基于LPC2119的配电控制模块设计

　　火箭炮配电箱在火箭炮作战任务完成过程中起着极其重要的作用，它主要对火箭炮的高低和方向调炮及左右千斤顶放列、撤收进行配电控制。目前，火箭炮配电箱使用的控制器件仍是传统的接触器，这类器件触点在切换过程中极容易出现触点发热、粘接、卡死，造成配电动作失败，存在故障隐患时难以发现;同时，配电箱为减小大功率电机启动时的冲击电流，采用串联启动电阻限流的方法，当电机过载时，极易烧坏启动电阻，造成配电箱无法工作，这些问题严重影响了配电箱的可靠使用，直接影响火箭炮作战任务的完成。基于此，亟需改进火箭炮现有配电箱，设计新型智能配电箱来解决现有配电箱存在的问题，使火箭炮配电朝着自动化和智能化方向转变。配电控制模块是智能配电箱的控制单元，本文基于LPC2119设计配电控制模块。
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　　配电控制模块总体设计

　　智能配电箱主要由配电控制模块、智能配电模块、CAN总线通信模块和LIN总线通信模块等组成。配电控制模块是智能配电箱的控制单元，主要负责管理智能配电模块，监控用电负载的运行状态，同时通过双CAN冗余通道与上位机进行数据通信，实现火箭炮配电箱的数字化、智能化管理。配电控制模块结构组成如图1所示，它以嵌入式微处理器LPC2119为控制核心，主要由CAN收发器、LIN收发器、输入接口、输出接口和电源模块等组成。

　　

 

　　图1配电控制模块结构组成图

　　配电控制模块选用ARM7TDMI版本的LPC2119微处理器作为控制核心，该微处理器将许多外围功能集成到了芯片内部，性价比高;选用存储器FM24C64存储智能配电模块的配置参数信息;配电控制模块各种通信接口由专用的接口芯片来负责处理;CAN总线接口主要负责与上位机进行信息交互，LIN总线接口主要负责控制和管理智能配电模块;串口部分主要预留系统升级、信息配置、读取及修改等。

　　配电控制模块上电后，从存储器中读取配电箱配置信息，根据信息对智能配电模块进行核对和识别，完成信息分配初始化工作;实时扫描智能配电模块输出电流、电压和温度参数，响应CAN总线显示控制命令，上传配电箱工作状态信息至上位机。配电控制模块主要性能包括：①通讯协议采用CAN 2.0B，具有两路CAN通讯接口，实现CAN总线的冗余备份;②具有LIN通讯接口，通讯协议采用LIN 2.0，实现对所有智能配电模块的控制;③自动识别智能配电模块，进行模块参数自动下载，方便快速更换、维修智能配电模块;④上位机通过CAN总线可以访问配电控制模块，实现对智能配电箱的维护和检修;⑤微处理器通过CAN总线可以上传配电状态参数和配电箱故障信息等。

　　微处理器LPC2119选型

　　嵌入式微处理器是配电控制模块的核心部件。本文在综合考虑CAN总线和LIN通信要求，以及处理器性价比、功能完善等方面因素的基础上，选择Philips公司的LPC2119微处理器作为配电控制模块的核心。LPC2119是一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI-S核，并带有128K片内FLASH、16K SRAM、双CAN总线控制器、片内Boot装载程序实现ISP和IAP、2个UART通用串口等。LPC2119满足本设计对存储、CAN总线和LIN总线的收发以及参数设置等需求，并且双CAN总线控制器为系统的冗余设计提供了方便，LPC2119将处理器内核与CAN控制器模块集成在一起，增强了该芯片的功能，不仅使CAN总线的通讯具有更高的可靠性，而且在硬件电路设计时不需再考虑选用何种CAN控制器，只需增加CAN收发器即可实现CAN总线通信，简化了硬件结构，降低了成本。

　　存储器电路设计

　　本设计选用存储器FM24C64存储智能配电模块的配置参数信息，FM24C64是采用先进的铁电技术制造的64K位非易失性存储器。铁电随机存储器(FRAM)具有非易失性，且可以像RAM一样快速读写，数据在掉电后可以保存十年，相比EEPROM或其他非易失性存储器，FRAM具有可靠性高、结构简单等诸多优点。与EEPROM系列不同的是，FM24C64以总线速度进行写操作，无须延时，数据发到FM24C64后直接写到具体的单元地址，下一个总线操作可以立即开始。FM24C64可以支持1万亿次读写次数，是EEPROM的1百万倍。

　　FM24C64非易失性铁电随机存储器的特性包括：①工作电压为5V;②动态工作电流为150μA;③总线速度可以达到1MHz;④可以直接替换EEPROM;⑤向上兼容100K和400K总线速度。这些特性使得FM24C64满足配电控制模块非易失性要求，使存储具有更快的写操作速度和更少的系统开销。FM24C64采用工业标准两线接口，8脚SOP封装，操作温度范围为-40℃~+85℃。配电控制模块采用铁电存储器FM24C64(8KB)，主要是作为数据存储器，FM24C64与LPC2119的电路连接如图2所示。

　　

 

　　图2 FM24C64与LPC2119的电路连接图

　　

 

　　图3 MAX3232与LPC2119的电路连接图

　　RS232通信接口电路设计

　　RS232标准是美国电子工业联合会制定的一种串行物理接口标准，广泛应用于计算机与终端或外设之间的近端连接。实际工作时，为了能够与TTL器件连接，必须在RS232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的转换;输出、输入信号都要分别经过电平转换器，进行电平转换后才能送到连接器或从连接器上接收。本配电控制模块选用电平转换芯片MAX3232进行电平转换，MAX3232芯片与LPC2119的电路连接如图3所示。LPC2119内部集成2个的通用异步收发器UART单元，提供了两个独立的异步串行I/O口。MAX232内部有电压倍增电路和转换电路，只需3.3V电源便可实现TTL电平与RS232电平的转换，设计简单、可靠性高。

　　CAN总线接口电路设计

　　CAN控制器是CAN通信的核心，CAN的通信底层协议的转换主要由CAN控制器和CAN收发器实现。对于不同型号的CAN总线通信控制器，实现底层协议部分的电路结构和功能基本相同，而与微处理器接口部分的结构和方式存有不同。

　　在本配电控制模块的CAN总线通信接口中采用CTM1050T总线接口模块。CTM1050T为隔离型CAN收发器模块，内部包含隔离电路、CAN收发器、总线保护和电源电路，CTM1050T主要是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，且具有隔离功能、ESD保护功能以及TVS管防总线过压功能。CTM1050T是CAN协议控制器和物理总线之间的接口。CAN总线接口电路如图4所示，LPC2119与CTM1050T模块构成的CAN节点具有设计简单、稳定可靠的特点，能够实现CAN总线上各节点在电气、电源上完全隔离和独立。由图4可知，在设计过程中CTM1050T与CAN总线的接口部分采用了一定的安全和抗干扰措施。为了保护CTM1050T免受过流的冲击，CTM1050T的CANL和CANH引脚各自通过一个5Ω的电阻和滤波电感与CAN总线相连，电阻可起到一定的限流作用;为了滤除总线上的高频干扰和预防电磁辐射，CANL和CANH与地之间并联了两个30P的小电容。当CAN总线有较高的电压时，通过二极管的瞬态击穿可起到一定的过压保护作用，因此，在两根CAN总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管。CTM1050T模块的TXD、RXD引脚兼容+3.3V、+5V的CAN控制器，不需外接其他元器件，直接将+3.3V或+5V的CAN控制器发送、接收引脚与CTM1050T模块的发送、接收引脚相连接。

　　

 

　　图4 CAN总线接口电路图

　　LIN总线接口电路设计

　　在配电控制模块的LIN总线通信接口中采用TJA1020作为总线数据收发器件，TJA1020收发器是LIN传输媒体之间的接口协议控制器和LIN主机/从机协议控制器，配电控制模块充当LIN网络的主节点，通过UART1串口连接到LIN收发器TJA1020，然后再由TJA1020连接到LIN物理总线上。TJA1020输入引脚TXD的发送数据流被LIN收发器转换成总线信号并且电平翻转速率和波形都受到限制，以减少电磁辐射。TJA1020的接收器检测到LIN总线上的数据流并通过RXD引脚将它传送到协议控制器。LIN收发器TJA1020的主要特性是：①波特率最高达20kbps;②高抗电磁干扰性，极低的电磁发射;③未通电状态下的无源特性;④在睡眠模式下电流消耗极低，可实现本地或远程唤醒;⑤短路保护和过热保护等。本设计采用LPC2119处理器的UART1作为LIN总线通讯接口，选用TLP113高速光耦进行信号隔离传输，LIN总线接口电路如图5所示。

　　

 

　　图5 LIN总线接口电路图

　　

 

　　图6 +15V控制电源电路图
　　控制电源电路设计

　　根据配电控制模块的工作要求，模块需要电源提供+15V、+3.3V以及+1.8V的电压。在进行配电控制模块所需的+15V电源电路设计时，为提高电源稳定性，选用COSEL的电气隔离型SFS152415 DC/DC电源模块，+15V控制电源电路如图6所示。

　　+3.3V和+1.8V电源电路如图7示，分别选用3.3V和1.8V的SPX1117系列线性稳压芯片得到模块需要的+3.3V和+1.8V电源，选用COSEL的SUS32405型号DC/DC电源模块控制电源电气隔离，以提高电源系统的抗干扰能力。

　　

 

　　图7 +3.3V和+1.8V控制电源电路图

　　结束语

　　本文基于LPC2119微处理器设计了配电控制模块，首先给出了配电控制模块的总体设计，然后介绍了微处理器LPC2119的选型，最后阐述了模块的电路设计，包括存储器电路、RS232通信接口电路、CAN总线接口电路、LIN总线接口电路以及控制电源电路。该配电控制模块为火箭炮武器装备数字化、自动化和智能化奠定了基础，在武器装备配电领域具有广阔的应用前景。