基于STM32數(shù)字式火花激發(fā)光源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳亞平，于力革

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

基于STM32數(shù)字式火花激發(fā)光源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳亞平，于力革

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

針對(duì)傳統(tǒng)火花激發(fā)光源系統(tǒng)激發(fā)頻率固定的問(wèn)題，提出了一種頻率可調(diào)數(shù)字式火花激發(fā)光源控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103芯片為控制核心，利用片內(nèi)定時(shí)器調(diào)節(jié)輸出脈沖占空比、頻率，設(shè)計(jì)了全橋逆變及其驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有控制脈沖輸出穩(wěn)定、激發(fā)頻率連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，有一定推廣價(jià)值。

火花激發(fā)光源；PWM；STM32F103；驅(qū)動(dòng)信號(hào)

火花激發(fā)光源是光電直讀光譜儀重要組成部分，激發(fā)光源具有使試樣蒸發(fā)、解離、原子化、激發(fā)、躍遷產(chǎn)生光輻射的作用。光電直讀光譜儀的主要技術(shù)指標(biāo)如準(zhǔn)確度、精密度和檢出限等很大程度上取決于所使用的激發(fā)光源［1］。

光電直讀光譜儀常用激發(fā)光源有直流電弧光源、交流電弧光源、電火花光源及電感耦合高頻等離子體光源（ICP）4種［2］。其中，直流電弧光源激發(fā)能力低，激發(fā)時(shí)易產(chǎn)生自吸收，不易進(jìn)行難激發(fā)元素分析；交流電弧光源穩(wěn)定性好可用于難激發(fā)元素分析，但檢測(cè)限較差；電感耦合高頻等離子體光源具有檢測(cè)限低，精密度、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，但儀器價(jià)格昂貴，維持費(fèi)用較高，一般用于分析溶液試樣；電火花光源是原子發(fā)射光譜中常用光源之一，具有強(qiáng)激發(fā)和強(qiáng)電離能力，有利于對(duì)難激發(fā)元素分析［3］，且具有放電穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，激發(fā)譜線(xiàn)自吸收小等優(yōu)點(diǎn)。上述4種光源，電火花光源對(duì)樣品檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)突出，但由于硬件結(jié)構(gòu)限制，放電頻率一般固定，或者只選擇兩三種，無(wú)法針對(duì)不同材料樣品靈活調(diào)整，因而檢測(cè)精度難以提高。為解決問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一種頻率連續(xù)可調(diào)的電火花光源激發(fā)系統(tǒng)已經(jīng)成為一種必然。本文提出的數(shù)字式火花激發(fā)光源可實(shí)現(xiàn)激發(fā)頻率連續(xù)可調(diào)，擴(kuò)大了檢測(cè)樣品的范圍，與傳統(tǒng)火花激發(fā)光源相比檢測(cè)精度更高，而且具有功耗低、穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)字式火花激發(fā)光源系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　數(shù)字式火花激發(fā)光源系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由激發(fā)控制電路、整流逆變電路、高壓點(diǎn)火電路、氬氣控制電路等組成。其中，控制電路通過(guò)接收上位機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，控制各電路模塊正常工作；整流逆變電路將輸入電壓經(jīng)過(guò)逆變、升壓、整流后得到500VDC，供高壓點(diǎn)火電路和脈沖形成網(wǎng)絡(luò)使用；高壓點(diǎn)火電路采用高能預(yù)燃技術(shù)產(chǎn)生15 KV電壓將分析間隙電離，在樣品和分析間隙之間形成一個(gè)供脈沖形成網(wǎng)絡(luò)放電的通道；氬氣控制電路控制氬氣沖洗，在分析間隙間形成氬氣保護(hù)氣氛；脈沖形成網(wǎng)絡(luò)在放電通道形成后激發(fā)樣品，產(chǎn)生火花；阻尼二極管可防止點(diǎn)火期間15 KV高壓脈沖反串，對(duì)電路起保護(hù)作用。

系統(tǒng)運(yùn)行分為沖洗、預(yù)燃和曝光3個(gè)階段。沖洗階段，操作者通過(guò)上位機(jī)發(fā)出沖洗指令控制氬氣沖洗樣品表面并在分析間隙內(nèi)形成氬氣控制氛圍。預(yù)燃階段，待氬氣控制氛圍形成后，發(fā)出預(yù)燃信號(hào)，整流逆變電路將輸入24 V直流電逆變?yōu)榻涣麟姡?jīng)升壓整流后得到500 V直流電，再經(jīng)點(diǎn)火電路二次升壓、整流，最終輸出15 kV高壓脈沖到達(dá)分析間隙電離待測(cè)樣品表面。曝光階段，當(dāng)待測(cè)樣品表面被電離后，脈沖形成網(wǎng)絡(luò)500 V充放電電容開(kāi)始放電，激發(fā)電離后的原子產(chǎn)生火花，從而完成一次樣品激發(fā)［4］。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1控制電路設(shè)計(jì)

控制電路實(shí)際上是一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)電壓采樣控制系統(tǒng)?？刂齐娐酚芍骺匦酒捌渫獠縅TAG調(diào)試口、復(fù)位按鍵、晶振電路、BOOT設(shè)置以及LED顯示等組成。

系統(tǒng)主控芯片采用的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103微處理器。STM32F103微處理器采用高性能ARM Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，采用三級(jí)流水線(xiàn)并帶分支預(yù)測(cè)功能從而保證其性能發(fā)揮。該處理器具有豐富的硬件資源：64K字節(jié)Flash存儲(chǔ)器和20K字節(jié)SRAM、多達(dá)51個(gè)快速I(mǎi)/O端口、2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、16個(gè)外部輸入通道、7個(gè)定時(shí)器，最多可生成24路獨(dú)立PWM信號(hào)。供電電壓2.0～3.6 V［5］。

STM32F103系列微處理器具有3個(gè)通用定時(shí)器以及1個(gè)高級(jí)控制定時(shí)器，可輸出互補(bǔ)PWM波。本系統(tǒng)利用微處理器TIM3通用定時(shí)器編程生成四路互補(bǔ) PWM波驅(qū)動(dòng)MOSFET全橋逆變電路，配合12位高精度D/A模塊精確控制輸出電壓，降低系統(tǒng)對(duì)硬件電路要求，減小系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提高系統(tǒng)可靠性，縮短開(kāi)發(fā)周期。

2.2電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中電源模塊是電路關(guān)鍵組成部分，是系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)供電為24 V直流電源供電，各電路模塊需要的不同電壓通過(guò)相應(yīng)電源轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后得到［6］，電源模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　電源轉(zhuǎn)換電路

LM2576S-5.0電壓轉(zhuǎn)換芯片將輸入24 V直流電壓轉(zhuǎn)換得到5 V電壓對(duì)通信電路進(jìn)行供電，電感、電容組成LC回路對(duì)輸出電壓進(jìn)行濾波，二極管D6起到續(xù)流作用。

ASM1117-3.3電壓轉(zhuǎn)換芯片將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V為控制電路供電。二極管D1為3.3 V輸出指示燈。

MOSFET全橋逆變驅(qū)動(dòng)芯片TC4427所需電壓由24 V直流電源直接供電。IGBT半橋逆變驅(qū)動(dòng)芯片HCPL3120所需15 V電壓由金升陽(yáng)電源隔離模塊B2415-2W轉(zhuǎn)換得到。

2.3通信電路設(shè)計(jì)

RS485串口通信以其可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。因此系統(tǒng)選擇RS485串口實(shí)現(xiàn)STM32F103單片機(jī)與上位機(jī)通信，通過(guò)高速光耦合器6N137來(lái)消除工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾對(duì)通信功能的影響，采用最高傳輸速率可達(dá)2.5 Mbps半雙工通信芯片MAX1487實(shí)現(xiàn)TTL電平與485電平轉(zhuǎn)換。RS485通信電路如圖3所示。

圖3　串口通信電路

2.4驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

控制芯片STM32F103生成的四路PWM波，由于其電壓過(guò)小不足以直接驅(qū)MOSFET開(kāi)關(guān)管，因此全橋逆變前需加前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路。本文采用驅(qū)動(dòng)芯片TC4427對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行隔離、放大，來(lái)驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)管，全橋逆變驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4　全橋逆變驅(qū)動(dòng)電路

2.5逆變電路設(shè)計(jì)

逆變電路采用全橋逆變得到預(yù)燃和曝光所需電壓。STM32F103定時(shí)器輸出PWM波經(jīng)前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路放大后，用以驅(qū)動(dòng)MOSFET。

數(shù)字式火花激發(fā)光源工作時(shí)，為保證控制電路復(fù)位期間全橋逆變驅(qū)動(dòng)端及時(shí)關(guān)閉，在MOSFET柵極輸入端加有上拉和下拉電阻。當(dāng)逆變電路工作在高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)，為防止過(guò)電壓對(duì)器件損害，在開(kāi)關(guān)管漏極與源極間加有RCD吸收電路，對(duì)開(kāi)關(guān)管起保護(hù)作用［7］，MOSFET全橋逆變電路如圖5所示。

圖5　MOSFET全橋逆變電路

2.6采樣電路設(shè)計(jì)

采樣電路主要對(duì)逆變電路輸出電壓進(jìn)行采樣，采樣得到的端電壓經(jīng)光耦隔離輸入電壓比較器LM393，電壓比較器輸出值送入STM32F103芯片A/D引腳，在單片機(jī)內(nèi)部通過(guò)增量式PID控制算法進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的［8］，采樣電路如圖6所示。

圖6　采樣電路

由于主控芯片工作電壓為0～3.3 V，因此采樣電路輸出電壓不能高于3.3 V。為防止電壓過(guò)高，在輸出電壓端加有3.3 V穩(wěn)壓二極管，同時(shí)電容起到濾波作用，提高系統(tǒng)信號(hào)精度和穩(wěn)定性。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，在STM32F103控制芯片中采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、ADC采樣、PWM生成等功能，便于調(diào)試和移植。控制系統(tǒng)軟件主要包括以下模塊。

3.1系統(tǒng)初始化模塊

系統(tǒng)初始化模塊是STM32F103控制芯片上電之后最先執(zhí)行的程序，其目的是保證主程序按照預(yù)定方式執(zhí)行。系統(tǒng)初始化模塊包括時(shí)鐘初始化、中斷初始化、芯片各引腳輸入輸出設(shè)置、外擴(kuò)展單元的檢測(cè)等。

3.2ADC采樣模塊

STM32F103控制芯片內(nèi)部12位ADC是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，12位ADC精度滿(mǎn)足電壓分辨率要求。它有多達(dá)18個(gè)通道，可測(cè)量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源，轉(zhuǎn)換速率最大可達(dá)1 MHz，滿(mǎn)足系統(tǒng)采樣周期的要求。

采樣模塊首先對(duì)ADC進(jìn)行初始化，然后啟動(dòng)ADC采樣，定義數(shù)組存放電壓采樣結(jié)果，對(duì)信號(hào)采樣經(jīng)移位還原后送入到數(shù)組中。如果設(shè)定的ADC中斷發(fā)生，則轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)子程序，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，完成對(duì)電壓采樣。

3.3PWM生成模塊

PWM生成模塊是系統(tǒng)軟件的重要組成部分。PWM（Pulse Width Modulation）是一種通過(guò)處理器數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的手段，即對(duì)脈沖寬度的調(diào)制［9］。

本系統(tǒng)選取STM32F103芯片內(nèi)部TIM2定時(shí)器生成PWM波，PWM波生成原理如圖7所示。

當(dāng)定時(shí)器內(nèi)部CNT寄存器計(jì)數(shù)值小于CCRx寄存器預(yù)設(shè)值時(shí)，IO口輸出低電平，當(dāng)CNT寄存器計(jì)數(shù)值大于CCRx預(yù)設(shè)值時(shí)，IO口輸出高電平，當(dāng)CNT寄存器計(jì)數(shù)值等于A(yíng)RR寄存器預(yù)設(shè)值時(shí)，計(jì)數(shù)器歸零然后重新向上計(jì)數(shù)，依次循環(huán)，最終輸出PWM波。通過(guò)控制定時(shí)器內(nèi)部寄存器CCRx、ARR數(shù)值，可對(duì)輸出PWM進(jìn)行占空比、周期調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓的目的［10］。

圖7　PWM生成原理

生成PWM波的具體步驟如下：

1）TIM2定時(shí)器設(shè)置，包括初始化TIM1定時(shí)器，設(shè)置時(shí)鐘預(yù)分頻，設(shè)置寄存器ARR、PSC、CCRx參數(shù)等。

2）設(shè)置TIM2定時(shí)器四路通道工作模式，使能定時(shí)器各通道輸出。

3）通過(guò)“TIM_Cmd（TIM2,ENABLE）”語(yǔ)句使能TIM2定時(shí)器，輸出四路PWM波。

部分代碼如下：

void time_init（void）

｛TIM_TimeBaseInitTypeDef

TIM_TimeBaseStructure；

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure；

TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInitStructure；

RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_TIM2, ENABLE）；//開(kāi)定時(shí)器2外設(shè)時(shí)鐘

//定時(shí)器2配置720分頻，頻率500Hz，向上計(jì)數(shù)

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=199；

//設(shè)置ARR重新裝載寄存器數(shù)值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=719；

//設(shè)置定時(shí)器1時(shí)鐘預(yù)分頻數(shù)值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=0；

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode= TIM_CounterMode_Up；//定時(shí)器2工作在向上計(jì)數(shù)模式

TIM_TimeBaseInit（TIM2,&TIM_TimeBaseStructure）；

//定時(shí)器2初始化

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1

//設(shè)置定時(shí)器2輸出為PWM1模式

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState= TIM_OutputState_Enable；//比較輸出使能

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState= TIM_OutputNState_Enable；//互補(bǔ)輸出使能

TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=100；

//占空比為50%

3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)邏輯分析儀實(shí)際測(cè)到STM32F103定時(shí)器1四通道脈沖控制信號(hào)輸出波形如圖8所示。

圖8　控制信號(hào)輸出波形

由圖中可以看出，STM32F103定時(shí)器四通道輸出頻率為500Hz占空比為50%的控制信號(hào)。通過(guò)改變寄存器值可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)頻率占空比的目的。STM32F103輸出的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)MOSFET驅(qū)動(dòng)電路放大后對(duì)逆變器進(jìn)行精確控制從而保證數(shù)字式火花激發(fā)光源正常工作。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于STM32F103芯片數(shù)字式火花激發(fā)光源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用低功耗STM32F103芯片進(jìn)行PWM波脈寬調(diào)制，相比傳統(tǒng)火花激發(fā)光源可實(shí)現(xiàn)激發(fā)頻率連續(xù)可調(diào)，在一定程度上擴(kuò)大了火花激發(fā)光源適用范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可作為模塊化電路集成到數(shù)字式火花激發(fā)光源中。隨著光電直讀光譜儀系統(tǒng)不斷發(fā)展，數(shù)字式火花激發(fā)光源將有更高的應(yīng)用價(jià)值和更廣的市場(chǎng)前景。

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Design of digital spark light-source control system based on STM32

WU Ya-ping,YU Li-ge
（Institute of Networking Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122,China）

Considering fixed excitation frequency problem in traditional spark light-source system,a digital spark light-source system is presented.Using STM32F103 as the core chip,the full bridge inverter circuit and the corresponding driving circuit were designed.Experimental results have shown that,the system has advantages of controlling the pulse output stability and frequency continuous adjustable,and has some promotional value.

spark light-source；PWM；STM32F103；driving signal

TN709

A

1674－6236（2016）13-0136-04

2015-07-21稿件編號(hào)：201507148

吳亞平（1990—），男，江蘇高郵人，碩士研究生。研究方向：控制工程及應(yīng)用。