基于C8051F500微波电源控制器的研制

汪 跃 萍

(铜陵学院 电气工程学院，安徽 铜陵 244000)

基于C8051F500微波电源控制器的研制

汪 跃 萍

(铜陵学院 电气工程学院，安徽 铜陵 244000)

微波电源是等离子体设备的核心，它的工况直接决定了等离子体的各项参数。针对微波电源设计实现了基于C8051F500的嵌入式控制器，提供了远程控制与手操器控制两种模式，用户可以借助上位机对微波电源进行实时监控。考虑到拓展应用，提供了CAN总线接口，为将来接入其他低温等离子设备系统提供了便利。

微波电源；C8051F500；控制器

微波等离子体技术具有极其广阔的应用领域，如等离子体增强化学气相沉积、等离子体表面处理以及等离子体刻蚀等。微波电源[1-5]作为微波等离子体设备的核心，是激发与维持微波等离子体的动力。它的输出功率直接决定了等离子体的各项参数，影响到工艺效果。所以，为了取得良好的工艺效果与稳定性，需要设计控制器保证微波电源稳定可靠的工作。鉴于此，本文基于嵌入式技术，以C8051F500为控制核心，引入数字化与光信号化的测控电路设计微波电源控制器[6-8]，该控制器包括供电电源部分与测控部分，通过优化的硬件电路，辅以合适的抗干扰措施，保证了微波电源在控制器作用下可靠工作。

图1 控制器总体结构

1 总体结构

微波电源控制器包括远程控制与手操器控制两种模式：手操器模式下借助微波电源面板旋钮调节电源，该模式用于突发状况、远控失效时使用，确保设备的可操作性；远程模式下通过上位机调节电源，该模式是微波电源的工作模式。微波电源控制器结构如图1所示。硬件资源包括：① 两路隔离的模拟量采样电路；② 一路隔离的模拟量输出；③ 一路继电器输出；④ 一路隔离的CAN接口(考虑到未来接入到其他低温等离子设备系统)；⑤ 一路模式切换电路；⑥ 一路微波电源工作状态反馈电路；⑦ 一个R232/RS485接口(上位机控制接口)；⑧ 供电电路等。

2 硬件设计

2.1 供电电路

微波电源控制器需要3部分隔离供电：CAN接口供电、C8051F500及其外围电路供电，光耦隔离另一端电路供电；为了保证CAN接口可靠性，该部分单独提供，不从供电电路取电；微波电源整流桥输出提供了+12 V、-6 V和+5 V三路电源，其中+12 V与-6 V为光耦隔离另一端电路供电。供电电路主要提供给C8051F500及其外围电路，如图2所示。关键在于变压器的设计，需要考虑裕量问题，计算所有器件工作时消耗的总功率，再按照1.5倍～2倍选择变压器和电源转换器的功率。单片机及相关运放电路功耗如下：(1) C8051F500典型功耗18.5 mA，即0.093 W；(2) max232功耗最大842 mW；(3) TLP521-1功耗0.3 W，3个总共0.9 W；(4) 运放功耗最大525 mW，6个总共3.15 W；(5) max5481最大功耗727 mW；(6) JRC21F005功耗0.2 W～0.45 W；(7) HCN201最大功耗700 mW；(8) 高速光隔PS1921：0.06 W全部工作时最大功耗6 292 mW，这是极限值。其中1、2、3、5、6、8部分是5 V供电，功耗3 072 mW；4、7部分是15 V供电，功耗3 850 mW。VCC提供给单片机及相关IC芯片，功耗3 072 mW,保留一定余量，取4 W，再加上7805上损耗的压降，总功率约6.4 W，第一路7 W的功率是完全足够了；-15V′～+15V′提供给外围运放电路，总功耗3 850 mW，保留一定余量，取5 W，再加上7815上的压降损耗，总功率约需6 W；因为增加了一路微波电源供电输出信号，需要单独提供一个直流电压值控制固态继电器通断，在电路中增加隔离的DC/DC(DCP021515)，产生一路与VCC、GND,+15V′、-15V′隔离的直流电压15 V、15 VGND，通过它来控制固态继电器通断达到控制微波电源启停的效果，加上这部分功率，第二路8 W就可以满足功率需求。

图2 供电电路

2.2 模拟量采样

需要采样微波电源实时输出的电压与电流：+VF与+IF。+VF代表实时输出电压采样信号，它由-VF反向1倍放大得到的，而-VF是负高压HIV经过RR10、RR9分压得到的，如图3所示。-VF=HIV×RR10/(RR10+RR9)。+IF代表实时输出电流采样信号是电阻RR8两端的压降(对GNDA)，可以根据电阻RR8估算+IF的最大值：由P=(U^2)/R得到U=sqr(P×R)。

针对上述需求，设计两路隔离的模拟量采样电路实时采样微波电源输出值，组成框图如图4所示。以电流采样信号+IF为例，+IF最大值约10 V，增加电压跟随器，能够起到较好的隔离效果，同时提高输入阻抗，减小负载效应。由于运放采用非对称供电方式 ，使得运放输入输出电压的范围也是非对称的，在+12 V、-6 V非对称供电情况下，OPA277的输入电压范围-4 V～10 V，输出电压范围-4.5 V～10.5 V，满足+IF范围，C8051F500内部自带AD采样电压最大2.2 V，结合光隔的性能参数，通过分压电阻将+IF分压到5 V左右采样效果较好，考虑到负载效应，后面再接一个电压跟随，降低后端电路对前端电路的影响。

图3 微波电源内部结构图

图4 模拟量采样电路组成框图

输出电压V01=(R25+R26)×IPD2；

输入输出比例关系由上述电阻值决定。因此，该隔离电路的电压增益只与电阻(R25+R26)、R24有关，与光耦的电流传输特性无关，从而实现电压信号的光电隔离，提高了系统可靠性。

2.3 模式切换启停控制与状态反馈

微波电源面板提供了手操器旋钮，为了应对调试故障等各种情况，微波电源应具备远控与手操器两种控制模式，其中远控模式借助上位机实现。电路如图6所示，the Voltage of the Digital Potentiometer是由上位机控制的数字电位器输出信号，the Voltage of the Handed Potentiometer是微波电源面板手操器旋钮输出的信号。P4.1引脚输出选择工作模式。当P4.1输出低电平，三极管Q3处于截止状态，继电器没有发生切换，此时是手操器模式，微波电源输出控制信号来自the Voltage of the Handed Potentiometer；当P4.1输出高电平，三极管Q3处于饱和导通状态，继电器发生切换，此时是远控模式，微波电源输出控制信号来自the Voltage of the Digital Potentiometer，实现了两种控制模式的切换。

图5 光耦隔离电路

图6 模式切换电路

图7 启停控制与状态反馈

微波电源由220 V交流电供电，为了实现可控工作，在供电输入端安装固态继电器。如图7所示。启动微波电源，P2.0输出低电平，光耦1、2引脚发光，3、4号引脚导通，P4输出电压控制固态继电器导通，微波电源启动。电源启动后，整流桥输出12 V电压使得光耦1、2引脚发光，3、4号引脚导通，状态指示Ready被拉低，通过该信号即可判断微波电源的工作状态。反之，停止微波电源，P2.0输出高电平，固态继电器不导通，微波电源停止，此时状态指示Ready是高电平。

2.4 CAN总线接口

考虑到设备的应用拓展性，预留了CAN总线接口用于连接其他等离子体设备系统，如图8所示。CAN总线接口电路包括CAN的总线收发器与隔离电路等，总线收发器主要完成CAN的协议通信，提供高速与静音两种模式。根据其S引脚的电平进行判断：S取高电平表示静音模式，此时可以避免因CAN控制器的故障导致的网络通信异常；S取低电平表示高速模式，若S引脚没有电气连接，默认是高速模式。隔离电路用于提高电路的可靠性与抗干扰性，避免连接设备的相互影响。

图8 CAN总线接口组成

3 结 语

介绍了微波电源控制器的设计，从硬件构成进行了详细描述。实验环境下测试表明控制器对微波电源的操作是明显的，模式切换可靠，安全性较好。该控制器抗电磁干扰能力强，能按照要求实现实时采样、输出控制与状态反馈，性能稳定，满足控制要求，达到预期目标。

[1] 袁水平,董全林.高稳定电源虚拟测试系统[J].现代电子技术,2013,36(18):151-154.

[2] 康亚柯,姜志彬,田嘉禾,等.对直流稳定电源的分析与选择[J].电源技术应用,2013(8):4-5.

[3] 李宗朝,汪建华,秦道东.大功率微波电源的稳定设计[J].机电工程技术,2012,4(12):45-48.

[4] 崔士杰,汪建华,秦道东,等.大功率微波电源设计[J].机电工程技术,2008,37(10):62-64.

[5] 向东,汪建华,秦道东,等.大功率微波电源设计[J].机电工程技术,2008,37(1):26-27.

[6] 陈文进,汪建华,秦道东,等.单片机控制的大功率微波电源[J].仪表技术,2005(6):74-76.

[7] 陈继广,高长志.单片机在开关电源设计中的应用[J].电源世界,2013(4):26-29.

[8] 彭辉俊,程健,吕鑫.嵌入式系统在微波电源的应用[J].自动化与仪表,2005,20(4): 50-53.

Development of Microwave Power Controller based on C8051F500

WANG Yueping

(Tongling University, Tongling 244000, China)

Microwave power, of which working conditions determine all parameters of the plasma, is the core of plasma devices. In this paper, an embedded controller is designed for microwave power based on C8051F500, which provides both remote and hand-control modes, so that microwave power can be controlled through HMI in supervisory computer. Considering the extended application, the CAN bus is provided, which is convenient for future access to other low-temperature plasma equipment systems.

microwave power; C8051F500; controller

10.3969/j.issn.1674-5403.2017.04.011

TP273

A

1674-5403(2017)04-0046-05

2017-04-14

汪跃萍(1991-),女,安徽池州人,硕士,助教，主要从事嵌入式控制系统方面的研究.

安徽省教育厅自然科学重点项目(KJ2017A471).