【正文】 字為 32位， 即 N=32 ， 外部 RAM61LV6416為65536*16位，即外部 RAM的地址線寬 M=16，輸出數(shù)據(jù)線寬 L=16。 1． 同步寄存器 系統(tǒng)中有兩個(gè)地方需要用同步寄存器，前一個(gè)同步寄存器用于接受控制器頻率控制字，由于使用的 SPI是 16位的，而為了達(dá)到精度要求所使用的頻率控制字是 32位的，因此前一個(gè)同步寄存器由兩個(gè)16位同步寄存器組成的 32位輸入及輸出。如圖 34為兩個(gè) 16位同步寄存器構(gòu)成的 32位的輸入及輸出的原理圖，圖 35為輸入及 輸出均為 32位的同步寄存器的原理圖。 ICSI61LV6416的存儲(chǔ)容量為 64K*16位，地址線和數(shù)據(jù)線都是16位，具有高可靠性、高存儲(chǔ)速度、以及低功耗等特點(diǎn)。為了將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，需要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱 DAC(Digital——Analog Converter)。因此，轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是衡量 DAC轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)劣的主要標(biāo)志[30]。 低通濾波器 從上節(jié)電路中輸出正弦波信號(hào)，含有豐富的諧波，并且呈階梯狀，為了得到平滑的交流信號(hào)，同時(shí)濾出高頻噪聲部分干擾，使輸出信號(hào)理想，應(yīng)在 DAC的輸出后使用低通濾波器濾波。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 +32184TL074+567TL074R2R3270pFC3100pFC2 100pFC4120pFC1R11KR410KR527KR6GNDGND+15V15VSINOUT 圖 36 貝塞爾有源低通濾波器硬件電路圖 Fig. 36 The circuit of BESSEL Lowpass Filter 信號(hào)頻率調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn) 根據(jù)上述 DDS 原理可知，要實(shí)現(xiàn)波形信號(hào)頻率的控制，只要輸入對(duì)應(yīng)的頻率控制字即可。這里我們使用 SPI 接口以串行傳輸方式向 CPLD 發(fā)送數(shù)據(jù) 。由于頻率控制字是 32 位的，因此我們將頻率控制字分兩次來(lái)傳送，先送高 (或低 )16 位，再送低 (或高 )16 位。將調(diào)幅 D/A 的輸出接入 AD5445 的參考電壓一端，這樣可以輸出可調(diào)頻率、幅度的正弦信號(hào)。 1． 16位 DAC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) LTC2600 是八通道 16位、 至軌電壓輸出 DAC。由數(shù)模轉(zhuǎn)換公式 R E FNO U T VKV )2/(? ，可知八個(gè)通道輸出模擬信號(hào)最大值都是 。本設(shè)計(jì)中將 LTC2600 通道DACA、 DACB、 DACC、 DACD、 DACE、 DACF、 DACG、 DACH 的輸出通過(guò) TL084 放大后，將其中的兩路作為兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 AD5445 的參考電壓，剩下的幾路預(yù)留作為功能擴(kuò)展時(shí)使用。具體連接方法為，將微控制器的 SPI 接口的串行時(shí)鐘 SCK 連接到 LTC2600 的串行時(shí)鐘上， SPI 接口的主出從入引腳MOSI 與 LTC2600 的串行接口數(shù)據(jù)輸入相連。 反饋監(jiān)測(cè)單元電路的設(shè)計(jì) 信號(hào)采樣電路 信號(hào)采樣電路主要完成系統(tǒng)最終輸出的正弦功率信號(hào)的電壓、電流的信號(hào)的采集， IGBT 驅(qū)動(dòng)供電的三相電源其中兩相相電壓以及比較電路(正弦調(diào)制波和三角波比較輸出 SPWM 信號(hào)的電路 )供電的直流電壓信號(hào)的采集和溫度的采集。由于這一部分早已成為商品模塊，所以這里不再一一詳述。因此每路信號(hào)的調(diào)理電路都是一樣的，下面以其中一個(gè)電路來(lái)說(shuō)明具體實(shí)現(xiàn)方法。 圖 39 信號(hào)調(diào)理電路 Fig. 39 The regulating circuit of the anolog signal A/D 轉(zhuǎn)換電路 AD轉(zhuǎn)換電路是系統(tǒng)中數(shù)字和模擬信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的通道，將信號(hào)調(diào)理電路輸出的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換， LPC2214通過(guò)此電路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行，與其模擬設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。 CPLD 控制模塊及硬件設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)的控制由復(fù)雜可編程邏輯器件 (簡(jiǎn)稱 CPLD)完成，主要完成兩方面功能：首先是實(shí)現(xiàn)上述所說(shuō)的 DDS中所需要的邏輯單元；第二產(chǎn)生基數(shù)時(shí) 鐘，并使用基數(shù)時(shí)鐘進(jìn)行片選、 RAM寫(xiě)入讀取、 DA轉(zhuǎn)換的時(shí)序控制等，使用 CPLD有很多優(yōu)點(diǎn) [33]。 其主要功能見(jiàn)表 32。 2．為了簡(jiǎn)化電路，應(yīng)盡可能將控制信號(hào)交由 CPLD處理。 EPM570的連接框圖見(jiàn)圖 312，外部時(shí)鐘電路見(jiàn)圖 313。 128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使 32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。 LPC2214由于其強(qiáng)大的事件管理能力，諸多的外路，使其非常合適作為本系統(tǒng)的控制器。 2． 16K字節(jié)靜態(tài) RAM。 128位寬度接口 /加速器實(shí)現(xiàn)高達(dá) 60MHz的操作頻率。 5． EmbeddedICERT接口使能斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)。 6．嵌入式跟蹤宏單元 (ETM)支持對(duì)執(zhí)行代碼進(jìn)行無(wú)干擾的高速實(shí)時(shí)跟蹤。 8． 2個(gè) 32位定時(shí)器 (帶 4路捕獲和 4路比較通道 )、 PWM單元 (6路輸出 )、實(shí)時(shí)時(shí)鐘 和看門(mén)狗。 10．通過(guò)片內(nèi) PLL可實(shí)現(xiàn)最大為 60MHz的 CPU操作頻率。 12．片內(nèi)晶振頻率范圍： 130 MHz。 14． I/O操作電壓范圍： ~(+/－ 10%)。具體解釋如下： 1． JTAG程序調(diào)試接口 JTAG接口允許在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中隨時(shí)進(jìn)行調(diào)試，并可對(duì)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試。 2． 串口電路 LPC2214的異步串行通信接口是通用的異步接收器 /發(fā)送器UART類型的異步通信接口，通過(guò) RS232串行通信協(xié)議與主機(jī)系統(tǒng)通信。 表 32 RS232接口定義 (9芯 ) Table 32 Definition of RS232 interface 引腳序號(hào) 簡(jiǎn)寫(xiě)符號(hào) 信號(hào)功能 1 DCD 接收線信號(hào)檢測(cè) 2 RXD DTE接收數(shù)據(jù) 3 TXD DET發(fā)送數(shù)據(jù) 4 DTR 數(shù)據(jù)終端 DTE準(zhǔn)備就緒 5 GND 信號(hào)地 6 DSR 數(shù)據(jù)裝置就緒 7 RTS DTE通知 DCE請(qǐng)求發(fā)送 8 CTS 清楚請(qǐng)求 9 RI 振鈴表示 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 計(jì)算機(jī)通信主要采用異步串行通信方式。 LPC2214上使用簡(jiǎn)化的9芯 D型插頭，其接口信號(hào)定義見(jiàn)表 33。它的邏輯電平以公共地為對(duì)稱，其邏輯“ 0”電平規(guī)定在 +3V~+15V之間，邏輯“ 1”電平則在 3V~15V之間，因而它不僅要使用正負(fù)極性的雙電源，而且與傳統(tǒng)的 TTL等數(shù)字電路的邏輯電平不兼容，連接之間必須使用電平轉(zhuǎn)換。 光 耦U A R T 0U A R T 1T X D 0T X D 1R X D 0R X D 1R 0 o u tR 1 o u tT 0 o u tT 1 o u tR 0 I NT 0 I NT 1 I NR 1 I NM A X 2 3 2L P C 2 2 1 4 圖 312 串口電路 Fig. 312 The circuit of serial port 我們采用一片 MAX232芯片就能順利的實(shí)行電平轉(zhuǎn)換，在計(jì)算機(jī)向LPC2214發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候，其串口的電平通過(guò) MAX232轉(zhuǎn)換為 LPC2214的電平上限 。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。當(dāng)電壓上電或異常時(shí)，或者手動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)被按下時(shí)，則芯片輸出復(fù)位信號(hào)并保持一端時(shí)間，以保證可靠復(fù)位。 4． SPI接口 SPI是個(gè)高速、同步串行 I/O口，它允許一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸速度移入或移出器件。 5． 外部時(shí)鐘電路 外部時(shí)鐘電路 （如圖 315） 由 1個(gè) 的晶振和 2個(gè) 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。這里選用的驅(qū)動(dòng)芯片是 74LVC245。 7． 外部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)線 外部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)線 [15..0]，用來(lái)接受 ADC采樣后轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。 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(gè)重要組成部分。 本 設(shè)計(jì)中采用了 LM111733和 LM111718(為可調(diào)電壓輸出 )來(lái)完成 和 ，典型硬件電路見(jiàn)圖 317。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(pán)組成。由于這部分的電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，因此在 這里不再一一詳述具體電路的實(shí)現(xiàn)。采用 11只虛擬按鍵，配合方向鍵及四個(gè)功能鍵完成所有人機(jī)界面操作，如圖 319所示。 1． 異常處理 在本系統(tǒng)運(yùn)行中，如果出現(xiàn)缺相、過(guò)壓、欠壓等異常情況，說(shuō) 明有缺相相或短路情況發(fā)生，則顯示錯(cuò)誤信息，停機(jī)等待處理。 3． 過(guò)溫保護(hù) 在外部電路的實(shí)際中，電壓，電流，溫度這些信號(hào)經(jīng)過(guò)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。 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(cè)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。 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(hào)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(hào)的參數(shù)顯示功能程序部 分，即人機(jī)界面處理程序。 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(kāi) 指 令 數(shù)據(jù) 包顯 示 用 戶 指令打 開(kāi) 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(hào)。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。控制軟件有一個(gè)主循環(huán)，作為系統(tǒng)的主程序，當(dāng)沒(méi)有任何中斷程序執(zhí)行時(shí)，程序就在這個(gè)循環(huán)中等待。 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(hào)，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(hào)通過(guò) IGBT驅(qū)動(dòng)板比較生成 PWM信 號(hào)最終經(jīng)過(guò)濾波產(chǎn)生所需的交流信號(hào)，基本控制思想是由開(kāi)環(huán)給定一個(gè)電壓值和反饋量經(jīng)過(guò)軟件實(shí)現(xiàn) PID調(diào)節(jié)得到系統(tǒng)輸出電壓值。實(shí)現(xiàn)的基本功能有如下幾個(gè)方面： 1．人機(jī)交互操作者可以通過(guò)提供的人機(jī)界面系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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)。 3．狀態(tài)檢測(cè)主要監(jiān)測(cè)該系統(tǒng)的交流電源的電壓、電流等幾個(gè)重要的參數(shù)和 IGBT驅(qū)動(dòng)板的相關(guān)供電電源進(jìn)行檢測(cè)。 4． IGBT驅(qū)動(dòng)板的控制主要有驅(qū)動(dòng)保護(hù)輸出、驅(qū)動(dòng)保護(hù)輸出。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。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。主程序流程圖如圖 42 所示 。 AD的其它幾路負(fù)責(zé)采集交流信號(hào)的電流 (與電壓計(jì)算功率以此來(lái)判斷系統(tǒng)是否過(guò)載 )、直流電 壓 (以此來(lái)判斷是否過(guò)壓、欠壓等 )以及 IGBT驅(qū)動(dòng)板的三相供電電壓的相電壓 (缺相保護(hù) )等信號(hào)，如果系統(tǒng)執(zhí)行的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)過(guò)載、過(guò)壓以及 IGBT驅(qū)動(dòng)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)。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(méi)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(shí)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(huì)跟據(jù)設(shè)定的時(shí)間緩慢減小電壓直至關(guān)閉。 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(guò) LPC2214 的 SPI 接口與 CPLD—— EPM570中的 DDS 模塊進(jìn)行通信， LPC2214 首先通過(guò) SPI 接口往外部 RAM 寫(xiě)入波形數(shù)據(jù)，然后根據(jù)信號(hào)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(guò)SPI 接口往 DDS 單元中寫(xiě)入頻率控制字以及相位控制字以此來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率和初始相位的控制 。 為了提高信號(hào)幅度的精度我們使用一個(gè) 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。對(duì)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(duì)負(fù)載供電電壓突變過(guò)大，造成設(shè)備的損壞。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。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(dòng)作。 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。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