基于嵌入式系統(tǒng)的電力電子系統(tǒng)集成方法的探討

重慶市三峽水利電力學(xué)校 李先成

1.引言

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大量學(xué)者在電力電子功率變換器的控制策略以及拓撲結(jié)構(gòu)等方面的研究，具有較高的應(yīng)用價值。但是，由于傳統(tǒng)的系統(tǒng)在設(shè)計上的滯后，嚴(yán)重阻礙了控制策略和拓撲結(jié)構(gòu)在整體系統(tǒng)當(dāng)中的應(yīng)用，也導(dǎo)致一些復(fù)雜的、高性能的電力電子設(shè)備出現(xiàn)大量問題。而設(shè)計者只有在軟、硬件設(shè)計完成、測試后才能找到問題的根源，并加以修正，這樣所付出的代價非常巨大。迫切需要引入新的系統(tǒng)設(shè)計理念和方法，來適應(yīng)市場化的需求。而嵌入式系統(tǒng)先進的設(shè)計方法，大大減少了傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計方法帶來的缺陷，還可以極大節(jié)約成本和設(shè)計開發(fā)周期，為電力電子系統(tǒng)集成的發(fā)展提供了新的設(shè)計思路。

2.嵌入式系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

嵌入式系統(tǒng)以其獨有的系統(tǒng)設(shè)計方法，被廣泛運用到現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域。如：數(shù)字電視的推廣、電視機頂盒、手寫文字輸入以及語音撥號上網(wǎng)等。根據(jù)英國電機工程師協(xié)會對嵌入式系統(tǒng)的定義為：嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機器甚至工廠操作的裝置[1]，早在1993年，美國國防部糾集全美20多所頂級高校和研發(fā)部門實施的“RASSP”計劃[1]，其目的就是通過研究嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計新方法來降低軍用芯片的設(shè)計周期和成本。在1998年在美國舉辦的世界嵌入式系統(tǒng)大會上提出的許多新技術(shù)成為引領(lǐng)世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向，在國內(nèi)，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用時非常廣泛，但是在嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)方法研究方面，只有中科院推出了“Hopen”嵌入式操作系統(tǒng)和兩三家國內(nèi)研究院研究該領(lǐng)域。今年來隨著計算機技術(shù)以及大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)將再次走在IT應(yīng)用領(lǐng)域的前沿。

3.嵌入式系統(tǒng)與電力電子系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系

根據(jù)文獻[2]可知，嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的，并能適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗等嚴(yán)格要求的計算機系統(tǒng)[2]。一般可將嵌入式系統(tǒng)分為硬件和軟件兩大部分。如圖1(a),(b)所示：

圖1 嵌入式系統(tǒng)

圖1(a)所示為嵌入式系統(tǒng)模塊；圖1(b)所示為一個標(biāo)準(zhǔn)的電力電子模塊，兩個模塊對比可以看出來：電力電子模塊同樣具有嵌入式系統(tǒng)模塊的特點，也由硬件和和軟件兩大部分組成。而硬件部分的功率變換器通常采用單片機或者DSP作為控制核心，并加以相應(yīng)的控制策略，再根據(jù)相應(yīng)的負載變化，對輸入、輸出的電流和電壓進行有效控制。故我們可以認為，電力電子模塊是對電能進行變換的嵌入式系統(tǒng)[3]。

隨著，SOC(System On Chip)的發(fā)展，將整個系統(tǒng)集成在一個芯片上面已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實，這就使得整個系統(tǒng)變得更加輕巧、更加節(jié)能、可靠性能更強。這種發(fā)展的方向是與電力電子系統(tǒng)集成發(fā)展方向是相同的，所以我們可以用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法與理念應(yīng)用到電力電子的系統(tǒng)集成上，這將對電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到很重要的推動作用[2]。

4.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法

目前，許多國家為了能夠縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期和成品，并提高產(chǎn)品的設(shè)計水平，都非常重視嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法的研究。但從當(dāng)前的研究情況來看，研究的主要內(nèi)容集中在設(shè)計自動化和計算機輔助設(shè)計等方面。從理論上來講可以將它們歸納為：系統(tǒng)描述、系統(tǒng)測評和樣機實現(xiàn)等[4]。

針對傳統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計方法所帶來的種種缺陷，根據(jù)Y-chart[3]抽象理論來描述的嵌入式系統(tǒng)分為三個不同領(lǐng)域如：行為、結(jié)構(gòu)和物理實現(xiàn)。這種理論由行為概況來具體描述，逐步向結(jié)構(gòu)層面進行描述，最后在結(jié)構(gòu)層面張的物理構(gòu)件實體，再通過上述循環(huán)、疊加最終實現(xiàn)具體的電路和系統(tǒng)。由此，出現(xiàn)了新的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法，即：軟/硬件協(xié)同設(shè)計的方法。

該方法的研究是近年來的研究熱點。美國的普林斯頓大學(xué)等高等學(xué)府專門成立了研究小組來對該方法進行更深入的研究，DAC(Design Automation Conference)會議上有大量篇幅涉及該系統(tǒng)設(shè)計方法。具體設(shè)計流程如圖2所示：

圖2 嵌入式系統(tǒng)軟/硬件協(xié)同設(shè)計流程圖

由圖2可以看出，軟/硬件協(xié)同設(shè)計的主要任務(wù)集中在以下幾個方面：

(1)系統(tǒng)行為描述：系統(tǒng)行為描述主要是指用描述語言(如：System C語言)描述待設(shè)計系統(tǒng)的功能以及約束條件等，使得設(shè)計人員對系統(tǒng)有一個整體的認識并進行早期的可行性的驗證。此種方法避免了傳統(tǒng)的軟、硬件分開描述所帶來的缺陷。

(2)體系結(jié)構(gòu)和軟硬件劃分：通過上述的系統(tǒng)行為描述語言建立的模型，根據(jù)系統(tǒng)在滿足成本、設(shè)計周期和功耗等方面的要求，進行體系結(jié)構(gòu)的選定，并通過反復(fù)循環(huán)和迭代來實現(xiàn)軟、硬件的劃分。

(3)軟硬件協(xié)同模擬和驗證：這一步主要是在軟硬件在進行獨立的詳細設(shè)計之前，對系統(tǒng)進行的一種集成模擬測試?，F(xiàn)階段較為成熟的方法是：低層次的模擬研究，如ISS(Instruction Set Simulator)模型以及軟件調(diào)試環(huán)境等。

對電力電子系統(tǒng)的設(shè)計也要完成這三個主要任務(wù)。伴隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和交叉應(yīng)用，電力電子系統(tǒng)集成在一個芯片上是其發(fā)展的必然趨勢和方向。但是，單純地追求系統(tǒng)集成會造成可測試性和可靠性的缺陷，而在電力電子系統(tǒng)集成的過程中引入先進的嵌入式軟、硬件協(xié)同設(shè)計的理念和方法，將會使得電力電子系統(tǒng)集成不僅是單獨的功能和物理的集成，而且是現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)工程設(shè)計新的起航點。

5.結(jié)束語

本文通過對比嵌入式系統(tǒng)和電力電子系統(tǒng)的內(nèi)在關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者具有一定的相似性。通過對最新的嵌入式軟/硬件協(xié)同設(shè)計流程的闡述，得出將嵌入式系統(tǒng)設(shè)計理念和方法應(yīng)用在電力電子系統(tǒng)當(dāng)中是可行的，對推動電力電子在系統(tǒng)集成方面的發(fā)展具有借鑒意義。在怎樣用描述語言對電力電子系統(tǒng)進行描述和怎樣對軟/硬件劃分的算法研究是下一步工作重心。

[1]MALLEYJHM.RASSP:ChangingtheParadigmofelectronic systemdesign[J].In:IEEEDesign&TestofComPuters.1996,13(3),Page(s):23-31.

[2]探矽工作室.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)圣經(jīng)[M].北京:中國青年出版社,2002.

[3]International Technology Roadmap for Semieonduetors1999.ITRS Website,httP://Public.itrs.net/fi les/1999-_SIA_Roadma.

[4]SGROI.M,LAVAGNO.L,SANGIOVANNI-VINCENTELLIA.FormalModelsforEmbeddedSystemDesign[J].In:IEEE Design&Test of Computers,June2000,17(2),Page(s):14-27.