用于磁控管老练检测的综合控制及信号采集模块的设计

2017-11-07邱风朱春雷

电子技术与软件工程 2017年17期

关键词：磁控管时钟端口

文/邱风朱春雷

文/邱风朱春雷

本文从磁控管老练检测的核心控制单元入手，系统地阐述了新型单片机在高压高功率微波器件检测中的应用；对以单片机控制为核心的外围单元子模块，依据关键性等因素，分别进行了论述；该模块的开发在单片机在强电磁环境的特殊应用进行了有益的探索。

磁控管老练检测设计

工作中我们经常遇到磁控管不能进行性能检测的难题，器件在仓库长期储存缓慢漏气不能进行老练。我们研制的磁控管控制及信号采集模块，通过软硬件技术为磁控管提供检测和老练的电气环境，用于多种磁控管的老练和检测控制，解决了长期困扰我们的难题。

1 采用Cygnal C8051F做为模块的控制核心

该模块采用Cygnal公司单片机C8051F021，Cygnal公司的C8051F系列，在许多方面已超出当前8位单片机水平。

1.1 采用CIP-51内核提升CISC结构运行速度

Cygnal公司在提升8051速度上采取了新的途径，在保持CISC结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业，推出了CIP-51的CPU模式。在这种模式中，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位。平均每个时钟可以执行完1条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度。

1.2 I/O采用交叉开关配置

在Cygnal公司的C8051F中，则采用开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置。在这种通过交叉开关配置的I/O端口系统中，单片机外部为通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。内有输入/输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。

1.3 提供完整的时钟系统

Cygnal公司的C8051F则提供了一个完整而先进的时钟系统，在这个系统中，片内设置有一个可编程的时钟振荡器（无需外部器件），可提供2、4、8和16 MHz时钟的编程设定。外部振荡器可选择4种方式。当程序运行时，可实现内外时钟的动态切换。编程选择的时钟输出CYSCLK除供片内使用外，还可从随意选择的I/O端口输出。

1.4 基于JTAG接口的在系统调试

C8051F在8位单片机中率先配置了标准的JTAG接口（IEEE1149.1）。在上位机软件支持下，通过串行的JTAG接口直接对产品系统进行仿真调试。C8051F的JTAG接口不仅支持Flash ROM的读/写操作及非侵入式在系统调试，它的JTAG逻辑还为在系统测试提供边界扫描功能。通过边界寄存器的编程控制，可对所有器件引脚、SFR总线和I/O口弱上拉功能实现观察和控制。

1.5 最小功耗系统的最佳支持

C8051F是8位机中首先摆脱5 V供电的单片机，实现了片内模拟与数字电路的3 V供电（电压范围2.7～3.6 V），大大降低了系统功耗。

2 模块的组成

模块的主要功能：有磁控管灯丝调整、阳极电压调整、触发脉冲产生、脉宽控制、风扇控制、过流过压保护、紧急高压断、磁控管故障诊断、磁控管电压电流检测等功能。模块以中央微处理器C8051F021为核心，配以模拟电压输入电路用以采集监控磁控管的阳极电压和阳极电流，以示磁控管工作状态；开关量输入电路用以采集和输入磁控管的保护开关、过压过流保护、门开关、行程开关等状态量主要起到保护和检测故障之用；模拟电压输出主要起到一些辅助调整之用；开关量输出主要是控制磁控管的低压、高压、风扇等的开关控制；pwm输出用于程控调整磁控管的灯丝电压和阳极电压以适应不同的磁控管工作之需；485通信接口用于模块和主机通信；编程调试接口是C8051F021单片机的唯一编程下载和调试程序的接口为JTAG接口。

2.1 模拟电压输入电路

该部分电路将分压和调理好的0-5V电压经过运放组成的射极跟随器后直接接到C8051F021的模拟电压输入接口，应用中使用了两个通道。下面是片内A/D采样电路的C51程序，这部分被编程为一个函数，其中入口参数x为要采集的通道，返回的采样值放在一个全局的联合中，该联合可以按字访问也可以按高低两个字节访问。

2.2 开关量输入

开关量输入电路是将外来的电压信号（一般为0-5V）经过74LS373缓冲并锁存，送入到单片机端口，通过读端口锁存器数据监控外部状态，及时产生中断，使磁控管的高压关闭，以保护人员和器材的安全。实际应用中共计10个开关量输入，采用了两片74LS373锁存器，GAL16V8D的作用是将要保护的信号进行逻辑编码，根据需要产生单片机中断信号。

2.3 PWM输出电路

系统采用两路PWM输出，一路用于磁控管灯丝电压调整，一路用于磁控管阳极电压调整。PWM输出是通过对单片机内部可编程的计数器/定时器阵列PCA实现的，C8051F021内部有一个16位PCA阵列5个捕获/比较模块，本应用采用2路捕获/比较模块设置成16位PWM方式。PWM输出通过74LS244驱动后输出控制开关MOSFET管电流，控制磁饱和电感以调整电感感抗调整磁控管灯丝变压器和高压变压器的初级电压，这样就可以通过程控的方式灵活改变不同型号磁控管所需的灯丝电压和阳极电压，可精确到十万分之1.5。