基于ARM平臺的嵌入式技術(shù)綜合設(shè)計實驗教學(xué)

馮 源， 劉曉虎， 夏 立

(海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

在嵌入式技術(shù)學(xué)習(xí)中，理論與實踐是緊密聯(lián)系，相輔相成的，用理論來指導(dǎo)實踐，用實踐來加強理論。但傳統(tǒng)的教學(xué)方法由于在實驗教學(xué)內(nèi)容方面過于簡單、教學(xué)過程中教師講述過細、學(xué)生態(tài)度不積極，使得其效果不是很好[1-5]。如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生對理論知識有更深刻的理解是一個迫切需要解決的問題[6-16]。為此，結(jié)合“電力有源濾波器項目”提出了一種綜合實驗方案，以Luminary LM3S8962為主控芯片，實驗內(nèi)容包括LM3S8962的定點數(shù)學(xué)庫使用、SCI串口編程、多路AD轉(zhuǎn)化、雙路DA轉(zhuǎn)換，事件管理器PWM以及外部中斷的設(shè)計，基本涵蓋了8962的學(xué)習(xí)內(nèi)容，并將這些內(nèi)容綜合應(yīng)用到電力有源濾波器項目，相對于傳統(tǒng)的嵌入式技術(shù)實驗教學(xué)，更能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。

1 嵌入式技術(shù)綜合設(shè)計實驗教學(xué)目的及選題

綜合實驗的目的主要包括要求學(xué)生掌握IAR EWARM 5.x的安裝、設(shè)置；定點數(shù)學(xué)庫的應(yīng)用；采樣模塊；SCI串口編程；事件管理器編程；外部中斷；綜合上述內(nèi)容從三相負載電流中檢測出諧波電流，并采用PWM技術(shù)對電網(wǎng)電流進行諧波補償。綜合實驗可以安排4個人一組，分工合作，增加合作能力。

實驗提供廣州周立功公司LM3S8962用戶板，通用J-Link-USB仿真器一個，泰克示波器一臺，實驗框圖如圖1所示。

LM3S8962 為系統(tǒng)的控制核心原件。LM3S8962內(nèi)部自帶10位單精度AD轉(zhuǎn)換器，參考電壓為0～3 V，故從電網(wǎng)采集的交流信號必須要經(jīng)過信號處理，才能滿足AD轉(zhuǎn)換器輸入的要求[3]。學(xué)生必須自己設(shè)計調(diào)制電路，將輸入交流信號調(diào)理成0～3 V單極性信號。其次學(xué)生要設(shè)計電網(wǎng)電壓過零電路，將電網(wǎng)電壓信號經(jīng)過過零電路送入外部中斷，對電網(wǎng)相位角置零。并且運用諧波檢測算法計算出諧波成分。另外對事件管理器進行編程，輸出PWM信號到智能功率模塊。為了便于便于加深學(xué)員對電力有源濾波器的理解，系統(tǒng)增加了2路DA，學(xué)員進行DA的編程，同時學(xué)員還要進行串口的編程，了解如何通過上位機來控制控制單片機。

實驗時間安排5周，對象為大四學(xué)員，實驗室全天開放，具體安排如表1所示。

表1 實驗時間安排

2 實驗實施過程

2.1 硬件電路設(shè)計及調(diào)試

硬件電路設(shè)計包括以下工作：①設(shè)計三相交流電路電壓和電流的采集電路，運用仿真軟件驗證設(shè)計的電路能否滿足LM3S8962對采樣信號的要求。②領(lǐng)取實驗元件和實驗板，及電烙鐵等工具，規(guī)劃及焊制電路板。③測試系統(tǒng)是否短路。④測試焊制電路板是否短路及虛焊。⑤通電測試，首先測試輸入信號測試濾波后信號。⑥調(diào)制后信號應(yīng)滿足0～3 V要求，如果正確則繼續(xù)，否則通過調(diào)整電路使其達到要求。⑦電網(wǎng)電壓過零信號是否為3 V TTL電平。⑧在教師驗收完全正確的情況下，正確連接電路板和LM3S8962開發(fā)板[4-5]。

硬件電路設(shè)計和焊接過程中，實驗指導(dǎo)教師僅僅提實驗要求，并提供器件及工具，并沒有提供具體電路圖，就要求學(xué)生自己通過查資料，自己設(shè)計電路，焊接電路板并調(diào)試硬件電路，極大地調(diào)動學(xué)生主觀能動性和創(chuàng)造性，通過這樣的訓(xùn)練可以提高學(xué)生動手能力和解決實際問題的能力。

2.2 軟件的設(shè)計

軟件的設(shè)計包括5個部分的內(nèi)容：

(1) 串口通訊部分。在TI公司提供的SCI例程進行修改，按照中斷方式編寫串口接收程序，由學(xué)員自己定義一種協(xié)議，主要接收上位機的三種指令：即運行/停止指令；模擬輸出通道1數(shù)據(jù)選擇以及模擬輸出通道2數(shù)據(jù)選擇。

(2) 數(shù)據(jù)采樣及歸一化處理。在TI公司提供的AD例程進行修改，按照中斷方式編寫采樣程序，采樣的觸發(fā)由定時器的下溢產(chǎn)生，電壓電流采樣數(shù)據(jù)按規(guī)一化方式處理，然后按Q24 定標處理。

(3) 過零檢測。利用LM3S8962的外部中斷1引腳對電壓過零信號進行處理，正確設(shè)計外部中斷引腳的電平類型，編寫外部中斷到來時對正弦信號的復(fù)位處理。

(4) 諧波檢測算法及諧波補償算法。包括坐標變換，PI調(diào)解，低通濾波的子模塊編寫，要求按定點方式編程。

(5) PWM模塊。利用LM3S8962的PWM模塊進行開發(fā)。通過該模塊學(xué)習(xí)如何設(shè)置事件管理器，通過事件管理器的編程，可以進行其他電力電子設(shè)備的開發(fā)。

2.3 實驗報告的撰寫

實驗報告撰寫要求如下:①實驗設(shè)計的任務(wù);②有源濾波器工作原理;③三相交流采集電路控制系統(tǒng)原理框圖;④系統(tǒng)框圖中各單元的具體電路圖及其工作原理說明;⑤整個控制系統(tǒng)的電路原理圖;⑥寫出每一級電路的傳遞函數(shù)及元件選擇依據(jù);⑦畫出軟件編程的流程圖;⑧實驗調(diào)試過程中遇到的問題及其解決方法，并分析出現(xiàn)的原因;⑨對本實驗建議和心得體會;附錄中展示自己實物照片及程序。實驗報告格式按照畢設(shè)論文要求，通過此訓(xùn)練，使學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計中能夠更好地撰寫畢業(yè)論文。

3 實驗效果分析及成績評定

驗收分為4個階段：即硬件電路、軟件電路、系統(tǒng)驗收及實驗報告。這樣起到了督促學(xué)生每個階段任務(wù)都能及時完成，防止任務(wù)累積，學(xué)生互相照抄。

(1) 硬件電路驗收。驗收成績占總成績的30%。硬件部分的驗收包括兩個部分，首先交流信號的調(diào)理電路是否達到要求，本系統(tǒng)要求采樣信號等于傳感器信號衰減一半然后疊加1.5 V，合格標準如圖2(a)所示；而硬件過零檢測要求將電網(wǎng)交流信號轉(zhuǎn)換為同頻率的數(shù)字信號，正弦波的正半波變換為高電平，正弦波的下半波變換為低電平，合格標準如圖2(b)所示。

(a) 調(diào)理電路驗收波形

(b) 硬件過零電路驗收波形

(2) 軟件驗收。軟件完成占總成績20%，軟件的驗收包括兩個部分，即諧波檢測的驗收和空間矢量模塊的檢查。諧波檢測的檢查可以設(shè)定輸入為基波加一定比例的5次諧波和一定比例的7次諧波，看檢測出的基波是否和原模擬的基波一致，檢查波形見圖3(a)，而空間矢量模塊軟件的編程可以固定基波頻率50 Hz，開關(guān)頻率10 kHz，調(diào)制度0.9，檢查PWM輸出和PWM輸出濾波后的波形見圖3(b)。

(3) 系統(tǒng)調(diào)試驗收。占總成績30%，合格標準為通過往電網(wǎng)注入諧波，電網(wǎng)電流的波形得到明顯改善，THD能夠從降低到5%以下。驗收波形如圖4所示。

(4) 實驗報告。占20%。實驗報告中應(yīng)包括上文中所要求的內(nèi)容，必須認真撰寫，這樣對同學(xué)撰寫畢業(yè)論文和以后工作中行文都有非常重要的幫助。

4 結(jié) 語

本文提出一種以電力有源濾波器設(shè)計為主線的嵌入式技術(shù)綜合設(shè)計實驗，該方案有以下幾個優(yōu)點：首先該方案綜合了嵌入式技術(shù)的絕大部分學(xué)習(xí)內(nèi)容，解決了以往實驗內(nèi)容單一的問題。其次通過該綜合實驗，使學(xué)生初步掌握嵌入式技術(shù)工程設(shè)計的基本過程和方法，開拓思維能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度、嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和團隊精神。最后開好綜合性實驗為進行畢業(yè)設(shè)計和將來從事實際工作打下良好的基礎(chǔ)。

(a) 諧波檢測驗收波形

(b) 空間矢量驗收波形

圖4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)驗收波形

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