用于磁控管老練檢測(cè)的綜合控制及信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)

文/邱風(fēng) 朱春雷

用于磁控管老練檢測(cè)的綜合控制及信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)

文/邱風(fēng) 朱春雷

本文從磁控管老練檢測(cè)的核心控制單元入手，系統(tǒng)地闡述了新型單片機(jī)在高壓高功率微波器件檢測(cè)中的應(yīng)用；對(duì)以單片機(jī)控制為核心的外圍單元子模塊，依據(jù)關(guān)鍵性等因素，分別進(jìn)行了論述；該模塊的開(kāi)發(fā)在單片機(jī)在強(qiáng)電磁環(huán)境的特殊應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索。

磁控管 老練檢測(cè) 設(shè)計(jì)

工作中我們經(jīng)常遇到磁控管不能進(jìn)行性能檢測(cè)的難題，器件在倉(cāng)庫(kù)長(zhǎng)期儲(chǔ)存緩慢漏氣不能進(jìn)行老練。我們研制的磁控管控制及信號(hào)采集模塊，通過(guò)軟硬件技術(shù)為磁控管提供檢測(cè)和老練的電氣環(huán)境，用于多種磁控管的老練和檢測(cè)控制，解決了長(zhǎng)期困擾我們的難題。

1 采用Cygnal C8051F做為模塊的控制核心

該 模 塊 采 用Cygnal公 司 單 片 機(jī)C8051F021，Cygnal公司的C8051F系列，在許多方面已超出當(dāng)前8位單片機(jī)水平。

1.1 采用CIP-51內(nèi)核提升CISC結(jié)構(gòu)運(yùn)行速度

Cygnal公司在提升8051速度上采取了新的途徑，在保持CISC結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)不變的情況下，對(duì)指令運(yùn)行實(shí)行流水作業(yè)，推出了CIP-51的CPU模式。在這種模式中，廢除了機(jī)器周期的概念，指令以時(shí)鐘周期為運(yùn)行單位。平均每個(gè)時(shí)鐘可以執(zhí)行完1條單周期指令，從而大大提高了指令運(yùn)行速度。

1.2 I/O采用交叉開(kāi)關(guān)配置

在Cygnal公司的C8051F中，則采用開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)以硬件方式實(shí)現(xiàn)I/O端口的靈活配置。在這種通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)配置的I/O端口系統(tǒng)中，單片機(jī)外部為通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。內(nèi)有輸入/輸出的電路單元通過(guò)相應(yīng)的配置寄存器控制的交叉開(kāi)關(guān)配置到所選擇的端口上。

1.3 提供完整的時(shí)鐘系統(tǒng)

Cygnal公司的C8051F則提供了一個(gè)完整而先進(jìn)的時(shí)鐘系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，片內(nèi)設(shè)置有一個(gè)可編程的時(shí)鐘振蕩器（無(wú)需外部器件），可提供2、4、8和16 MHz時(shí)鐘的編程設(shè)定。外部振蕩器可選擇4種方式。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外時(shí)鐘的動(dòng)態(tài)切換。編程選擇的時(shí)鐘輸出CYSCLK除供片內(nèi)使用外，還可從隨意選擇的I/O端口輸出。

1.4 基于JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試

C8051F在8位單片機(jī)中率先配置了標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口（IEEE1149.1）。在上位機(jī)軟件支持下，通過(guò)串行的JTAG接口直接對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試。C8051F的JTAG接口不僅支持Flash ROM的讀/寫(xiě)操作及非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試，它的JTAG邏輯還為在系統(tǒng)測(cè)試提供邊界掃描功能。通過(guò)邊界寄存器的編程控制，可對(duì)所有器件引腳、SFR總線(xiàn)和I/O口弱上拉功能實(shí)現(xiàn)觀(guān)察和控制。

1.5 最小功耗系統(tǒng)的最佳支持

C8051F是8位機(jī)中首先擺脫5 V供電的單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了片內(nèi)模擬與數(shù)字電路的3 V供電（電壓范圍2.7～3.6 V），大大降低了系統(tǒng)功耗。

2 模塊的組成

模塊的主要功能：有磁控管燈絲調(diào)整、陽(yáng)極電壓調(diào)整、觸發(fā)脈沖產(chǎn)生、脈寬控制、風(fēng)扇控制、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)、緊急高壓斷、磁控管故障診斷、磁控管電壓電流檢測(cè)等功能。模塊以中央微處理器C8051F021為核心，配以模擬電壓輸入電路用以采集監(jiān)控磁控管的陽(yáng)極電壓和陽(yáng)極電流，以示磁控管工作狀態(tài)；開(kāi)關(guān)量輸入電路用以采集和輸入磁控管的保護(hù)開(kāi)關(guān)、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)、門(mén)開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)等狀態(tài)量主要起到保護(hù)和檢測(cè)故障之用；模擬電壓輸出主要起到一些輔助調(diào)整之用；開(kāi)關(guān)量輸出主要是控制磁控管的低壓、高壓、風(fēng)扇等的開(kāi)關(guān)控制；pwm輸出用于程控調(diào)整磁控管的燈絲電壓和陽(yáng)極電壓以適應(yīng)不同的磁控管工作之需；485通信接口用于模塊和主機(jī)通信；編程調(diào)試接口是C8051F021單片機(jī)的唯一編程下載和調(diào)試程序的接口為JTAG接口。

2.1 模擬電壓輸入電路

該部分電路將分壓和調(diào)理好的0-5V電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)放組成的射極跟隨器后直接接到C8051F021的模擬電壓輸入接口，應(yīng)用中使用了兩個(gè)通道。下面是片內(nèi)A/D采樣電路的C51程序，這部分被編程為一個(gè)函數(shù)，其中入口參數(shù)x為要采集的通道，返回的采樣值放在一個(gè)全局的聯(lián)合中，該聯(lián)合可以按字訪(fǎng)問(wèn)也可以按高低兩個(gè)字節(jié)訪(fǎng)問(wèn)。

2.2 開(kāi)關(guān)量輸入

開(kāi)關(guān)量輸入電路是將外來(lái)的電壓信號(hào)（一般為0-5V）經(jīng)過(guò)74LS373緩沖并鎖存，送入到單片機(jī)端口，通過(guò)讀端口鎖存器數(shù)據(jù)監(jiān)控外部狀態(tài)，及時(shí)產(chǎn)生中斷，使磁控管的高壓關(guān)閉，以保護(hù)人員和器材的安全。實(shí)際應(yīng)用中共計(jì)10個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入，采用了兩片74LS373鎖存器，GAL16V8D的作用是將要保護(hù)的信號(hào)進(jìn)行邏輯編碼，根據(jù)需要產(chǎn)生單片機(jī)中斷信號(hào)。

2.3 PWM輸出電路

系統(tǒng)采用兩路PWM輸出，一路用于磁控管燈絲電壓調(diào)整，一路用于磁控管陽(yáng)極電壓調(diào)整。PWM輸出是通過(guò)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部可編程的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列PCA實(shí)現(xiàn)的，C8051F021內(nèi)部有一個(gè)16位PCA陣列5個(gè)捕獲/比較模塊，本應(yīng)用采用2路捕獲/比較模塊設(shè)置成16位PWM方式。PWM輸出通過(guò)74LS244驅(qū)動(dòng)后輸出控制開(kāi)關(guān)MOSFET管電流，控制磁飽和電感以調(diào)整電感感抗調(diào)整磁控管燈絲變壓器和高壓變壓器的初級(jí)電壓，這樣就可以通過(guò)程控的方式靈活改變不同型號(hào)磁控管所需的燈絲電壓和陽(yáng)極電壓，可精確到十萬(wàn)分之1.5。

2.4 開(kāi)關(guān)量輸出電路

該模塊的開(kāi)關(guān)量輸出是單片機(jī)將要控制的開(kāi)關(guān)量寫(xiě)在端口鎖存器上，端口輸出電平經(jīng)74LS244驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)后的電平可直接推動(dòng)固體繼電器或小型機(jī)械繼電器用以控制大功率的低壓和高壓電路。

作者單位軍械工程學(xué)院 河北省石家莊市 050003