基于LPC2119的配电控制模块设计
摘要： 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。
关键字： 配电控制模块, , 智能配电箱
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。来源:大比特半导体器件网
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。来源:大比特半导体器件网
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。来源:大比特半导体器件网
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。来源:大比特半导体器件网
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。来源:大比特半导体器件网
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。来源:大比特半导体器件网
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。来源:大比特半导体器件网
+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。
基于LPC2119的配电控制模块设计
摘要： 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。
关键字： 配电控制模块, , 智能配电箱
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。来源:大比特半导体器件网
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。来源:大比特半导体器件网
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。来源:大比特半导体器件网
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。来源:大比特半导体器件网
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。来源:大比特半导体器件网
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。来源:大比特半导体器件网
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。来源:大比特半导体器件网
+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。