基于邊沿處理的相位差測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐軍

摘要：近年來(lái)，功率超聲技術(shù)的應(yīng)用在各行業(yè)得到了極大發(fā)展，功率超聲技術(shù)的關(guān)鍵功率超聲電源。功率超聲電源最核心的工作是控制好電源信號(hào)與超聲換能器的匹配，匹配的依據(jù)就是加上換能器兩端的電壓與換能器回路上的電流信號(hào)相位差的大小。本文對(duì)功率超聲電源中，電壓信號(hào)與電流信號(hào)的相位差的測(cè)量進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一套基于邊沿處理的相位差測(cè)量系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用CPLD（EPM1270）和ARM（STM32）為核心，將邊沿處理的相位差測(cè)量測(cè)量算法放到CPLD中進(jìn)行，ARM配合CPLD工作，產(chǎn)生控制信號(hào)，并對(duì)采集出的原始相位時(shí)間信號(hào)進(jìn)行換算，得到真實(shí)的相位差大小信號(hào)，本設(shè)計(jì)可以為超聲電源的調(diào)諧工作提供高速、可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：相位差測(cè)量 功率超聲 邊沿處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TM933.312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）07-0141-02

近年來(lái)，功率超聲技術(shù)的發(fā)展開(kāi)拓了其在化學(xué)、化工、食品、生物、制糖、醫(yī)藥等學(xué)科的應(yīng)用研究。在功率超聲技術(shù)中，超聲換能器在超聲電源的控制下，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲信號(hào)。大功率的超聲換能器通常埋在管道內(nèi)，而管道內(nèi)介質(zhì)的溫度、壓強(qiáng)經(jīng)常發(fā)生變化從而導(dǎo)致?lián)Q能器的狀態(tài)也要隨之改變，這種變化反應(yīng)在電路參數(shù)上，會(huì)影響換能器的電壓與電流的相位差，而此相位差又是超聲電源控制換能器的主要參數(shù)之一，因此，設(shè)計(jì)出一套能及時(shí)測(cè)量換能器與超聲電源之間工作狀態(tài)的相位差測(cè)量系統(tǒng)是十分有必要的。

1 相位差測(cè)量系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

相位差測(cè)量系統(tǒng)要解決的問(wèn)題是測(cè)量換能器上的電壓和電流的相位差，而這個(gè)相位差包含兩方面的信息，即以電壓信號(hào)為基準(zhǔn)，電流是超前還是滯后及超前滯后大小量的關(guān)系。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了含CPLD和ARM兩個(gè)核心處理單元的相位差測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。

在這個(gè)系統(tǒng)中，CPLD和STM32共同完成邊沿處理的相位差測(cè)量，測(cè)量工作在CPLD中完成，STM32在中斷觸發(fā)信號(hào)Interrupt的作用下，發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)Send和計(jì)數(shù)器清零信號(hào)RST完成CPLD控制。同時(shí)，STM32取出CPLD傳送在端口D和Phase_Data端口上的相位差數(shù)據(jù)信號(hào)，并通過(guò)LCD12864完成顯示。CPLD依據(jù)邊沿處理算法，在STM32發(fā)送的控制信號(hào)Send和RST作用下，完成相位差測(cè)量，并依據(jù)測(cè)量出的相位差信號(hào)，產(chǎn)生MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2 邊沿處理的相位差測(cè)量算法設(shè)計(jì)

邊沿處理的相位差測(cè)量算法，是在CPLD完成的，STM32發(fā)出控制信號(hào)Send和RST，并取走相位差數(shù)據(jù)D與Phase_Data如圖2所示。

在此算法中，Volatage、ample為來(lái)自于取樣模塊轉(zhuǎn)換后的電壓與電流信號(hào)，clk為50MHz的時(shí)鐘信號(hào)。系統(tǒng)上電正常工作，將電壓信號(hào)Volatage和電流信號(hào)anple送到CPLD中，CPLD中，在每一個(gè)電壓信號(hào)Volatage 的上升沿讀取電流信號(hào)ample的值賦值給q（q_bar為取反），則：q=1時(shí)，表示的是電流超前的情況；q=0時(shí)，表示的是電流滯后的情況。至此，還需要解決第二個(gè)問(wèn)題：超前滯后量的大小問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)數(shù)器：Counternumber，其使能信號(hào)為CPLD輸出信號(hào)endcount_out，來(lái)自于U、I異或取反。當(dāng)endcount_out為低電平時(shí)，中間變量countnumber開(kāi)始計(jì)數(shù)，為高電平時(shí)停止計(jì)數(shù)。同時(shí)，ARM將endcount_out配置為上升沿觸發(fā)中斷信號(hào)，一旦ARM中斷被觸發(fā)，則發(fā)送一個(gè)send脈沖信號(hào)給CPLD，在send的上升沿，將countnumber里的數(shù)據(jù)發(fā)送到data端口，CPLD將data里的數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM單片機(jī)，這時(shí)，ARM單片機(jī)向CPLD2發(fā)送一個(gè)rst信號(hào)，當(dāng)rst信號(hào)為低電平時(shí)，把中間變量countnumber里的數(shù)據(jù)清零，為下一次的工作做準(zhǔn)備。

3 STM32軟件設(shè)計(jì)

在STM32的軟件設(shè)計(jì)，分成兩個(gè)部分進(jìn)行，首先是完成系統(tǒng)的初始化，然后設(shè)計(jì)STM32的中斷服務(wù)函數(shù)，在中斷服務(wù)函數(shù)中，還需要完成對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)相位的修正。

3.1 STM32系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)

在STM32系統(tǒng)初始化中，主要完成以下功能：

（1）RCC系統(tǒng)時(shí)鐘配置；

（2）GPIO端口配置；

（3）NVIC和EXTI配置；

在RCC系統(tǒng)時(shí)鐘配置中，將外圍8M時(shí)鐘經(jīng)過(guò)PLL倍頻成72MHz；GPIO端口配置中，由于PA0端口配置成中斷端口，故在此將其配置成下拉輸入，其余端口，依據(jù)其輸入輸出屬性完成配置，其中，輸入端口配置成下拉輸入，而輸出端口配置成推挽輸出；在NVIC和EXTI配置中，選擇優(yōu)先級(jí)分組為0，并在最后使能中斷。

3.2 STM32中斷服務(wù)函數(shù)設(shè)計(jì)

在STM32中斷服務(wù)函數(shù)服務(wù)函數(shù)中，首先發(fā)送出send脈沖，其脈寬通過(guò)設(shè)計(jì)為1us，然后取出q和Phase_Data的值，最后發(fā)出清零信號(hào)RST，完成此動(dòng)作后，還需要注意完成相位的數(shù)據(jù)修正。其中，Phase_Data和頻率數(shù)據(jù)Counter_Design為16位的值，來(lái)自于CPLD，均需要用一個(gè)完整端口去接收。

3.3 相位數(shù)據(jù)計(jì)算

在STM32的中斷服務(wù)函數(shù)中，接收到的相位大小Phase_Data，為CPLD中對(duì)相位差計(jì)數(shù)得到的時(shí)間信號(hào)，它與相位有關(guān)，但并在此時(shí)，并不能與相位的值劃上等號(hào)。原因在于，測(cè)量出的實(shí)際上是一個(gè)時(shí)間信號(hào)，要想轉(zhuǎn)化成相位信號(hào)，還必須得到實(shí)時(shí)的頻率數(shù)據(jù)。由于電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)在CPLD中產(chǎn)生，因此，可以非常方便的將頻率數(shù)據(jù)Counter_Design實(shí)時(shí)的傳送出來(lái)。

3.3.1 相位時(shí)間數(shù)據(jù)Phase_Data與真實(shí)角度的關(guān)系

為了方便說(shuō)明，首先我們假設(shè)接收到的相位時(shí)間數(shù)據(jù)Phase_

Data=35，由于功率超聲電源工作的頻率通常為15KHz到30KHz之間，我們通過(guò)Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真，得到了相位時(shí)間數(shù)據(jù)Phase_Data在不同頻率下所代表的相位差角度，如圖3所示。

從圖上可以看出，固定相位時(shí)間數(shù)據(jù)Phase_Data=35，在不同頻率下，其所代表的真實(shí)相位角度是不一樣的，并隨著頻率的升高而升高。在最低的15KHz，相位時(shí)間數(shù)據(jù)Phase_Data=35代表的真實(shí)角度為3.7°，而在30KHz處，就變成了約7.5°。從上圖可以得出結(jié)論，同一個(gè)相位時(shí)間數(shù)據(jù)，在不同的頻率下，所代表的角度是不一樣的。

3.3.2 頻率數(shù)據(jù)Counter_Design的物理含義

現(xiàn)在已經(jīng)有的數(shù)據(jù)為相位時(shí)間數(shù)據(jù)Phase_Data和頻率數(shù)據(jù)Counter_Design，我們將推導(dǎo)出真實(shí)角度與他們之間的關(guān)系，在此之前，首先對(duì)頻率數(shù)據(jù)Counter_Design的物理含義進(jìn)行說(shuō)明。

由于電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)在CPLD中產(chǎn)生，CPLD的基準(zhǔn)時(shí)鐘通常選擇為50MHz，通常是通過(guò)CPLD進(jìn)行分頻得到我們所需的信號(hào)。舉個(gè)例子，如果我們需要得到一個(gè)20KHz的信號(hào)，那么，應(yīng)該用50MHz/20KHz得到在一個(gè)20KHz的周期內(nèi)，能夠跑過(guò)的50MHz脈沖個(gè)數(shù)為2500，在依據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)2500設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器，讓這個(gè)計(jì)數(shù)器的值在2500的時(shí)候歸0，而要得到的20HKz信號(hào)在計(jì)數(shù)器小于1250的時(shí)候?yàn)槊}沖的高電平，在大于1250的時(shí)候?yàn)榈碗娖?，而Counter_Design的含義就在于這個(gè)計(jì)數(shù)器歸零點(diǎn)的值2500，換句話說(shuō)，Counter_Design

就代表了在50MHz計(jì)數(shù)脈沖下，目標(biāo)頻率信號(hào)的周期。

3.3.3 相位角度的算法

我們對(duì)原來(lái)的Phase_Data進(jìn)行修正，具體公式為：

式中為具體角度。在上式中，Counter_Design代表的一個(gè)周期的時(shí)間，對(duì)應(yīng)的角度為360°，而Phase_Data是相位差的時(shí)間數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的實(shí)際角度為，由此，得到的計(jì)算公式為：

4 電壓電流信號(hào)采集

電壓信號(hào)采集與變壓器，后邊利用光耦6N137進(jìn)行隔離，比較簡(jiǎn)單，在此重點(diǎn)介紹電流信號(hào)采集。

圖4為電流信號(hào)采樣設(shè)計(jì)圖，首先在主回路里邊加入一個(gè)采樣電阻，取出電流波形，為正弦信號(hào)，后邊利用LM7171BIN運(yùn)放構(gòu)建的電壓跟隨進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后送給比較器LM393進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，將正弦信號(hào)變成方波信號(hào)。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

按上述方法，我們制作了相位差測(cè)量系統(tǒng)，并利用示波器進(jìn)行了測(cè)試。

在測(cè)試中，為方便調(diào)試，我們用一個(gè)獨(dú)立的CPLD產(chǎn)生兩路方波，方波的相位差固定為預(yù)設(shè)為30（phase_Data），然后改變頻率參數(shù)，選擇了20KHz、25KHz、10Khz等幾個(gè)不同頻率進(jìn)行測(cè)試，得到了如下表1數(shù)據(jù)。

表格第一列為Counter_Design，第二列為由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)頻率，第三列為固定的的相位時(shí)間值脈沖個(gè)數(shù)30，在STM32中斷服務(wù)函數(shù)內(nèi)，我們按公式編程，得到了真實(shí)的相位差數(shù)據(jù)Phase_Data_amend，這個(gè)與我們?cè)谑静ㄆ魃嫌^測(cè)的結(jié)果一致。

隨后，我們將該測(cè)量系統(tǒng)用到了新型功率超聲電源的研制中實(shí)際測(cè)試，也得到了較好的結(jié)果。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種邊沿處理的相位差測(cè)量系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，測(cè)量出相位時(shí)間數(shù)據(jù)后，引入實(shí)時(shí)頻率數(shù)據(jù)對(duì)相位時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了實(shí)時(shí)的相位差值數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)工作快速穩(wěn)定，結(jié)果正確。

參考文獻(xiàn)

[1]錢(qián)衛(wèi)忠.超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)源的頻率跟蹤.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，375-377.

[2]馬立.功率超聲電源的頻率跟蹤電路.蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，4，11-14.

[3]鮑善惠.超聲波清洗機(jī)的阻抗匹配電路.洗凈技術(shù)，2013，14-16.