基于S3C2440的新型驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

王　超,孫國強(qiáng)

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海　200093)

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基于S3C2440的新型驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

王超,孫國強(qiáng)

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

摘要在聚合物分散液晶材料的光性能研究中,合適的驅(qū)動(dòng)電源是必不可少的實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)。針對(duì)目前相關(guān)商業(yè)產(chǎn)品偏少的現(xiàn)狀,提出了一種以S3C2440微處理器為主控器的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過采用AD9833信號(hào)發(fā)生芯片產(chǎn)生波形、頻率、幅值可調(diào)的交流信號(hào),經(jīng)過升壓和功率放大后,輸出電壓可在400 V以內(nèi),供測試液晶材料光性能實(shí)驗(yàn)使用。實(shí)際使用表明,該系統(tǒng)能滿足實(shí)驗(yàn)要求并簡化了實(shí)驗(yàn)步驟,克服了在以往實(shí)驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)信號(hào)單一的缺點(diǎn),與國外同類型產(chǎn)品相比,成本更為低廉。

關(guān)鍵詞聚合物分散液晶;S3C2440;AD9833;驅(qū)動(dòng)信號(hào)

聚合物分散液晶材料是一種新型的電光材料,為了研究聚合物分散液晶材料的電光特性,合適驅(qū)動(dòng)電源必不可少[1]。目前該材料的電控特性仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,而研究工作中所采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只有國外有少量的專用的定制系統(tǒng),價(jià)格也較為昂貴,無詳細(xì)的技術(shù)資料供借鑒。國內(nèi)與此相關(guān)系統(tǒng)的研制還處于起步階段,少量研究機(jī)構(gòu)采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只能做到頻率固定,電壓小范圍調(diào)節(jié),甚至?xí)捎?20 V/50 Hz工頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這嚴(yán)重制約了國內(nèi)聚合物分散液晶材料相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展[2]。針對(duì)該問題,本文提出了一種基于S3C2440驅(qū)動(dòng)電源的解決方案。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),主要包括模擬信號(hào)生成模塊,信號(hào)調(diào)制模塊,微弱信號(hào)功率放大模塊等,能為該液晶材料的實(shí)驗(yàn)提供幅值、頻率均靈活可調(diào)的交流驅(qū)動(dòng)信號(hào),提供液晶材料所需的驅(qū)動(dòng)電壓。實(shí)際使用表明,該系統(tǒng)解決了之前頻率和電壓調(diào)節(jié)范圍過于單一的問題,滿足實(shí)驗(yàn)使用要求。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該驅(qū)動(dòng)電源選用三星S3C2440微處理器作為主控芯片。由S3C2440負(fù)責(zé)控制可編程的兩片AD9833波形發(fā)生芯片,通過軟件編程的方式,來靈活選擇輸出波形的種類和頻率。高精度可編程波形發(fā)生芯片根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)定參數(shù),生成所需的調(diào)制信號(hào)和高頻振蕩信號(hào),經(jīng)過加法器和乘法器構(gòu)成調(diào)制電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行振幅調(diào)制,再經(jīng)過升壓和功率放大以后生成400 V以內(nèi)驅(qū)動(dòng)信號(hào),輸出電壓信號(hào)加載在液晶基板兩端,通過采集液晶材料衍射或透射光信號(hào)的變化情況,與所加電信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,能較好的研究液晶材料的電光特性。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1控制器模塊

控制器模塊是整個(gè)驅(qū)動(dòng)電源的核心部分,本系統(tǒng)采用三星公司的S3C2440作為主控芯片。此芯片有100多個(gè)多用途輸入輸出端口GPIO以及2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)SPI接口,每個(gè)端口均可采用軟件配置的方式來滿足各種設(shè)計(jì)需求,方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展[3]。本控制器模塊主要承擔(dān)的任務(wù)為:通過對(duì)波形發(fā)生芯片進(jìn)行控制字的編程設(shè)置,控制波形生成模塊所產(chǎn)生波形的種類和頻率;控制直流分壓信號(hào)的大小;與上位機(jī)通信,通過控制LCD觸摸屏來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定。主控芯片與波形發(fā)生芯片的接口電路如圖2所示。

圖2　S3C2440與AD9833連接圖

2.2模擬信號(hào)生成模塊

模擬信號(hào)生成模塊負(fù)責(zé)生成實(shí)驗(yàn)中的各種波形信號(hào),是整個(gè)系統(tǒng)硬件部分的核心模塊,本系統(tǒng)所需要的高頻信號(hào)和低頻信號(hào)都要經(jīng)過波形生成模塊的可編程高精度芯片來產(chǎn)生。模擬信號(hào)波形生成模塊采用AD公司生產(chǎn)的一款可編程的波形發(fā)生芯片AD9833,其可產(chǎn)生三角波,正弦波和方波[4]。AD9833可采用軟件編程的方式來控制輸出波形的頻率,考慮到輸出波形調(diào)制的需要,本系統(tǒng)采用兩片AD9833分別產(chǎn)生低頻調(diào)制信號(hào)和高頻載波信號(hào)。當(dāng)需要進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)寫入時(shí),首先在主控芯片控制下發(fā)送片選信號(hào),然后在SPI時(shí)鐘控制下,控制器模塊通過SPI總線以16位數(shù)據(jù)方式寫入AD9833。FSYNC為低電平觸發(fā)方式,寫入數(shù)據(jù)在低16個(gè)時(shí)鐘脈沖下降沿送入AD9833的移位寄存器。在芯片初始化階段,為防止產(chǎn)生虛假輸出需將RESET設(shè)置為高電平,待數(shù)據(jù)配置完畢再將其設(shè)置為低電平,在8～9個(gè)MLCK時(shí)鐘周期才可觀察到輸出波形。FSYNC可作為片選端,通過S3C2440輸出片選信號(hào)來分別控制兩片芯片,電路如圖3所示。

圖3　AD9833電路圖

2.3信號(hào)調(diào)制模塊

信號(hào)的調(diào)制是指用攜帶有信息的基帶信號(hào)去控制高頻振蕩信號(hào)的頻率、幅值或者相位的某一種參數(shù)[5]。為方便液晶材料的光電效應(yīng)以及方便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的頻譜分析,系統(tǒng)選用振幅調(diào)制的方式。信號(hào)調(diào)制模塊需采用乘法器,系統(tǒng)使用BURR-BROWN公司生產(chǎn)的MPY634。其具有高精度、寬頻帶等特點(diǎn),且在四象限內(nèi)精度為0.5%的偏差,帶寬最高可達(dá)10 MHz,且無需外部元件[6],其電路原理設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4　信號(hào)調(diào)制模塊

如圖所示,SF放大因數(shù)采用內(nèi)部校準(zhǔn)值10,v1為一路信號(hào)產(chǎn)生模塊的高頻信號(hào)輸入,w1是調(diào)制信號(hào)與直流偏壓線性疊加后的輸入,UMPY1為乘法器輸出,即振幅調(diào)制后的調(diào)制信號(hào)。

2.4功率放大模塊

在設(shè)計(jì)完波形發(fā)生模塊和嵌入式系統(tǒng)控制模塊后,常規(guī)做法是只需要將經(jīng)過控制的電信號(hào)輸送給升壓變壓器,將低電壓信號(hào)升高至高電壓信號(hào),便可產(chǎn)生滿足實(shí)驗(yàn)所需的電壓信號(hào)[7]。但在系統(tǒng)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)中,變壓器次級(jí)線圈輸出端電壓只有200 mV電流按照計(jì)算也只有0.1 mA?；谏鲜鲈谠O(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題,本項(xiàng)目將嵌入式系統(tǒng)控制模塊輸出的電信號(hào)傳送給升壓變壓器之前需進(jìn)行功率放大,而完成這部分功能的模塊稱為功率放大模塊。功率放大模塊包括了前期運(yùn)算放大器放大、中期音頻信號(hào)功率放大芯片和最后升壓變壓這3部分。前期運(yùn)算放大前期運(yùn)放實(shí)現(xiàn)跟隨器作用,將微弱信號(hào)進(jìn)行初級(jí)放大,功率放大芯片將此信號(hào)進(jìn)行功率放大,產(chǎn)生足夠的功率驅(qū)動(dòng)下一級(jí)升壓變壓器。升壓變壓器負(fù)責(zé)將功放芯片信號(hào)提升到最高400 V。經(jīng)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,功放芯片輸出電壓在±10 V,因此變壓器的升壓比為1∶40。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要負(fù)責(zé)向各模塊發(fā)送控制信號(hào),同時(shí)接受其他模塊芯片的反饋信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)控制、輸出、顯示。對(duì)信號(hào)的控制體現(xiàn)在對(duì)信號(hào)控制參數(shù)的設(shè)置,向各模塊發(fā)送控制參數(shù)命令幀。

3.1主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,系統(tǒng)初始化資源結(jié)束后啟動(dòng)控制界面,進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置,然后調(diào)用驅(qū)動(dòng)層API對(duì)設(shè)備進(jìn)行使能、頻率、幅值等操作。將光信號(hào)通過專用數(shù)據(jù)采集卡采集,最后將數(shù)據(jù)在控制界面顯示。主程序流程如圖5所示。

圖5　主程序流程圖

3.2系統(tǒng)軟件標(biāo)志位

在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時(shí),需要調(diào)用控制器S3C2440的外部中斷,然后配置相關(guān)中斷寄存器。為保證系統(tǒng)程序的正常運(yùn)行,在軟件設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)置了4個(gè)軟件程序標(biāo)志位,用以保證程序順利判斷所處的狀態(tài)。其流程圖如圖6所示。

(1)實(shí)驗(yàn)開始標(biāo)志位IS_Start:用來判斷是否可開始實(shí)驗(yàn),是整個(gè)系統(tǒng)控制模塊的軟件總開關(guān);(2)實(shí)驗(yàn)開始IS_Up:用于判斷是否正在進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。當(dāng)系統(tǒng)處于此階段時(shí),禁止數(shù)據(jù)收發(fā),以免新參數(shù)的輸入對(duì)當(dāng)前正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)造成影響;(3)IS_New:用于判斷是否開始一次全新的實(shí)驗(yàn)。因每次實(shí)驗(yàn)設(shè)置有關(guān)輸出信號(hào)的頻率,幅值等參數(shù)并不相同,可理解成每次實(shí)驗(yàn)的初始化操作的程序標(biāo)志位;(4)發(fā)送模擬信號(hào)IS_Send:此標(biāo)志位表示一次實(shí)驗(yàn)過程中是否輸出模擬信號(hào),當(dāng)次標(biāo)志位有效時(shí),開啟輸出通道,對(duì)外輸出模擬信號(hào)。

圖6　軟件標(biāo)志位流程圖

3.3模擬信號(hào)生成模塊子程序

波形發(fā)生模塊是整個(gè)電源的硬件核心模塊,只有在生成實(shí)驗(yàn)需求高頻和低頻交流信號(hào)的情況下,才能進(jìn)行后續(xù)的升壓和放大,最終生成電壓和頻率幅值都符合要求的交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本系統(tǒng)的波形發(fā)生模塊采用兩片AD9833可編程芯片,通過軟件編程的方式,實(shí)時(shí)產(chǎn)生頻率和相位靈活可調(diào)的交流信號(hào)。首先通過微控制器芯片S3C2440向負(fù)責(zé)生成高頻或者低頻信號(hào)的AD9833芯片發(fā)送片選信號(hào),然后通過SPI通信口向AD9833的控制寄存器、頻率寄存器、相位寄存器寫入數(shù)據(jù),完成芯片的工作模式選擇,頻率與相位的設(shè)定以及波形類型的選擇,最后經(jīng)過8～9個(gè)時(shí)鐘周期,產(chǎn)生輸出波形,產(chǎn)生的模擬信號(hào)進(jìn)入下一級(jí)波形調(diào)制模塊。當(dāng)執(zhí)行完一次輸出后,系統(tǒng)會(huì)查詢是否有SPI中斷請(qǐng)求,如果有中斷請(qǐng)求就表示有新的數(shù)據(jù)要寫入波形發(fā)生芯片,將返回繼續(xù)新的操作。其軟件流程如圖7所示。

圖7　波形生成模塊軟件流程圖

4系統(tǒng)性能驗(yàn)證

經(jīng)現(xiàn)場測試,該系統(tǒng)已成功應(yīng)用到聚合物分散液晶材料的光性能研究實(shí)驗(yàn)中?，F(xiàn)場使用效果和反饋數(shù)據(jù)均表明該驅(qū)動(dòng)電源能較好地滿足實(shí)驗(yàn)要求。

(1)硬件測試時(shí),模擬信號(hào)波形發(fā)生模塊按照設(shè)計(jì)要求依次檢測低頻信號(hào)調(diào)制信號(hào)、高頻載波信號(hào)和振幅調(diào)制信號(hào)波形輸出情況。結(jié)合軟件仿真的理論波形與實(shí)際現(xiàn)場采集波形進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明模擬信號(hào)發(fā)生模塊能夠按照原設(shè)計(jì)要求輸出AM波形。圖8(a)是軟件仿真的理論波形,圖8(b)是實(shí)際采集波形,其中調(diào)制信號(hào)幅度為±200 mV,1 142 Hz;載波信號(hào)幅值為500 mV,16 kHz,且每一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)有14個(gè)載波信號(hào)震蕩。

圖8　輸出AM波形圖

(2)將驅(qū)動(dòng)電源的輸出信號(hào)加載到液晶材料兩端時(shí)。從理論上來講,液晶材料的折射光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化,且此變化與信號(hào)的電壓強(qiáng)度變化是同步的。實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中,利用正弦信號(hào)和振幅調(diào)制信號(hào)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了以上結(jié)論。

圖9(a)中是利用頻率為1 kHz,占空比為50%,開關(guān)時(shí)間為10 ms的正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖,一行下方為液晶材料光反應(yīng)變化圖。從圖中可看出,正弦信號(hào)能正常輸出且可按照參數(shù)設(shè)置來開關(guān),光信號(hào)變化圖與驅(qū)動(dòng)信號(hào)基本同步。

圖9(b)是振幅調(diào)制信號(hào)的實(shí)際波形圖,圖片上方信號(hào)為頻率40 Hz的調(diào)制信號(hào),下方為液晶材料的光信號(hào)響應(yīng)圖。從圖中可看出,液晶材料的光響應(yīng)也隨波形的變化同步響應(yīng),也從而證明了液晶材料對(duì)連續(xù)變化的驅(qū)動(dòng)信號(hào)也具有足夠的響應(yīng)時(shí)間。

圖9　正弦信號(hào)與振幅調(diào)制信號(hào)實(shí)驗(yàn)圖

5結(jié)束語

本設(shè)計(jì)的目的是為聚合物分散液晶光性能實(shí)驗(yàn)研究中提供一種新型驅(qū)動(dòng)電源的解決方案。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的多樣化,驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率和電壓幅值均可按實(shí)驗(yàn)要求靈活調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了該系統(tǒng)能滿足該液晶材料光性能測試系統(tǒng)的基本功能,可作為此領(lǐng)域的一種研究平臺(tái)。另外,在對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)的功能上的延伸擴(kuò)展后,也可用于電控光學(xué)斬光器的研究中。

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A New Driving Power Supply System Based on S3C2440

WANG Chao,SUN Guoqiang

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractA suitable driving power supply is essential for the research about optical performance of polymer dispersed liquid crystal materials.In view of the low amounts of related commercial products,a design scheme of a driving power supply by using S3C2440 Micro-processor as the main controller is put forward.An output voltage within 400 V is achievable after boost and power amplification by using AD9833 signal chip to generate the waveform,frequency,and amplitude adjustable AC signal.The practical application shows that this system meets the requirement of experiment with simpler procedures and lower cost and overcomes the shortcomings of simple driver signals in conventional experiments.

Keywordspolymer dispersed liquid crystal;S3C2440;AD9833;driving signal

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.003

收稿日期:2015-09-17

作者簡介:王超(1987—),男,碩士研究生。研究方向:計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù),嵌入式。孫國強(qiáng)(1962—),男,副教授。研究方向:計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

中圖分類號(hào)TN104.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)05-008-05