DMA05－48／100型整流模塊控制芯片替換硬件設計與實現

石俊杰，郝 磊

（中國人民解放軍63981部隊，湖北 武漢430031）

0 引 言

近20年來，通信電源已經完成了從可控硅相控整流設備到開關型整流模塊的換代，發展成為現在的智能型高頻開關整流模塊。同時，國內通信電源領域的競爭日趨激烈，已演變成以廠商實力、電源技術、成本價格以及售后服務的全方位競爭。在這種情況下，通信開關整流模塊在控制技術方面也有了極大的改進，從模擬控制方式轉變為數字控制方式，原來體積大、功耗高的產品也逐漸智能化、模塊化、功耗降低。

開關電源的功率密度越來越大，效率越來越高，智能化和數字化程度不斷提升，銷售價格卻一直在下降。在這種大環境下，一方面為了適應當前的市場競爭，全面滿足用戶產品性能需求；另一方面單片機更新換代速度加快，原來設計使用的可編程控制器芯片已經停產，如果沒有新的芯片進行替換，將直接影響高頻開關整流模塊的量產，有必要立即對高頻開關整流模塊的單片機進行升級替換設計，以期達到提高性能，增加可靠性、穩定性，降低產品的器件成本和制造成本，全面打造競爭價格優勢的目的。而單片機在高頻開關整流模塊里處于十分重要的控制地位，因此它也是整流模塊設計的重點與難點之一。

1 DMA05－48／100型整流模塊

DMA05－48／100型整流模塊是武漢普天電源公司從RT公司引進技術生產的，主要用于大型程控交換機房。該型號整流模塊的最大亮點是引進了DSP的全新設計理念，不同于RT公司以前的老產品，DSP芯片采用美國德州儀器主流的TMS320LF2406A，此芯片具有很強的數字處理能力、功耗低等特點。基于DSP的設計使模塊工作效率更高，穩定性更強，可靠性更好，并且體積只有原來老產品的一半，制造成本大大降低。DMA05－48／100型整流模塊具有以下特點：

（1）超寬的輸入電壓范圍，更能適應惡劣電網環境；

（2）超大功率密度，單個整流模塊高度僅2U；

（3）更高的效率和功率因數。

但是隨著時間的推移，DMA05－48／100型整流模塊的次級控制芯片Intel87C196KB已經停產，必須采用新的控制芯片進行相應的替換，保證DMA05－48／100型整流模塊繼續生產以供應市場的需要。

根據DMA05－48／100型整流模塊次級控制的特點、生產成本、芯片的后續維護升級，以及還需要兼容目前現有的控制板測試臺、整機測試臺、最終測試臺等，經過選型與比較，最終采用Atmel公司的AT－mega325P－20AU芯片進行替換。

本文通過對控制芯片Intel87C196KB和AT－mega325P－20AU進行分析與比較，提供完整的芯片替換解決方案。

2 芯片選型比較

2．1 Intel87C196KB

Intel87C196KB是Intel公司于20世紀80年代末推出的16位單片機，是當時具有最高性能的單片機之一，其主要性能特點如下：

（1）16位CPU，使用寄存器－寄存器結構，CPU直接面向寄存器，提高了操作速度和數據吞吐能力。

（2）高效的指令系統。

（3）10位A／D轉換器和PWM輸出。

（4）全雙工串行口和5個8位標準輸入／輸出口。

（5）2個16位定時器和9個中斷源。

Intel87C196KB廣泛應用于武漢普天電源公司的電源產品，但是隨著時代的發展，各種性能更先進的單片機層出不窮，其劣勢表現的越來越明顯：

（1）Intel87C196KB芯片目前已經停產多年，市場上的價格越來越高，難以購買。

（2）不具備可編程可擦除的Flash空間，程序一旦燒錄，無法進行重復燒錄，對生產燒錄的要求比較高。

（3）該芯片僅支持匯編語言，不支持目前流行的C語言，且不具備在線仿真調試的功能，對于程序的編寫、調試與維護的要求比較高。

綜上所述，在考慮器件成本與芯片整體替換功能的情況下，選擇Atmel公司的8位CPU Atmega325P－20AU作為替代產品。

2．2 Atmega325P－20AU

CPU Atmega325P－20AU的性能特點如下：

（1）高性能、低功耗的8位AVR單片機。

（2）先進的RISC結構，130條指令，執行時間為單個時鐘周期。

（3）10位A／D轉換器和四通道的PWM輸出。

（4）兩個可編程的串行USART和54個可編程的I／O口。

（5）兩個8位和一個16位具有獨立預分頻器、比較功能、捕捉功能的定時器／計數器。

Atmega325P－20AU芯片的優勢表現為：

（1）價格便宜，市場上易于購買，而且Atmel公司能夠提供芯片Pin－To－Pin的升級，方便以后進行相應的維護。

（2）數字信號處理的精確度和速度高。

（3）具有32K字節的系統內可編程Flash，具有10萬次的擦寫壽命。內部具有1K字節的EEPROM和2K字節的SDRAM，同樣具有10萬次的擦寫壽命，方便生產時進行相應的燒錄。

（4）同時支持匯編語言和流行的C語言，能夠使用標準的JTAG口和ISP口進行燒錄，同時支持JTAG口進行在線仿真調試，方便程序的編寫、調試與維護。

（5）可以對加密位進行編程以實現用戶程序的加密，保護知識產權。

3 硬件替換設計思路、原理和方法

對DMA05－48／100型整流模塊單片機芯片替換設計的原則主要是采用不改變CPU外圍電路和PCB設計布局情況下，達到簡潔、易入、兼容的設計效果。在原CPU的位置嵌入新芯片，這樣新控制板的接口采用兼容性設計，做到調試和裝配與原來的控制板一樣，在不改變任何外部硬件環境情況下有利于立即批量生產，并且兼容目前現有的DMA05－48／100型整流模塊測試臺。

DMA05－48／100型整流模塊主要由交流輸入濾波板、初級功率主板、次級功率主板、主控制板等單元組成。DMA05－48／100型整流模塊的核心技術部件是主控制板，其PCB上的大部分器件用的是表面貼元件，密度和技術含量都非常高。主控制板主要由初級DSP控制電路、次級CPU控制電路、有源濾波控制電路、輔助電源電路等組成。

DMA05－48／100型整流器模塊控制主板組成原理框圖如圖1所示。

圖1 控制主板組成原理框圖

其中初級DSP控制芯片TMS320LF2406A和次級CPU控制芯片是最重要的、最關鍵的核心部件。初級DSP控制芯片根據輸入的三相電壓幅值、波形、三相電壓是否平衡和次級電路控制CPU送出的SMROFF、CONTROL信號等條件，發出控制DMA05－48／100型整流模塊初級電路的IGBT管的PWM信號，同時向次級電路CPU送出Primary＿OK工作正常信號，使次級電路CPU檢測到初級DSP控制芯片工作正常時才能進行相應的次級控制工作。次級電路控制CPU芯片主要是控制次級電路的VDEM、IDEM、告警狀態、風扇控制、數碼管電流顯示等信號和狀態并且與監控模塊建立相應的數據通信。

3．1 Intel87C196KB芯片電路原理

原來Intel87C196KB芯片承接處理模擬和數字信號很多，其電路基本原理如圖2所示。

其工作情況如下：

（1）八位的I／O口P3和P4控制12個發光二極管，顯示整流模塊的電流工作狀態。

（2）八 位 的 I／O 口 P1 控 制 VDEM、IDEM、SMROFF、關機燈信號的工作狀態。

（3）八 位 的 I／O 口 P2 控 制 接 收 SHUNT IN PLACE、FILTER IN PLACE、ILIMIT、CONNECTED、RIPA信號，控制片選器的選通及風扇的PWM工作信號。

圖2 Intel87C196KB原理框圖

（4）八位的A／D轉換口P0控制風扇電流、模塊的初級和次級溫度、Primary＿OK信號、輸出電壓和電流檢測、LOOPLEVEL環路檢測、模塊地址、VFAN檢測的模擬數字轉換工作。

（5）5 V 基準電源。

（6）RESET硬件復位。

（7）HSI口、NMI、EA、READY使能位。

（8）外接12M晶體振蕩器。

（9）TXD／RXD與外部監控模塊的通信。

（10）5 V 供電電源。

3．2 ATmega325P－20AU芯片電路原理

在不改變CPU外圍電路和PCB布局的情況下，選用ATmega325P－20AU進行替換，這樣替換主要是為了兼容目前現有的主控制板測試臺，電路基本原理如圖3所示。

圖3 ATmega325P－20AU原理框圖

其主要優勢為：

（1）八位的I／O口PA、PC、PD、PG分別替換原芯片的I／O口P3、P4、P1、P2的功能，由于芯片的替換后輸出狀態不同，因此在PC2、PA2、PA5、PA7口分別增加二極管以達到原有的電流顯示狀態。

（2）八位的A／D轉換口PF替換原芯片的A／D轉換口P0的功能。

（3）取消原有的 HSI口、NMI、EA、READY使能位。

（4）保留其它的功能不變，如TXD／RXD外部通信、基準5V電源等。

（5）增加ISP編程接口，用于燒錄程序。

（6）取消參數存儲芯片EEPROM93C46EM8，改用ATmega325P－20AU芯片內部1K字節的EEPROM，以節約成本。

（7）PCB布局方面我們將新芯片放置在原芯片的位置，取消芯片原有的底座，這樣可以不用大范圍修改PCB布局，做到簡潔、易入效果，節省了工作量。

綜上所述，在兼容現有測試臺的基礎上，完成了用ATmega325P－20AU芯片對Intel87C196KB芯片的硬件替換工作。

［1］ 劉振安，張培仁．MCS－96系列單片微機原理與實踐［M］．合肥：中國科學技術大學出版社，1992：244．

［2］ Atmel Corporation ．Atmega325P（V）／Atmega3250P（V）Atmel Corporation［Z］．2007．