基于高性能嵌入式网络化技术的脉冲电镀电源设计

徐丽春

XU Li-chun

（遵义职业技术学院 机电工程系，遵义 563000）

0 引言

脉冲电镀是20世纪60年代发展起来的一种电镀技术，脉冲电镀主要特点是能改善镀层结构，使镀层平滑、细致，降低镀层孔隙率和内应力，同时提高镀层抗蚀性、韧性及耐磨性，从而获得成分稳定的合金镀层[1,2]。

在工业电镀生产中，脉冲电镀电源主要用于触点类小零件的恒流镀金工序，对镀层质量要求高。目前工业现场常用的是数控双脉冲方波电镀电源，该双脉冲电源具有脉冲、电流等参数的设置、显示功能，但没有电流及脉冲的实时监控功能，因而无法保证输出参数的精度，且由于电镀现场环境恶劣，腐蚀性强，对于具有很多设置开关以及裸露器件的仪器设备非常不利，如在工艺过程中仪器发生故障，不但无法保证电镀质量，同时会造成不小的损失（零件报废和镀金成本损失）。

近几年来，随着以高性能嵌入式微处理器及嵌入式操作系统为代表的嵌入式技术的飞速发展，为脉冲电镀电源的设计提供了一种全新的思路，采用这些先进的技术方法设计具有较高智能化水平的脉冲电镀电源，实现对输出脉冲电流、脉冲宽度等参数的实时监测与控制，从而提高系统控制精度，并大幅度提升设备的可靠性，从而减少因设备故障造成的质量问题及成本损失。同时，依托高性能嵌入式系统的强大网络功能，可方便构建工业控制网络，实现对多台设备的网络化控制与管理。

1 脉冲电源系统结构

脉冲电源主要由可调恒流源和脉冲电源监控系统组成，其中脉冲电源监控系统包含电流斩波器、脉冲电源中央控制器和控制面板等，系统原理框图如图1所示。

图1 脉冲电源系统原理框图

在图1所示的结构中，可调恒流源用于提供电镀电流，根据不同零件电镀工艺要求可进行不同电流的设定，工作输出直流电流为30A，开路电压最大12V。

电流斩波器采用大功率MOS管对恒流源输出的直流电流进行斩波，通过脉冲电源中央控制器发出的斩波驱动脉冲信号控制MOS管的通断，达到电流以脉冲方式输出的目的，改变控制器输出驱动脉冲信号的占空比即可实现不同需求的脉冲电流或占空比输出。

控制面板包含输出电流显示控制仪表、输出电流脉冲占空比选择开关、输出脉冲状态指示和输出脉冲电流状态指示等，用于实现系统参数的设定及显示系统工作状态。

脉冲电源中央控制器是脉冲电镀电源的核心控制系统，是由32位高性能嵌入式微处理器、斩波脉冲发生器、脉冲整形驱动电路、脉冲电流采样、脉冲宽度采样等部件组成一个完整的智能控制系统。控制系统根据用户的设定输出对应的斩波驱动脉冲，同时对输出的驱动脉冲和电流脉冲反馈信号进行实时监测处理，达到智能监控脉冲电镀的目的。

2 基于高性能嵌入式网络化技术的中央控制器设计

近几年来，随着以嵌入式微处理器及嵌入式操作系统为核心的嵌入式技术飞速发展，为智能系统的设计提供了一种全新的思路。其中，32位ARM架构的嵌入式微处理器具有高性能、低功耗、低成本、小体积的特点，可满足对智能化程度要求较高的系统应用需求。

软件系统是智能系统的核心，以嵌入式操作系统为基础的软件系统的引入，可大幅度提高设备的智能化水平。在该脉冲电镀电源的设计中，中央控制器以32位ARM处理器为硬件平台，运行eCos嵌入式实时操作系统，通过对输出电压、电流信号的实时监控及运算处理，输出相应控制信号，可靠实现系统的整体功能，并可依托系统强大的网络功能，构建工业控制网络，方便实现对多台电镀设备的远程监控与管理。

图2 中央控制器硬件结构

2.1 系统硬件组成

根据脉冲电镀的工艺过程及系统特点，中央控制器硬件平台采用基于ARM Cortex-M3内核的高性能嵌入式微处理器STM32F207，该处理器较高的运算能力和储存能力，足以支持复杂嵌入式操作系统系统的运行，且具有非常丰富的外围接口，可很好的实现对电压、电流信号的采集与检查，以及输出相应的控制信号。同时，强大的网络功能可非常方便的支持组建工业控制网络。中央控制器硬件结构如图2所示。

图3 eCos嵌入式实时操作系统程序流程图

在图2所示的系统结构中，STM32F207为意法半导体（ST）推出的基于ARM Cortex-M3内核的高性能嵌入式微处理器，运行频率为120MHz，可实现150DMIPS的处理能力。同时，该处理器内部集成高达1MB Flash存储器和128KB SRAM存储器，作为程序存储及运行空间，强大的运算能力和大容量的存储器，足以支持复杂嵌入式操作系统系统的运行。

在本系统的设计中，需要对电压及电流信号进行监控，信号采集的精度及实时性对系统的性能有至关重要的影响，STM32F207所具有的优秀的实时性能及丰富的接口功能，可很好的实现系统需求。

在一个典型的脉冲电镀车间，通常安装有多台设备电镀设备，传统的脉冲电镀电源均不具备网络功能，无法实现多台设备的远程控制与管理。STM32F207内嵌的10/100Mbps自适应工业以太网接口，为系统功能的扩展提供了充分的基础，通过该网络接口，组建基于工业以太网技术的网络化控制系统，可方便实现对多台设备的网络化控制与管理，以及工艺过程数据的远程传输。

2.2 系统软件编程及eCos操作系统的特点

为充分发挥高性能硬件平台的各种优异特性，软件系统采用eCos嵌入式实时操作系统，并在该软件平台上实现系统所要求的各种功能。程序流程图3所示：

eCos（Embedded Configurable Operating System ，嵌入式可配置操作系统）是一个非常优秀的嵌入式实时操作系统解决方案，除了具有本设备所要求的良好的实时特性以外，还具有高度可配置能力。为实现这一目标，它将系统分为不同的软件组件，这些软件组件具有可重用性，根据实际应用的需要，通过其独特的配置工具可以选择使用相应的组件，同时对每一个选择使用的组件，用户还可以对每个选项进行更细致的配置，可以增加或删减组件的某些功能，从而实现完整的嵌入式操作系统。使用这种方式最后产生可执行的 eCos 映像文件非常紧凑，只包含应用所需的特定功能，这样使得 eCos 系统与许多传统的实时操作系统相比较，其运行速度更快，稳定性更高。

eCos所具有的如下三个特点，非常适合于本系统的应用需求：

1）可抢占的硬实时内核

eCos的调度内核是一个嵌入式硬实时内核，并在调度策略选择、防止优先级反转、中断与异常的处理模式、中断处理的最短延迟，以及内存分配方式等方面都做了许多精巧的设计，使其在系统的实时性能上有非常良好的表现，因而可以很好的满足本系统在电压与电流监控，以及输出控制信号方面的实时性要求，从而提高系统的整体性能。

2）良好的软件支持

eCos支持ISO标准C库和math库，兼容各种常见C函数和数学函数调用，其应用程序具有良好的稳定性、可维护性及可移植性。

3）完整协议栈支持

eCos支持完整的TCP/IP协议栈，以及上层的各种常用标准协议，便于嵌入式设备的网络连接。eCos的该性能结合STM32F207所提供的10/100Mbps自适应工业以太网接口，非常完美的实现了工业现场的多台设备的网络化控制。

3 结束语

以高性能嵌入式微处理器及嵌入式操作系统为代表的嵌入式技术的飞速发展，给各种智能系统的设计、开发及应用，带来了全新的思路，具有广阔的应用前景。本文将最新发展起来的高性能嵌入式技术与传统脉冲电镀工业生产过程相结合，提出一种新的脉冲电镀电源设计方法，与传统的设备相比较，除具有更高的精度、稳定性及安全性的特点，同时具有先进的网络控制功能。可在生产过程中减少设备的维护成本和过程控制成本，提高产品质量，降低废品率，具有传统脉冲电镀无可比拟的优势。

[1]黄子勋,吴纯素.电镀理论[M].中国农业机械出版社,1982.

[2]向国朴.脉冲电镀的原理与应用[M].天津科学技术出版社,1989.

[3]李驹光.嵌入式LINUX系统开发详解[M].清华大学出版社,2006.