DMA05－48／100型整流模块控制芯片替换硬件设计与实现

石俊杰，郝 磊

（中国人民解放军63981部队，湖北 武汉430031）

0 引 言

近20年来，通信电源已经完成了从可控硅相控整流设备到开关型整流模块的换代，发展成为现在的智能型高频开关整流模块。同时，国内通信电源领域的竞争日趋激烈，已演变成以厂商实力、电源技术、成本价格以及售后服务的全方位竞争。在这种情况下，通信开关整流模块在控制技术方面也有了极大的改进，从模拟控制方式转变为数字控制方式，原来体积大、功耗高的产品也逐渐智能化、模块化、功耗降低。

开关电源的功率密度越来越大，效率越来越高，智能化和数字化程度不断提升，销售价格却一直在下降。在这种大环境下，一方面为了适应当前的市场竞争，全面满足用户产品性能需求；另一方面单片机更新换代速度加快，原来设计使用的可编程控制器芯片已经停产，如果没有新的芯片进行替换，将直接影响高频开关整流模块的量产，有必要立即对高频开关整流模块的单片机进行升级替换设计，以期达到提高性能，增加可靠性、稳定性，降低产品的器件成本和制造成本，全面打造竞争价格优势的目的。而单片机在高频开关整流模块里处于十分重要的控制地位，因此它也是整流模块设计的重点与难点之一。

1 DMA05－48／100型整流模块

DMA05－48／100型整流模块是武汉普天电源公司从RT公司引进技术生产的，主要用于大型程控交换机房。该型号整流模块的最大亮点是引进了DSP的全新设计理念，不同于RT公司以前的老产品，DSP芯片采用美国德州仪器主流的TMS320LF2406A，此芯片具有很强的数字处理能力、功耗低等特点。基于DSP的设计使模块工作效率更高，稳定性更强，可靠性更好，并且体积只有原来老产品的一半，制造成本大大降低。DMA05－48／100型整流模块具有以下特点：

（1）超宽的输入电压范围，更能适应恶劣电网环境；

（2）超大功率密度，单个整流模块高度仅2U；

（3）更高的效率和功率因数。

但是随着时间的推移，DMA05－48／100型整流模块的次级控制芯片Intel87C196KB已经停产，必须采用新的控制芯片进行相应的替换，保证DMA05－48／100型整流模块继续生产以供应市场的需要。

根据DMA05－48／100型整流模块次级控制的特点、生产成本、芯片的后续维护升级，以及还需要兼容目前现有的控制板测试台、整机测试台、最终测试台等，经过选型与比较，最终采用Atmel公司的AT－mega325P－20AU芯片进行替换。

本文通过对控制芯片Intel87C196KB和AT－mega325P－20AU进行分析与比较，提供完整的芯片替换解决方案。

2 芯片选型比较

2．1 Intel87C196KB

Intel87C196KB是Intel公司于20世纪80年代末推出的16位单片机，是当时具有最高性能的单片机之一，其主要性能特点如下：

（1）16位CPU，使用寄存器－寄存器结构，CPU直接面向寄存器，提高了操作速度和数据吞吐能力。

（2）高效的指令系统。

（3）10位A／D转换器和PWM输出。

（4）全双工串行口和5个8位标准输入／输出口。

（5）2个16位定时器和9个中断源。

Intel87C196KB广泛应用于武汉普天电源公司的电源产品，但是随着时代的发展，各种性能更先进的单片机层出不穷，其劣势表现的越来越明显：

（1）Intel87C196KB芯片目前已经停产多年，市场上的价格越来越高，难以购买。

（2）不具备可编程可擦除的Flash空间，程序一旦烧录，无法进行重复烧录，对生产烧录的要求比较高。

（3）该芯片仅支持汇编语言，不支持目前流行的C语言，且不具备在线仿真调试的功能，对于程序的编写、调试与维护的要求比较高。

综上所述，在考虑器件成本与芯片整体替换功能的情况下，选择Atmel公司的8位CPU Atmega325P－20AU作为替代产品。

2．2 Atmega325P－20AU

CPU Atmega325P－20AU的性能特点如下：

（1）高性能、低功耗的8位AVR单片机。

（2）先进的RISC结构，130条指令，执行时间为单个时钟周期。

（3）10位A／D转换器和四通道的PWM输出。

（4）两个可编程的串行USART和54个可编程的I／O口。

（5）两个8位和一个16位具有独立预分频器、比较功能、捕捉功能的定时器／计数器。

Atmega325P－20AU芯片的优势表现为：

（1）价格便宜，市场上易于购买，而且Atmel公司能够提供芯片Pin－To－Pin的升级，方便以后进行相应的维护。

（2）数字信号处理的精确度和速度高。

（3）具有32K字节的系统内可编程Flash，具有10万次的擦写寿命。内部具有1K字节的EEPROM和2K字节的SDRAM，同样具有10万次的擦写寿命，方便生产时进行相应的烧录。

（4）同时支持汇编语言和流行的C语言，能够使用标准的JTAG口和ISP口进行烧录，同时支持JTAG口进行在线仿真调试，方便程序的编写、调试与维护。

（5）可以对加密位进行编程以实现用户程序的加密，保护知识产权。

3 硬件替换设计思路、原理和方法

对DMA05－48／100型整流模块单片机芯片替换设计的原则主要是采用不改变CPU外围电路和PCB设计布局情况下，达到简洁、易入、兼容的设计效果。在原CPU的位置嵌入新芯片，这样新控制板的接口采用兼容性设计，做到调试和装配与原来的控制板一样，在不改变任何外部硬件环境情况下有利于立即批量生产，并且兼容目前现有的DMA05－48／100型整流模块测试台。

DMA05－48／100型整流模块主要由交流输入滤波板、初级功率主板、次级功率主板、主控制板等单元组成。DMA05－48／100型整流模块的核心技术部件是主控制板，其PCB上的大部分器件用的是表面贴元件，密度和技术含量都非常高。主控制板主要由初级DSP控制电路、次级CPU控制电路、有源滤波控制电路、辅助电源电路等组成。

DMA05－48／100型整流器模块控制主板组成原理框图如图1所示。

图1 控制主板组成原理框图

其中初级DSP控制芯片TMS320LF2406A和次级CPU控制芯片是最重要的、最关键的核心部件。初级DSP控制芯片根据输入的三相电压幅值、波形、三相电压是否平衡和次级电路控制CPU送出的SMROFF、CONTROL信号等条件，发出控制DMA05－48／100型整流模块初级电路的IGBT管的PWM信号，同时向次级电路CPU送出Primary＿OK工作正常信号，使次级电路CPU检测到初级DSP控制芯片工作正常时才能进行相应的次级控制工作。次级电路控制CPU芯片主要是控制次级电路的VDEM、IDEM、告警状态、风扇控制、数码管电流显示等信号和状态并且与监控模块建立相应的数据通信。

3．1 Intel87C196KB芯片电路原理

原来Intel87C196KB芯片承接处理模拟和数字信号很多，其电路基本原理如图2所示。

其工作情况如下：

（1）八位的I／O口P3和P4控制12个发光二极管，显示整流模块的电流工作状态。

（2）八 位 的 I／O 口 P1 控 制 VDEM、IDEM、SMROFF、关机灯信号的工作状态。

（3）八 位 的 I／O 口 P2 控 制 接 收 SHUNT IN PLACE、FILTER IN PLACE、ILIMIT、CONNECTED、RIPA信号，控制片选器的选通及风扇的PWM工作信号。

图2 Intel87C196KB原理框图

（4）八位的A／D转换口P0控制风扇电流、模块的初级和次级温度、Primary＿OK信号、输出电压和电流检测、LOOPLEVEL环路检测、模块地址、VFAN检测的模拟数字转换工作。

（5）5 V 基准电源。

（6）RESET硬件复位。

（7）HSI口、NMI、EA、READY使能位。

（8）外接12M晶体振荡器。

（9）TXD／RXD与外部监控模块的通信。

（10）5 V 供电电源。

3．2 ATmega325P－20AU芯片电路原理

在不改变CPU外围电路和PCB布局的情况下，选用ATmega325P－20AU进行替换，这样替换主要是为了兼容目前现有的主控制板测试台，电路基本原理如图3所示。

图3 ATmega325P－20AU原理框图

其主要优势为：

（1）八位的I／O口PA、PC、PD、PG分别替换原芯片的I／O口P3、P4、P1、P2的功能，由于芯片的替换后输出状态不同，因此在PC2、PA2、PA5、PA7口分别增加二极管以达到原有的电流显示状态。

（2）八位的A／D转换口PF替换原芯片的A／D转换口P0的功能。

（3）取消原有的 HSI口、NMI、EA、READY使能位。

（4）保留其它的功能不变，如TXD／RXD外部通信、基准5V电源等。

（5）增加ISP编程接口，用于烧录程序。

（6）取消参数存储芯片EEPROM93C46EM8，改用ATmega325P－20AU芯片内部1K字节的EEPROM，以节约成本。

（7）PCB布局方面我们将新芯片放置在原芯片的位置，取消芯片原有的底座，这样可以不用大范围修改PCB布局，做到简洁、易入效果，节省了工作量。

综上所述，在兼容现有测试台的基础上，完成了用ATmega325P－20AU芯片对Intel87C196KB芯片的硬件替换工作。

［1］ 刘振安，张培仁．MCS－96系列单片微机原理与实践［M］．合肥：中国科学技术大学出版社，1992：244．

［2］ Atmel Corporation ．Atmega325P（V）／Atmega3250P（V）Atmel Corporation［Z］．2007．