【導(dǎo)讀】性和可靠性指標(biāo)。本文所設(shè)計(jì)的單相交流程控電源測控系統(tǒng)實(shí)際上為一大。對輸出的大功率信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。其輸出信號波形理想，電壓幅度在。圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，誤差為1%；最大輸出功率為40KW。以上特性在一定程度。數(shù)，得到需求的信號。設(shè)計(jì)中選用性價(jià)比較高的復(fù)雜可編程邏。然后將存儲于SRAM中的波形數(shù)據(jù)通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器?；ジ衅鞑杉男盘枴Ｍ瑫r(shí)對輸出信號幅度通過軟件實(shí)現(xiàn)比例積分微分。調(diào)節(jié)，保證了良好的精度，實(shí)現(xiàn)。元，達(dá)到了較理想的信號采樣、分析處理、波形輸出及相關(guān)控制。ARM7處理器LPC2136專門處理按鍵和LCD顯示。

　　

【正文】 4發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候，其串口的電平通過 MAX232轉(zhuǎn)換為 LPC2214的電平上限 。在 LPC2214向計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，其數(shù)據(jù)的電平通過 MAX232轉(zhuǎn)換為 RS232的電平。如圖 314所示，為了增加通訊的可靠性，一般還需進(jìn)行光電隔離。 3． 復(fù)位電路 在本設(shè)計(jì)中采用 SP708芯片，低電平復(fù)位，采用 供電，可實(shí)現(xiàn)上 電復(fù)位和手動復(fù)位。當(dāng)電壓上電或異常時(shí)，或者手動復(fù)位開關(guān)被按下時(shí)，則芯片輸出復(fù)位信號并保持一端時(shí)間，以保證可靠復(fù)位。復(fù)位芯片 SP708，它的使用很簡單 (如附錄 1所示 )。 4． SPI接口 SPI是個高速、同步串行 I/O口，它允許一個字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸速度移入或移出器件。通過 4根線完成 LPC2214和外設(shè)以及其他處理器之間的通信，這根線分別為 ： MISO從動輸出主動輸入引腳；MOSI從動輸入主動輸出引腳； SPI串行時(shí)鐘引腳； SSEL從機(jī)選擇。 5． 外部時(shí)鐘電路 外部時(shí)鐘電路 （如圖 315） 由 1個 的晶振和 2個 22p的電容組成，為 CPU提供每秒 ，它們決哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 定了微處理器的工作時(shí)間精度為 1μs。 圖 313 基本模式的振蕩 Fig. 313 Oscillation mode of operation 6． 16個輸入輸出 I/O口 由于 LPC2214的 I/O引腳沒有電流驅(qū)動能力，所以在使用它的 I/O控制 IGBT驅(qū)動板時(shí)，需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)尿?qū)動，同時(shí)為了加強(qiáng)抗干擾能力在控制信號與本系統(tǒng)之間使用光電隔離。這里選用的驅(qū)動芯片是 74LVC245。其中 LDOUT_0端口用于控制驅(qū)動保護(hù)輸出 ；LDIN_0端口用于控制驅(qū)動保護(hù)輸入； LDIN_1端口用于系統(tǒng)的溫度保護(hù)；LDIN_2端口用于電容充電到達(dá)的控制。 7． 外部存儲器數(shù)據(jù)線 外部存儲器數(shù)據(jù)線 [15..0]，用來接受 ADC采樣后轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。 8． I2C接口 I2C接口與 EEPROM存儲器 24LC04連接 (硬件電路如附錄1所示 )，使用 EEPROM存儲器用來保存已設(shè)置好的參數(shù)及一些重要的數(shù)據(jù)，以免在掉電的情況下數(shù)據(jù)丟失。 9． 電源電路 電源設(shè)計(jì)是 LPC2214應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個重要組成部分。 NXP公司的 ARM7家族要求有獨(dú)立的內(nèi)核電源和 I/O電源。 本 設(shè)計(jì)中采用了 LM111733和 LM111718(為可調(diào)電壓輸出 )來完成 和 ，典型硬件電路見圖 317。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 圖 317 電源電路 Fig. 317 The power circuit 人機(jī)界面 操作面板是現(xiàn)場用戶設(shè)定系統(tǒng)的工作參數(shù)，以及獲得其運(yùn)行狀態(tài)和故障信息的主要界面。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款全數(shù)字操作面板，其主要由微控制器、點(diǎn)陣式 320 240的 LCM顯示屏、串行 EEPROM—— 24LC04和鍵盤組成。至于鍵盤則采用普通的掃描工作方式。由于這部分的電路設(shè)計(jì)比較簡單，因此在 這里不再一一詳述具體電路的實(shí)現(xiàn)。 人機(jī)界面采用 320240單色液晶作為顯示終端，另外配合 4個雙色LED作為緊急報(bào)警顯示。采用 11只虛擬按鍵，配合方向鍵及四個功能鍵完成所有人機(jī)界面操作，如圖 319所示。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 圖 319 人機(jī)界面顯示 Fig. 319 Manmachine handle and the display interface 安全保護(hù)措施 本文設(shè)計(jì)了硬件和軟件相結(jié)合的全面的保護(hù)措施，下面首先介紹硬件保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。 1． 異常處理 在本系統(tǒng)運(yùn)行中，如果出現(xiàn)缺相、過壓、欠壓等異常情況，說 明有缺相相或短路情況發(fā)生，則顯示錯誤信息，停機(jī)等待處理。 2． 過載保護(hù) 如果系統(tǒng)出現(xiàn)過載情況，本系統(tǒng)設(shè)置的過載能力為150%，時(shí)間 ，超出此范圍則報(bào)錯，并切換到工頻運(yùn)行，斷開設(shè)備，以免損毀系統(tǒng)設(shè)備。 3． 過溫保護(hù) 在外部電路的實(shí)際中，電壓，電流，溫度這些信號經(jīng)過濾波后被采樣電路中的 A/D采樣，其所得到的數(shù)據(jù)既提高了系統(tǒng)的控 制性能，又提高了系統(tǒng)的安全性。在軟件中設(shè)置采樣參數(shù)的警報(bào)閥值， 一定的范圍內(nèi)不予響應(yīng)到達(dá)一定的范圍就給出警報(bào)，繼續(xù)工作再超出警報(bào)的范圍或者警報(bào)在持續(xù)了一段時(shí)間后還依然存在，就軟 關(guān)斷功率驅(qū)動板 IGBT。 本章小結(jié) 本章根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)了單相交流程控電源測控系統(tǒng)的硬件平臺。首先給出了總體的設(shè)計(jì)方案和完成的功能，然后分模塊介紹了 CPU 的選型及其外圍電路，包括 LPC2214 控制模塊、信號調(diào)理模塊、反饋監(jiān)測模塊、 CPLD 控制模塊的主電路和相應(yīng)工作原理，最后簡單介紹了人機(jī)界面顯示。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 第 4章 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 總體上，本文系統(tǒng)軟件程序按照功能可劃分為兩大部分一是單相交流信號的產(chǎn)生與調(diào)節(jié)功能程序部分即功能實(shí)現(xiàn)單元程序；另一部分是完成用戶指令的處理和系統(tǒng)實(shí)際輸出信號的參數(shù)顯示功能程序部 分，即人機(jī)界面處理程序。程序的總體功能結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系如圖 41所示。 用 戶接 受 用 戶 指令制 作 指 令 數(shù)據(jù) 包接 受 指 令 數(shù)據(jù) 包打 開 指 令 數(shù)據(jù) 包顯 示 用 戶 指令打 開 輸 出 數(shù)據(jù) 包接 收 輸 出 數(shù)據(jù) 包制 作 輸 出 數(shù)據(jù) 包按 指 令 輸 出處 理 指 令 數(shù)據(jù)顯示器功 能 實(shí) 現(xiàn) 單 元 程 序人 機(jī) 界 面 單 元 程 序 圖 41 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu) Fig. 41 Basic program frame of system 功能實(shí)現(xiàn)單元軟件的實(shí)現(xiàn) 功能實(shí)現(xiàn)部分程序是本設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，也是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，主要功能是根據(jù)上位機(jī)的指令，輸出用戶所要求的正弦功率信號。具體實(shí)現(xiàn)包括所有的硬件采集的數(shù)據(jù)都必須由微處理器 LPC2214的軟件進(jìn)行處理，并且要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需載波和調(diào)制波的控制、 PID調(diào)節(jié)算法、以及 整個系統(tǒng)負(fù)載的狀態(tài)判斷、監(jiān)控、智能化尋優(yōu)等還要有完善的保護(hù)程序以及異常情況的判斷和處理。根據(jù)上述要求，本文將控制軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，既方便主程序調(diào)用，又方便程序調(diào)試。主要分為如下幾個模塊：信號生成模塊、 AD采樣模塊、 PID調(diào)節(jié)模塊、檢測和保護(hù)功能模塊等?？刂栖浖幸粋€主循環(huán)，作為系統(tǒng)的主程序，當(dāng)沒有任何中斷程序執(zhí)行時(shí)，程序就在這個循環(huán)中等待。下面具體介紹控制軟件要完成的功能和實(shí)現(xiàn)方法。 控制軟件實(shí)現(xiàn)的基本功能 本文根據(jù) DDS原理產(chǎn)生載波和調(diào)制波信號，然后將載波和調(diào)制波信哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 號通過 IGBT驅(qū)動板比較生成 PWM信 號最終經(jīng)過濾波產(chǎn)生所需的交流信號，基本控制思想是由開環(huán)給定一個電壓值和反饋量經(jīng)過軟件實(shí)現(xiàn) PID調(diào)節(jié)得到系統(tǒng)輸出電壓值。同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測最終交流信號的電壓、電流等參數(shù)和 IGBT驅(qū)動板的三相供電電壓實(shí)現(xiàn)缺相和欠、過壓保護(hù)，另外為了保護(hù)負(fù)載的運(yùn)行根據(jù)需要系統(tǒng)對每個升降壓過程實(shí)現(xiàn)緩慢變化，而且升降壓的緩慢變化時(shí)間是可以設(shè)定的。實(shí)現(xiàn)的基本功能有如下幾個方面： 1．人機(jī)交互操作者可以通過提供的人機(jī)界面系統(tǒng)監(jiān)測和控制系統(tǒng)的運(yùn)行，包括設(shè)置一些系統(tǒng)運(yùn)行所需的參數(shù)。 2．負(fù)載 (電機(jī) )運(yùn)行這是該系統(tǒng)功能最基本和主要部分，包括所有 和電機(jī)運(yùn)行有關(guān)的功能，如啟動、停車、升降壓等。 3．狀態(tài)檢測主要監(jiān)測該系統(tǒng)的交流電源的電壓、電流等幾個重要的參數(shù)和 IGBT驅(qū)動板的相關(guān)供電電源進(jìn)行檢測。這些狀態(tài)信號是通過 A/D轉(zhuǎn)換程序?qū)z測到的模擬量變?yōu)閿?shù)字量，在程序里面可以通過這些數(shù)據(jù)判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并且按照需要將有些狀態(tài)量通過人機(jī)界面顯示出來。 4． IGBT驅(qū)動板的控制主要有驅(qū)動保護(hù)輸出、驅(qū)動保護(hù)輸出。 5．保護(hù)及故障處理如果檢測到系統(tǒng)溫度過高，就需要加以判斷并顯示故障信息，而對于失速和過載保護(hù)則需用軟件來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)控制軟件時(shí)，要在把握住以上 幾項(xiàng)基本功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上加以完善。 控制軟件的實(shí)現(xiàn) 主程序的設(shè)計(jì) 主程序是控制軟件的核心，只有通過主程序?qū)ψ映绦虻挠袡C(jī)調(diào)用，各功能模塊才能成為一個緊密聯(lián)系的整體，共同構(gòu)成變頻器的控制系統(tǒng)。主程序中主要完成系統(tǒng)初始化、參數(shù)初始化、 LPC2214 的各功能模塊初始化、命令查詢。對于交流信號電壓、電流等參數(shù)的監(jiān)測以及驅(qū)動板 IGBT 相關(guān)保護(hù)的監(jiān)測都由中斷去完成。主程序流程圖如圖 42 所示 。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 I / O 初 始 化U A R T 初 始 化 系 統(tǒng) 初 始 化開 始關(guān) 閉 系 統(tǒng) 命 令 ？定 時(shí) 器 T 1 、 T 0 初 始化S P I 初 始 化A D 初 始 化軟 啟 動由 A D 反 饋 信 號 計(jì) 算 實(shí)際 輸 出 信 號 參 數(shù)計(jì) 算 電 壓 值 與 實(shí) 際 值 進(jìn) 行P I D 調(diào) 節(jié) 重 新 輸 出 信 號軟 關(guān) 閉收 到 參 數(shù) 該 命 令 否 ？查 詢 命 令發(fā) 生 故 障 否 ？故 障 檢 測命 令處 理故 障 處 理 （ 軟關(guān) 斷 ）返 回完 成YNYYNN 圖 42 功能實(shí)現(xiàn)單元主程序流程圖 Fig. 42 Main program flow of the function module 主程序流程為：在系統(tǒng)上電初試化完成后，首先進(jìn)入軟啟動，即程序根據(jù)初始化設(shè)定參數(shù)輸出載波和正弦波信號，其中幅度是根據(jù)設(shè)定的時(shí)間緩慢升起的，此時(shí)通過 IGBT驅(qū)動板輸出交流信號的頻率符合要求但幅度可能有所偏差，因此接著程序進(jìn)入 AD采樣階段，其中一路 AD將采集到的交流輸出電壓信號與設(shè)定值比較偏差進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)，然后重載參數(shù)輸出相應(yīng)幅值的載波和正弦波信號。 AD的其它幾路負(fù)責(zé)采集交流信號的電流 (與電壓計(jì)算功率以此來判斷系統(tǒng)是否過載 )、直流電 壓 (以此來判斷是否過壓、欠壓等 )以及 IGBT驅(qū)動板的三相供電電壓的相電壓 (缺相保護(hù) )等信號，如果系統(tǒng)執(zhí)行的過程中發(fā)現(xiàn)過載、過壓以及 IGBT驅(qū)動板供電電壓缺相等系統(tǒng)將進(jìn)行故障處理即軟關(guān)斷系統(tǒng)。當(dāng)然系統(tǒng)執(zhí)行的過中如果收到過溫等其他故障信號，系統(tǒng)也會終止運(yùn)行。之后系統(tǒng)將進(jìn)入 UART端口指令包掃描狀態(tài)，如果此時(shí)沒有收到上位機(jī)指令，程序?qū)⒒氐?AD采集部分，然后繼哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 續(xù)掃描 UART端口，等待上位機(jī)指令；當(dāng)接收到完整的指令包后，程序進(jìn)行指令識別，如果是設(shè)定參數(shù)指令，則程序根據(jù)設(shè)定值計(jì)算好參數(shù)重載；如果收到的是停止系統(tǒng)輸出指令 程序就會跟據(jù)設(shè)定的時(shí)間緩慢減小電壓直至關(guān)閉。如果不是以上指令，那么功能實(shí)現(xiàn)部分認(rèn)為系統(tǒng)出錯，然后立刻關(guān)閉輸出。 DDS 波形的合成 在前面兩章已經(jīng)介紹了 DDS 原理和具體實(shí)現(xiàn)方法，由前面我們知道本設(shè)計(jì)通過 LPC2214 的 SPI 接口與 CPLD—— EPM570中的 DDS 模塊進(jìn)行通信， LPC2214 首先通過 SPI 接口往外部 RAM 寫入波形數(shù)據(jù)，然后根據(jù)信號的頻率和初始相位計(jì)算出相應(yīng)的頻率控制字和相位控制字，再通過SPI 接口往 DDS 單元中寫入頻率控制字以及相位控制字以此來實(shí)現(xiàn)信號頻率和初始相位的控制 。通過改變數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DA5445 的參考電壓 VREF 實(shí)現(xiàn)波形幅度的控制。 為了提高信號幅度的精度我們使用一個 16 位 8 通道 DAC—— LTC2600 輸出可變的直流控制電壓作為 DA5445 的參考電壓。其中 LTC2600 是串行接口的 DAC，由于它兼容 SPI 接口，所以為了方便我們也使用 LPC2214 的 SPI 接口與 LTC2600 進(jìn)行通信，首先選擇相應(yīng)的通道，然后根據(jù)所需信號的幅度計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)字量通過 SPI 接口送入 LTC2600 的相應(yīng)通道的寄存器中。對負(fù)載的調(diào)壓方式，應(yīng)采用定時(shí)逐步緩 慢升降壓方式，防止由于對負(fù)載供電電壓突變過大，造成設(shè)備的損壞。這里選用的是較為簡單的線性升降壓方式 (如圖 43)。圖中 Umin和 Umax分 別為系統(tǒng)輸出的最低和最高電壓， Uset為用戶設(shè)定電壓， t1和 t2分別表示升降壓時(shí)間。當(dāng) UsetUmin時(shí)，系統(tǒng)將輸出最低電壓 Umin；而當(dāng) Uset=Umax時(shí)，系統(tǒng)將輸出最高的電壓 Umax。否則將根據(jù)設(shè)定的加減速時(shí)間 t1和 t2，進(jìn)行升降壓動作。 U ( V )U m a xU s e tU m i nt 1 t 2t ( s ） 圖 43 線性升降壓方式 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 Fig. 43 The linearity goes up and down controlling way 下面分別介紹 LPC2214的 SPI的初始化設(shè)置和寫入數(shù)據(jù)的方法。 1． SPI初始化設(shè)置 SPI引腳功能設(shè)置：配置 SPISIMO、 SPISOMI、 SPISSEL、 SPICLK為特殊功能。 SPI時(shí)鐘方式的設(shè)置：當(dāng) SPI模式處于主模式時(shí)， SPI時(shí)鐘計(jì)數(shù)器寄存器 SPCCR用于控制時(shí)鐘速率，寄存器指示構(gòu)成一個 SPI時(shí)鐘的 pclk周期的數(shù)據(jù)。該寄存器必須在數(shù)據(jù)傳輸之前設(shè)定，且該寄存器的值必須為偶數(shù)，其值必須大于等于 8。 SPI控制寄存器的設(shè)定： 本設(shè)計(jì)的設(shè)定時(shí)鐘相位控