1系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)

　　系統(tǒng)有6路電壓輸出，其中3路為正，3路為負(fù)。電壓調(diào)節(jié)范圍為0～35V,最大輸出電流（A）分別為5,2和1,具有過流保護(hù)功能。數(shù)字顯示有5位，其中1位顯示路號，1位顯示電壓極性，另3位顯示輸出電壓。鍵盤設(shè)有16個(gè)鍵，數(shù)字鍵0～9及小數(shù)點(diǎn)鍵用于設(shè)定電壓輸出路號及幅值；“↑”鍵為逐步增加輸出電壓或路號；“↓”鍵為逐步減少輸出電壓或路號；“CLR”鍵用于清除錯(cuò)誤輸入，恢復(fù)原先狀態(tài)；“#”鍵用于啟動電壓設(shè)定狀態(tài)和確認(rèn)新設(shè)定；“@”鍵為巡回顯示和定點(diǎn)顯示切換鍵。

　　本系統(tǒng)設(shè)有巡回顯示、定點(diǎn)顯示和電壓設(shè)定3種工作狀態(tài)。當(dāng)接通電源時(shí)，自動設(shè)置為巡回顯示狀態(tài)，它將每隔4s在顯示器上巡回顯示不同路號和相應(yīng)電壓。若再按“#”，則電壓顯示值出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，表示進(jìn)入電壓設(shè)定狀態(tài)。如果依次按下“2”，“6”，“·”，“3”，再按“#”鍵確認(rèn)，新的電壓26.3V為實(shí)際輸出，設(shè)定完畢。也可以在電壓設(shè)定狀態(tài)下，用“↑”鍵和“↓”鍵以0.1V的增量設(shè)定電壓。系統(tǒng)設(shè)有自動識別功能，將不接受超出使用范圍的電壓設(shè)定值。在未按“#”鍵之前，對誤輸入的電壓可以用“CLR”鍵清除后重新設(shè)定。在定點(diǎn)顯示態(tài)，可用數(shù)字鍵、“↑”或“↓”鍵選擇監(jiān)視的電壓路號。同樣地，系統(tǒng)將不接受超出實(shí)際范圍的路號設(shè)定值。輸出電壓的正負(fù)值由系統(tǒng)自動給出，無需用戶輸入。巡回顯示和定點(diǎn)顯示的切換按“@”鍵即可。

　　2硬件電路分析

　　系統(tǒng)選用AT89C51單片機(jī)為控制核心，完全兼容了8031單片機(jī)的指令和功能。同時(shí)，它還增加了內(nèi)置4KB閃速存儲器，具有128B內(nèi)部RAM,3個(gè)I/O口，功耗低，體積小巧，不需擴(kuò)展存儲器就能滿足系統(tǒng)要求。圖1為系統(tǒng)硬件原理圖。

　　2.1電壓輸出回路

　　電壓輸出回路原理，如圖2所示。其調(diào)整管采用共射極連接方式，與常見的共集極連接方式相比，功耗和紋波系數(shù)大為降低。增并調(diào)整管，適當(dāng)增加BG2的容量即可擴(kuò)展功率輸出容量。由于電壓反饋調(diào)節(jié)采用了比例積分調(diào)節(jié)器，輸出電壓在正常的工作區(qū)能完全地跟蹤控制電壓Uin.經(jīng)過推導(dǎo)，可得穩(wěn)態(tài)的輸出電壓值Uo=WinRw/Rr.Rb及BG3等構(gòu)成過流保護(hù)電路。理論可以證明，該回路近似為一階控制系統(tǒng)，具有絕對的穩(wěn)定性。因此，它十分適合于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，詳細(xì)的分析說明可參見文獻(xiàn)〔2〕。

　　2.2控制電壓給定回路

　　控制電壓給定回路由單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器和采樣保持器等組成。控制電壓由D/A提供，系統(tǒng)采用了開環(huán)控制方式。一般說來，開環(huán)控制的抗干擾能力和精度差〔3〕。但由于本電壓輸出電路采用了特有的結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)。這樣，可以省去類似文獻(xiàn)〔2〕電路中的A/D采樣和比較電路，既降低了成本，又簡化了結(jié)構(gòu)。其控制算法簡單，可靠性顯著增強(qiáng)。D/A輸出一般很穩(wěn)定，但分辨率有限。按本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，輸出電壓的分辨率必須大于0.1V.已知穩(wěn)壓輸出量程為0～35V,若D/A的量程和參考電壓以5V計(jì)，則D/A的分辨率B應(yīng)滿足2B>35/0.1,B>8.4.故可采用10或12位的D/A轉(zhuǎn)換器。為保證一定裕量，系統(tǒng)采用DAC1210.本系統(tǒng)具有多路正負(fù)輸出，考慮到高位D/A轉(zhuǎn)換器價(jià)格較高。采樣-保持電路由數(shù)據(jù)鎖存器74LS273,以及6塊采樣-保持器LF398組成。當(dāng)DAC1210輸出第N路（1≤N≤6）控制電壓時(shí)，通過74LS273的第N位輸出狀態(tài)的改變，使相應(yīng)路的采樣/保持器LF398由保持狀態(tài)變?yōu)椴蓸訝顟B(tài)。然后，再恢復(fù)成保持狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對控制電壓的采樣和保持。

　　2.3顯示和鍵盤接口電路

　　考慮到本系統(tǒng)監(jiān)控軟件的負(fù)擔(dān)較重，顯示采用了靜態(tài)顯示模式〔5〕。不難發(fā)現(xiàn)，電源輸出的極性決定于輸出電壓回路的電路結(jié)構(gòu)，與路號有一一對應(yīng)的關(guān)系。因而，可由軟件自動設(shè)置。故兩塊數(shù)碼管完全可以共享一組8位顯示數(shù)據(jù)。這樣5位LED只需設(shè)4個(gè)鎖存器（74LS273）。鍵盤電路設(shè)置于P1口，為典型的4×4中斷掃描鍵盤。

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本軟件設(shè)計(jì)通過合理安排中斷和劃分各功能模塊，設(shè)置統(tǒng)一的狀態(tài)字，有效克服了系統(tǒng)的功能多、狀態(tài)轉(zhuǎn)換復(fù)雜給軟件設(shè)計(jì)帶來的困難。系統(tǒng)軟件流程圖，如圖3所示。

　　3.1狀態(tài)字設(shè)計(jì)

　　狀態(tài)字（SB）占用一個(gè)字節(jié)，有效位為5位。狀態(tài)字通道被啟動后，控制指定的設(shè)備完成規(guī)定的操作，同時(shí)，通道在執(zhí)行對外圍設(shè)備控制的過程中，要記錄通道與設(shè)備執(zhí)行情況，為此系統(tǒng)在主存中安排另一個(gè)固定單元，用于存放這些被記錄狀態(tài)，有

　　SB.0=1,表示處于巡回顯示狀態(tài)，SB.0=0,無意義；

　　SB.1=1,表示處于定點(diǎn)顯示狀態(tài)，SB.0=0,無意義；

　　SB.2=1,表示處于電壓設(shè)定狀態(tài)，SB.0=0,無意義；

　　SB.3=1,表示電壓設(shè)定值有誤，SB.3=0,表示電壓設(shè)定值正確；

　　SB.4=1,表示電壓非首次數(shù)字設(shè)定，SB.4=0,表示電壓首次數(shù)字設(shè)定。

　　3.2各功能處理模塊

　　主程序。進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)定（I/O口、定時(shí)、中斷、狀態(tài)字、各數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等初始化），等待中斷。定時(shí)中斷服務(wù)程序。輸出電壓的穩(wěn)定性是穩(wěn)壓器最重要的指標(biāo)?？紤]到采樣-保持器輸出有一緩慢的下降速率（當(dāng)LF398保持電容為0.1μF時(shí)，下降速率約200V·min-1），故需定時(shí)對其進(jìn)行保持和電壓刷新。本服務(wù)程序完成各路電壓值刷新和顯示。中斷申請由定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0提出，每隔130ms中斷一次，中斷服務(wù)級為最高級。鍵盤中斷服務(wù)程序。根據(jù)鍵碼和當(dāng)前狀態(tài)字，跳轉(zhuǎn)相應(yīng)的功能處理程序，中斷由INT0引入。鍵掃描譯碼程序。將0～9、小數(shù)點(diǎn)，以及其它按鍵譯成對應(yīng)00H～0FH的十六進(jìn)制碼。顯示譯碼程序。將鍵碼緩沖區(qū)的內(nèi)容譯成七段碼并存入相應(yīng)的顯示緩沖區(qū)。D/A譯碼程序。將鍵碼緩沖區(qū)的內(nèi)容譯成對應(yīng)的12位D/A二進(jìn)制數(shù)碼，并存入相應(yīng)的D/A數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（一路輸出占2B）。顯示子程序。根據(jù)路數(shù)，將該路數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容與屏蔽字相或后，送對應(yīng)數(shù)管。錯(cuò)程識別序1.在電壓設(shè)定狀態(tài)，判定鍵入數(shù)字碼后，鍵碼緩沖區(qū)數(shù)據(jù)格式的錯(cuò)誤，恢復(fù)鍵入前的狀態(tài)并給出相應(yīng)標(biāo)志（SB.3）。錯(cuò)程識別序2.在電壓設(shè)定狀態(tài)，判定鍵入“↑”鍵、“↓”鍵后，鍵碼緩沖區(qū)數(shù)據(jù)格式的錯(cuò)誤恢復(fù)鍵入前的狀態(tài)，并給出相應(yīng)標(biāo)志（SB.3）。

　　3.3數(shù)據(jù)緩沖區(qū)設(shè)定

　　互方之一定義用于數(shù)據(jù)交換的底層內(nèi)存分配機(jī)制。另一方總是使用已公布的接口來分配或釋放緩沖區(qū)，從而避免潛在的不一致。這種模型需要雙方都堅(jiān)持一個(gè)可能與軟件基本功能無關(guān)的編程約定，而且在一般情況下，這個(gè)編程約定可能使代碼更加不可重用。

　　驅(qū)動數(shù)據(jù)交換的那一方將負(fù)責(zé)管理操作——當(dāng)該方充當(dāng)數(shù)據(jù)提供者時(shí)，這是一個(gè)相對適當(dāng)?shù)姆桨?。然而，?dāng)該方充當(dāng)數(shù)據(jù)使用者時(shí)，事情就變得棘手了。為避免去發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)大小，數(shù)據(jù)使用者可以分配一個(gè)任意大小的緩沖區(qū)。如果該數(shù)據(jù)緩沖區(qū)沒有足夠大，就必須對數(shù)據(jù)提供者發(fā)出多次調(diào)用。因此這種方法需要圍繞該交互調(diào)用編寫額外的循環(huán)代碼，以備多次調(diào)用之需。

　　（1）D/A數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。存放各路輸出的D/A值二進(jìn)制碼，每路占2B,共12B.（2）鍵碼緩沖區(qū)。在電壓設(shè)定狀態(tài)，存儲鍵入的數(shù)值碼（包括小數(shù)點(diǎn)），一鍵碼用4位二進(jìn)制數(shù)表示。故每路占2B,共12B.（3）顯示緩沖區(qū)。存儲各路輸出電壓顯示七段碼（含路數(shù)、輸出極性、電壓大?。柯氛?B,共24B.（4）鍵碼備份緩沖區(qū)。進(jìn)入電壓設(shè)定狀態(tài)時(shí)，程序?qū)?fù)制當(dāng)前路鍵碼緩沖區(qū)的內(nèi)容并存入此區(qū)，共2B.（5）顯示備份緩沖區(qū)。進(jìn)入電壓設(shè)定狀態(tài)時(shí)，程序?qū)?fù)制當(dāng)前路顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容并存入此區(qū)，共4B.

　　除了上述困難之外，安全性也證明是傳統(tǒng)方法存在的問題：傳統(tǒng)緩沖區(qū)管理方案無法容易地防止惡意用戶刻意改寫數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，從而導(dǎo)致程序異常?？紤]到所有這一切，設(shè)計(jì)一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)緩沖區(qū)接口就勢在必行！

　　4結(jié)束語

本文將單片機(jī)控制回路與無靜差的電壓輸出回路有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成一款新式多路數(shù)字可調(diào)功率直流穩(wěn)壓電源，非常適合一般教學(xué)和科研使用。單片機(jī)、DAC與其它外圍電路獨(dú)立供電。DAC采用高穩(wěn)定性的基準(zhǔn)電源為參考電壓，面板電源開關(guān)可設(shè)計(jì)成僅切斷輸出回路的供電電源。還要注意選擇特性較理想的、功率適當(dāng)?shù)木w管，加裝大小適當(dāng)?shù)纳崞?。這樣，一般不需太多調(diào)試就能獲得成功。因此，本電源推廣容易，可望獲得廣泛的應(yīng)用。