隨著電子信息技術和半導體技術的深入發展，嵌入式系統的應用日趨廣泛，在控制領域之中更多的使用了高性能微處理器，以滿足各方面越來越多的控制應用需求。基于ARM嵌入式平臺的數字調壓控制系統，克服了傳統上以旋鈕或滑變式變阻器對交流電壓進行模擬控制的弊端。本系統以嵌入式技術為基礎，在嵌入式平臺上利用ARM微處理器實時控制數模信號的轉換，以控制正弦波調壓模塊對交流電壓的大小調節。本文中通過對本系統的實際測試，驗證了數字調壓控制系統的功能特性，并且定量測試得出了本系統可以實現對交流電壓進行線性調節的結論。數字調壓控制系統可作為對電壓的智能調節裝置應用于家庭、醫療及工業自動化等領域，并且具有調節精度高、調節線性度好，易于操作等特性。 調壓控制系統作為對電壓的智能調節管理裝置常用于家庭、醫療和工業自動化控制等領域。以往對交流電壓的控制調節通常使用滑動式或旋鈕式變阻器串接入電壓回路中實現，旋鈕的長時間旋轉會導致調節不靈敏甚至失效，調節的精度降低，誤差較大。隨著電子科技和嵌入式技術的迅猛發展，嵌入式系統越來越多的應用于控制領域之中，在嵌入式平臺上實現數字智能控制的調壓系統有著重要的意義。文中選用ARM Cotrex—A8微處理器搭建硬件控制平臺，使用Linux作為嵌入式操作系統，實時性強，易于開發。 1 ARM數字調壓控制系統的總體設計 ARM數字調壓控制系統的硬件設計主要包括硬件的總體設計、處理器的選型以及硬件的詳細設計。ARM數字調壓控制系統總體設計階段主要任務是依照嵌入式系統的設計流程，明確系統需要實現的功能，對系統進行硬件模塊劃分，系統硬件結構框架確定之后選定處理器型號，搭建開發環境已完成本系統的設計目標。 1.1 ARM數字調壓控制系統的結構 系統的硬件總體設計是以系統的功能需求為基礎的。本系統的研究目標是ARM數字調壓控制系統，需要實現通過數字信號控制來完成對交流電壓的智能調節。一個完整的數字式調壓控制系統包括了核心控制模塊、數模信號轉換模塊、輸入輸出模塊和正弦波調壓模塊四個部分組成。系統結構框圖如圖1所示。用戶從輸入輸出模塊輸入指令給控制模塊，控制模塊收到指令后控制數模轉換模塊執行數字信號到模擬信號的轉換，轉換結果輸出給正弦波調壓模塊。 核心控制模塊主要包括ARM處理器、內存、NANDFlash、電源管理模塊等，數字調壓控制系統的所有控制操作均由處理器來完成。處理器配有512MB的DDR2內存，SD卡用來存儲Linux系統內核鏡像、文件系統、驅動程序和應用程序，系統上電后Bootloader將引導操作系統的啟動，并將應用程序裝載到內存中運行。 數模信號轉換模塊主要包括高精度數模轉換芯片，選用DAC7311來實現數字控制信號到模擬控制信號的轉換工作，其轉換精度高達12位，通過串行同步接口與處理器相連接。 輸入輸出模塊作為用戶與系統的交互接口，主要包括一塊LCD觸摸屏、用戶按鍵，用來顯示系統相關信息、應用程序界面和控制程序的運行等。 正弦波調壓模塊與數模信號轉換模塊相連接，經過數模轉換后輸出的模擬控制信號輸出到正弦波調壓模塊上，來實現對交流電壓的大小調制。 1.2 微處理器選型 本系統中核心控制模塊的主要器件是嵌入式微處理器。在嵌入式微處理器選型時依次要考慮微處理器的性能、技術指標、功耗及所支持的開發工具等。在PCB設計時主要考慮到處理器的封裝和Layout設計時布局、布線的難易程度和制版時的費用等問題。依據本系統的設計目標和功能需求，并綜合了設計過程中的相關因素，本次設計選擇了德州儀器推出的ARM嵌入式微處理器AM3354。AM3354外設資源豐富，處理性能優越，并且功耗小，成本低。AM3354提供兩種形式封裝，298個引腳ZCE封裝，焊球間距0.65 mm;324個引腳ZCZ封裝，焊球間距0.80 mm。依據PCB設計原則本設計中選用324個引腳ZCZ封裝芯片。 2 ARM數字調壓控制系統的硬件設計 系統的硬件設計主要描述硬件系統的實現方法。嵌入式硬件設計的思想是以實際應用為中心，硬件系統可裁剪，根據實際應用可進行功能的擴展，以滿足成本、功耗及產品體積的綜合需求。系統基本實現方法為系統上電啟動后Bootloader從SD卡中將Linux操作系統和應用程序文件讀入內存中，并運行操作系統。系統內存使用了兩片256M的MT74H256M8，總共內存512M。當用戶控制應用程序發出指令后，處理器通過配置GPIO接口模擬串行同步接口來控制數模轉換模塊進行數字信號到模擬信號的轉換。 2.1 核心板設計 本系統中核心板采用6層板設計。在硬件設計中，多層板主要用來降低硬件設計成本，縮小電路板的面積。由于核心板上擁有DDR2內存，屬于高速電路，因此內存電路是核心板設計的重點和難點。核心板的硬件結構如圖2所示。由圖可見，處理器外掛兩條內存，兩條內存共享處理器的時鐘線、數據線和地址線，為了保證系統穩定性，兩條內存到處理器的走線采用T型連接設計，并且等長布線。為了避免對高速電路的影響，晶振應避開高速電路，盡可能的靠近處理器的時鐘引腳。電源管理模塊負責對核心板上所有器件的供電管理。 2.2 底板設計 本設計中底板采用2層板設計，底板上主要包括了外圍設備接口、數模信號轉換模塊和插槽，外圍接口電路包括系統復位電路、串口電路、SD卡接口電路、LCD觸摸屏接口電路、USB接口電路、電源開關電路和用戶自定義按鍵，底板上的接插槽作為接口與核心板連接，底板的系統結構框圖如圖3所示。數模轉換模塊主要由高精度數模轉換芯片組成，使用串行接口連接。底板上所有部件接口引腳均連接至接插槽上，通過插槽與核心板連接，這樣有利于后期功能的擴展和系統的裁剪，同時有效的降低了開發成本。 3 PCB的板級設計與仿真 當完成系統的硬件設計和原理圖繪制之后，開始進行PCB電路板設計，本系統的PCB設計使用Cadence 16.3進行。進行PCB板級設計之前應做好如下準備工作：做好元器件的模型庫和元器件的封裝，設計PCB板。根據前文所述，本系統硬件采用底板加核心板的設計方法，因此要根據實際需求的尺寸分別設計底板和核心板的PCB板，設計板子的疊層，根據需求核心板設置為6層板，底板設置為2層板，之后進行布局和布線操作。由于本系統中內存和處理器之間的電路屬于高速電路，因此需要對內存的時鐘線及數據線進行仿真，來驗證布線的正確性，仿真使用Allegro PCB SI GXL進行。 DDR時鐘線是內??電路中最重要的線路，布線時采用差分對走線。仿真時打開本設計的PCB文件，首先建立DDR時鐘的差分對，之后進行仿真前的參數設定，包括板子的疊層設置、差分阻抗設置、測量差分緩沖延遲及為內存和處理器分別分配SI模型。由于Cadence PCB SI在仿真過程中使用的是DML模型，因此在仿真前需要將器件的IBIS模型進行驗證，沒有錯誤后轉換成DML模型，然后添加到模型庫的路徑之下。在測量差分緩沖延遲時，在處理器模型的引腳列表中找到DDR時鐘的兩個引腳，并進行引腳的耦合設置。上一步完成之后，開始進行內存時鐘差分對的仿真。首先設置互連模型參數，使用SigXplorer PCB SI GXL進行拓撲的提取。打開約束管理器，選中DDR時鐘的差分對，提取其拓撲結構，如圖4所示。 然后對相關仿真參數和差分驅動器激勵進行設置，設置完成后使用無損互連分析對內存時鐘差分對進行仿真。波形的眼圖如圖5所示。 使用如上同樣的方法對內存數據線進行波形圖和波形的眼圖仿真，依據得到的眼圖判定布線是否合理得當，若眼圖較亂則需要調整布線，之后再進行仿真驗證。 4 ARM數字調壓控制系統的軟件設計 ARM數字調壓控制系統使用Linux操作系統，系統應用程序軟件在Qt 4.0環境下開發。系統啟動后自動運行應用程序，其主界面如圖6所示。界面中預置了固定電壓輸出按鈕、步長調節按鈕、微調按鈕、復位按鈕和輸出校對按鈕。程序中提供了兩種不同的步進調節長度，步進可選為1 V或5 V步進。系統啟動后默認為1V步進長度。按復位鍵后輸出電壓被清零。 本系統的軟件流程圖如圖7所示。當使用本系統進行數字調壓控制的時候，首先啟動本系統，待系統正常上電啟動后，系統自動運行控制應用程序，用戶通過可視化的輸入界面選擇需要輸出的電壓值，用戶選擇后應用程序調用底層驅動程序將指令數據傳遞給處理器進行處理，處理器接到調用請求后將指令數據通過同步串行接口發送給數模信號轉換模塊，轉換結果輸出給正弦波調壓模塊以得到所需的電壓值;同時也可通過up、down調節按鈕對輸出電壓進行微調，直到得到理想的輸出值為止。復位鍵用來對調壓模塊進行復位，使得輸出端壓降為0 V。數模信號轉換過程中使用的公式如下： 其中，n為轉換精度，此處等于12;D為二進制指令代碼，12位長度;AVDD為參考電壓值，等于5 V;VOUT為調制輸出電壓值，范圍是0～5 V。 5 實驗結果 對于本系統的測試分兩步進行。首先將家用節能燈泡連接至正弦波調壓模塊的輸出端，檢查連接無誤后打開系統開關，上電啟動系統。首先按復位鍵，將輸出清零，此時燈泡處于熄滅狀態，之后連續按下“up”鍵將看到燈泡逐漸變亮，相反按下“down”鍵燈泡逐漸變暗直到完全熄滅。本步實驗的目的是進行系統的功能驗證，即驗證本系統是否存在調壓功能。本次試驗結束后，將燈泡取下，將振動器連接至正弦波調壓模塊的輸出端，本步實驗的目的是定量測試系統調壓功能是否具有線性特性。同樣方法檢查連接無誤后上電啟動系統，系統啟動后按下復位鍵，將輸出端電壓清零。此時連續按下“up”鍵，使電壓從0 V開始逐漸增大，然后反方向按下“down”鍵，使電壓逐漸減小到0 V，測試過程中使用萬用表測量輸出端電壓和電流，并使用測振儀測量振動器的振動幅度，記錄測量結果。本次試驗反復測量4次，每次記錄37次 結果，將4次測量結果取平均值，并繪制電壓、電流及對應振動幅度的變化趨勢如圖8所示。 6 結論 文中詳細描述了基于ARM的數字調壓控制系統的設計流程及實現方法，并進行了試驗檢測。通過第一步測試證明了本系統對電壓調節控制的有效性，而第二步測試結果的變化趨勢圖表明，輸出端電壓呈明顯線性變化，電流在線性增大到一定數值后變化趨緩。而在電壓、電流的共同影響下振動幅度呈指數上升趨勢變化，由于受到測振儀的測量精度限制，5微米以下振幅變化較緩，敏感度較低，5微米以上振動幅度呈較明顯線性上升變化趨勢。 文中所述的數字調壓控制系統可以實現理想的線性調壓控制，具有調節精度高、速度快、易于操作使用等優點，在后期的改進中仍需要對調節誤差進行控制，使精確度進一步增大。在應用控制軟件上根據實際控制需求進行功能的擴展與優化。 轉自： (mbbeetchina)