈沖信號控制MOS管的通斷，達到電流以脈沖方式輸出的目的，改變控制器輸出驅動脈沖信號的占空比即可實現不同需求的脈沖電流或占空比輸出。

控制面板包含輸出電流顯示控制儀表、輸出電流脈沖占空比選擇開關、輸出脈沖狀態指示和輸出脈沖電流狀態指示等，用于實現系統參數的設定及顯示系統工作狀態。

脈沖電源中央控制器是脈沖電鍍電源的核心控制系統，是由32位高性能嵌入式微處理器、斬波脈沖發生器、脈沖整形驅動電路、脈沖電流采樣、脈沖寬度采樣等部件組成一個完整的智能控制系統?？刂葡到y根據用戶的設定輸出對應的斬波驅動脈沖，同時對輸出的驅動脈沖和電流脈沖反饋信號進行實時監測處理，達到智能監控脈沖電鍍的目的。

2 基于高性能嵌入式網絡化技術的中央控制器設計

近幾年來，隨著以嵌入式微處理器及嵌入式操作系統為核心的嵌入式技術飛速發展，為智能系統的設計提供了一種全新的思路。其中，32位ARM架構的嵌入式微處理器具有高性能、低功耗、低成本、小體積的特點，可滿足對智能化程度要求較高的系統應用需求。

軟件系統是智能系統的核心，以嵌入式操作系統為基礎的軟件系統的引入，可大幅度提高設備的智能化水平。在該脈沖電鍍電源的設計中，中央控制器以32位ARM處理器為硬件平臺，運行eCos嵌入式實時操作系統，通過對輸出電壓、電流信號的實時監控及運算處理，輸出相應控制信號，可靠實現系統的整體功能，并可依托系統強大的網絡功能，構建工業控制網絡，方便實現對多臺電鍍設備的遠程監控與管理。

圖2 中央控制器硬件結構

2.1 系統硬件組成

根據脈沖電鍍的工藝過程及系統特點，中央控制器硬件平臺采用基于ARM Cortex-M3內核的高性能嵌入式微處理器STM32F207，該處理器較高的運算能力和儲存能力，足以支持復雜嵌入式操作系統系統的運行，且具有非常豐富的外圍接口，可很好的實現對電壓、電流信號的采集與檢查，以及輸出相應的控制信號。同時，強大的網絡功能可非常方便的支持組建工業控制網絡。中央控制器硬件結構如圖2所示。

圖3 eCos嵌入式實時操作系統程序流程圖

在圖2所示的系統結構中，STM32F207為意法半導體（ST）推出的基于ARM Cortex-M3內核的高性能嵌入式微處理器，運行頻率為120MHz，可實現150DMIPS的處理能力。同時，該處理器內部集成高達1MB Flash存儲器和128KB SRAM存儲器，作為程序存儲及運行空間，強大的運算能力和大容量的存儲器，足以支持復雜嵌入式操作系統系統的運行。

在本系統的設計中，需要對電壓及電流信號進行監控，信號采集的精度及實時性對系統的性能有至關重要的影響，STM32F207所具有的優秀的實時性能及豐富的接口功能，可很好的實現系統需求。

在一個典型的脈沖電鍍車間，通常安裝有多臺設備電鍍設備，傳統的脈沖電鍍電源均不具備網絡功能，無法實現多臺設備的遠程控制與管理。STM32F207內嵌的10/100Mbps自適應工業以太網接口，為系統功能的擴展提供了充分的基礎，通過該網絡接口，組建基于工業以太網技術的網絡化控制系統，可方便實現對多臺設備的網絡化控制與管理，以及工藝過程數據的遠程傳輸。

2.2 系統軟件編程及eCos操作系統的特點

為充分發揮高性能硬件平臺的各種優異特性，軟件系統采用eCos嵌入式實時操作系統，并在該軟件平臺上實現系統所要求的各種功能。程序流程圖3所示：

eCos（Embedded Configurable Operating System ，嵌入式可配置操作系統）是一個非常優秀的嵌入式實時操作系統解決方案，除了具有本設備所要求的良好的實時特性以外，還具有高度可配置能力。為實現這一目標，它將系統分為不同的軟件組件，這些軟件組件具有可重用性，根據實際應用的需要，通過其獨特的配置工具可以選擇使用相應的組件，同時對每一個選擇使用的組件，用戶還可以對每個選項進行更細致的配置，可以增加或刪減組件的某些功能，從而實現完整的嵌入式操作系統。使用這種方式最后產生可執行的 eCos 映像文件非常緊湊，只包含應用所需的特定功能，這樣使得 eCos 系統與許多傳統的實時操作系統相比較，其運行速度更快，穩定性更高。

eCos所具有的如下三個特點，非常適合于本系統的應用需求：

1）可搶占的硬實時內核

eCos的調度內核是一個嵌入式硬實時內核，并在調度策略選擇、防止優先級反轉、中斷與異常的處理模式、中斷處理的最短延遲，以及內存分配方式等方面都做了許多精巧的設計，使其在系統的實時性能上有非常良好的表現，因而可以很好的滿足本系統在電壓與電流監控，以及輸出控制信號方面的實時性要求，從而提高系統的整體性能。

2）良好的軟件支持

eCos支持ISO標準C庫和math庫，兼容各種常見C函數和數學函數調用，其應用程序具有良好的穩定性、可維護性及可移植性。

3）完整協議棧支持

eCos支持完整的TCP/IP協議棧，以及上層的各種常用標準協議，便于嵌入式設備的網絡連接。eCos的該性能結合STM32F207所提供的10/100Mbps自適應工業以太網接口，非常完美的實現了工業現場的多臺設備的網絡化控制。

3 結束語

以高性能嵌入式微處理器及嵌入式操作系統為代表的嵌入式技術的飛速發展，給各種智能系統的設計、開發及應用，帶來了全新的思路，具有廣闊的應用前景。本文將最新發展起來的高性能嵌入式技術與傳統脈沖電鍍工業生產過程相結合，提出一種新的脈沖電鍍電源設計方法，與傳統的設備相比較，除具有更高的精度、穩定性及安全性的特點，同時具有先進的網絡控制功能?？稍谏a過程中減少設備的維護成本和過程控制成本，提高產品質量，降低廢品率，具有傳統脈沖電鍍無可比擬的優勢。

[1]黃子勛,吳純素.電鍍理論[M].中國農業機械出版社,1982.

[2]向國樸.脈沖電鍍的原理與應用[M].天津科學技術出版社,1989.

[3]李駒光.嵌入式LINUX系統開發詳解[M].清華大學出版社,2006.