基于DSP和ARM的微弧氧化電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉晶，曹彪

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640）

基于DSP和ARM的微弧氧化電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉晶，曹彪

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640）

為了解決目前微弧氧化電源控制系統(tǒng)中存在的實(shí)時(shí)性不高，人機(jī)交互復(fù)雜的問(wèn)題，提出了一種基于DSP數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335和ARM微處理器S3C2440的雙核構(gòu)架控制系統(tǒng)方案，并完成軟硬件設(shè)計(jì)。其中DSP控制模塊負(fù)責(zé)微弧氧化過(guò)程中多信息檢測(cè)，數(shù)據(jù)處理及實(shí)時(shí)控制，ARM控制模塊完成觸摸屏人機(jī)交互功能和數(shù)據(jù)管理，兩個(gè)芯片之間采用SPI總線通信。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，人機(jī)界面友好的特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

DSP；ARM；微弧氧化；SPI總線；Linux

微弧氧化是一種利用電解液和微電弧的綜合作用在鋁、鎂等有色金屬及其合金制品表面生成高阻態(tài)、耐腐蝕、耐磨損的陶瓷質(zhì)氧化物膜層的表面處理技術(shù)，能顯著提高金屬表面性能，在航空、航天、機(jī)械、電子以及生物材料等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景［1_2］。目前微弧氧化電源的控制系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：多以普通單片機(jī)為核心，存在算法單一，控制精度不高，系統(tǒng)響應(yīng)能力不好等問(wèn)題。此外，人機(jī)交互大多采用的是按鈕、數(shù)碼管、指示燈組合，使得操作方式過(guò)于復(fù)雜［3_4］。

電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)微弧氧化電源的實(shí)時(shí)性和操作性提出了更高的要求，因此，本文設(shè)計(jì)了一種DSP+ARM雙核構(gòu)架的微弧氧化電源嵌入式控制系統(tǒng)，其中高性能的數(shù)字信號(hào)處理器DSP用來(lái)完成微弧氧化過(guò)程中電信號(hào)的采集與實(shí)時(shí)控制，ARM上通過(guò)移植Linux操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)Qt應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)觸摸屏人機(jī)交互，且具有豐富的接口擴(kuò)展功能。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

微弧氧化電源系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由主電路和控制系統(tǒng)兩部分組成。

圖1　微弧氧化電源系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

主電路是基于傳統(tǒng)的兩級(jí)逆變式結(jié)構(gòu)，由輸入整流濾波電路、功率逆變電路、高頻變壓器、次級(jí)整流濾波電路及斬波逆變電路組成［5］。功率逆變電路和斬波逆變電路均采用全橋逆變結(jié)構(gòu)，由IGBT開(kāi)關(guān)管、反并聯(lián)二極管以及阻容吸收電路構(gòu)成。通過(guò)改變功率逆變電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM的占空比實(shí)現(xiàn)輸出波形幅值的調(diào)節(jié)，通過(guò)控制斬波逆變電路可以得到直流、單脈沖、變極性脈沖等不同形式輸出波形。

控制系統(tǒng)主要由DSP和ARM及其外圍控制電路構(gòu)成，包括最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路、電信號(hào)采集與保護(hù)電路、觸摸屏接口電路、通訊接口電路和驅(qū)動(dòng)電路。工作過(guò)程是通過(guò)觸摸屏設(shè)定工作參數(shù)，選擇控制模式，啟動(dòng)微弧氧化過(guò)程，DSP采集主電路中的電壓和電流值，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算實(shí)時(shí)更新PWM占空比實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使電信號(hào)穩(wěn)定在給定值。

2　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1主控芯片選擇

為了滿足微弧氧化電源對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和精確性的要求，DSP選用TI公司的C28X系列的高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335。該芯片具有高性能的32位CPU，150 MHz的高速處理能力，并且有ADC模塊、增強(qiáng)型PWM模塊、串行外設(shè)接口SPI模塊等豐富的集成外設(shè)，極大的方便了電路設(shè)計(jì)。

微處理器選用的是三星公司的S3C2440芯片，是ARM920T內(nèi)核32位的精簡(jiǎn)指令構(gòu)架，集成了內(nèi)存管理單元支持Linux等嵌入式操作系統(tǒng)的移植。S3C2440還提供豐富的內(nèi)部設(shè)備，支持多種觸摸屏尺寸的LCD控制器，SPI通信接口等。

2.2外圍電路設(shè)計(jì)

采樣電路采用霍爾電壓、電流傳感器分別對(duì)負(fù)載電壓、電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，采集到的信號(hào)經(jīng)濾波、有效值處理、運(yùn)算放大后輸入DSP的AD采樣口。驅(qū)動(dòng)電路采用高速光耦隔離后放大的驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路中MOSFET和IGBT器件的開(kāi)通與關(guān)斷控制。故障保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電源控制中過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)熱的檢測(cè)與保護(hù)。

人機(jī)交互界面的硬件選用群創(chuàng)公司型號(hào)為AT070TN83 的7寸觸摸屏，分辨率為800×480，40針的LCD接口與控制板連接。

2.3DSP和ARM的接口設(shè)計(jì)

兩個(gè)芯片之間采用的是SPI總線通信，SPI是Motoro1a公司提出的一種同步串行外設(shè)接口協(xié)議總線［6］。它具有標(biāo)準(zhǔn)的傳輸協(xié)議，占用接口線少，傳輸效率高。本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)四線制接口，分別是串行時(shí)鐘線SCLK、主輸入從輸出線MISO、主輸出從輸入MOSI以及從機(jī)選擇線NSS［7］。本控制系統(tǒng)中S3C 2440為主機(jī)，發(fā)送時(shí)鐘脈沖SCLK，當(dāng)拉低NSS電平時(shí)，使能從器件DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1DSP軟件開(kāi)發(fā)

DSP模塊對(duì)微弧氧化電源中兩級(jí)逆變電路的控制是采用輸出PWM信號(hào)控制前級(jí)功率逆變，通過(guò)控制PWM占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖幅值的調(diào)節(jié)。后級(jí)斬波電路的控制信號(hào)由定時(shí)器控制I/O的高低電平進(jìn)行控制。為了減少功率損耗，對(duì)兩級(jí)逆變電路采用協(xié)同控制，在斬波逆變電路有脈沖輸出時(shí)，輸出PWM波形，功率逆變電路工作。

DSP主程序控制流程圖如圖2所示。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后循環(huán)等待ARM發(fā)送的控制指令，讀取SPI總線上的控制參數(shù)。開(kāi)啟定時(shí)器，啟動(dòng)PWM模塊，輸出PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率逆變電路中IGBT工作，同時(shí)觸發(fā)AD采樣模塊，對(duì)采集的電壓或電流值進(jìn)行PID運(yùn)算實(shí)時(shí)更新PWM信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的快速準(zhǔn)確控制，達(dá)到處理時(shí)間后，結(jié)束微弧氧化過(guò)程。

圖2　DSP軟件程序控制流程圖

微弧氧化是時(shí)變、非線性的過(guò)程［8，9］，傳統(tǒng)PID控制方法很難滿足系統(tǒng)控制要求。變極性輸出時(shí)，膜層負(fù)載對(duì)正脈沖和負(fù)脈沖的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不同，正脈沖作用時(shí)負(fù)載呈現(xiàn)為高電壓、低電流的高阻抗容性負(fù)載，負(fù)脈沖作用時(shí)系統(tǒng)則呈現(xiàn)為低電壓、大電流的低阻抗阻性負(fù)載。針對(duì)微弧氧化過(guò)程中正負(fù)脈沖作用時(shí)負(fù)載特性的差異及系統(tǒng)不同狀態(tài)對(duì)控制的不同要求，本文采用一種變結(jié)構(gòu)的增量式PID控制方法，如圖3所示。在正負(fù)脈沖輸出時(shí)，采用不同的控制參數(shù)對(duì)輸出電壓及電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2SPI通信的實(shí)現(xiàn)

在ARM上移植了嵌入式Linux操作系統(tǒng)［10，11］，要實(shí)現(xiàn)與DSP的通信，需要完成SPI驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與機(jī)器硬件之間的接口，為應(yīng)用程序屏蔽了硬件使用細(xì)節(jié)，當(dāng)作設(shè)備文件處理［12］。

SPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)主要有fi1e_operation結(jié)構(gòu)體的填充和相關(guān)設(shè)備操作函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。SPI設(shè)備初始化函數(shù)中完成控制寄存器的地址映射和SPI總線引腳電平的上拉。在SPI設(shè)備的open（）函數(shù)中完成配置SPI模塊的GPIO端口，使能外設(shè)時(shí)鐘，設(shè)置預(yù)分頻寄存器，配置波特率以及通信模式的選擇。SPI設(shè)備的寫(xiě)函數(shù)拉低NSS引腳使能從機(jī)DSP，從用戶空間讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間，然后將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到發(fā)送寄存器。

DSP工作在從控制器模式下，傳輸率由ARM主控制器提供的串行位移時(shí)鐘SPICLK決定，配置SPI模塊的端口，初始化控制寄存器，使能中斷，采用中斷的方式接收數(shù)據(jù)。

3.3圖形用戶界面的移植與開(kāi)發(fā)

人機(jī)交互功能是通過(guò)在Linux操作系統(tǒng)上移植開(kāi)發(fā)Qt應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Qt是一種跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架，具有很好的可配置性，適用嵌入式系統(tǒng)圖形用戶界面開(kāi)發(fā)，Qt的事件驅(qū)動(dòng)和信號(hào)與槽的編程模型，為用戶提供了很大的靈活性［13］。

文中QT應(yīng)用程序是在宿主機(jī)上開(kāi)發(fā)，移植到ARM板上運(yùn)行，需要搭建QT的開(kāi)發(fā)環(huán)境，主機(jī)版本是Ubuntu12.10，交叉編譯器版本是arm_1inux_gcc_4.3.3。在Qt Creator下開(kāi)發(fā)圖像用戶界面程序，交叉編譯，移植到目標(biāo)機(jī)［14］，開(kāi)發(fā)流程如圖4所示。

圖3　變結(jié)構(gòu)PID控制算法軟件流程圖

圖4　QT程序開(kāi)發(fā)流程圖

開(kāi)發(fā)的微弧氧化電源的參數(shù)設(shè)定界面如圖5所示，用戶可以進(jìn)行控制模式輸出方式的選擇，控制方式有電壓控制和電流控制，輸出方式有直流、單脈沖、變極性脈沖不同方式，并且通過(guò)彈出的小鍵盤(pán)進(jìn)行工藝參數(shù)的設(shè)定。也可以“調(diào)出”文件系統(tǒng)上已經(jīng)保存的實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)避免使用常用參數(shù)時(shí)的逐個(gè)輸入問(wèn)題［15］。

圖5　人機(jī)交互界面

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種DSP+ARM雙核構(gòu)架的微弧氧化電源控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力和ATM強(qiáng)大的事務(wù)管理功能。該系統(tǒng)可以滿足微弧氧化過(guò)程中實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求，實(shí)現(xiàn)觸摸屏人機(jī)交互，功能完善，可擴(kuò)展性強(qiáng)，具有很大的市場(chǎng)價(jià)值。

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The deslgn of Mlcro arc oxldatlon PoWer suPPly control system based on DSP and ARM

LIU Jing，CAO Biao
（College of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

In order to improve the rea1_time qua1ity and simp1ify the man_machine interaction of the micro arc oxidation power contro1 system，an embedded contro1 system based on DSP digita1 signa1 processor TMS320F28335 and ARM microprocessor S3C2440 is designed in this paper.The DSP is used to detect information，process data and achieve rea1 time contro1 during the micro arc oxidation process.The ARM is used to accomp1ish the function of human_machine interaction and data management. The communication between the two cores is through SPI.The experiment and app1ication show that this test system has the characteristics of fast response，good man_machine interaction，and achieve the design requirement.

DSP；ARM；Micro arc oxidation；SPI bus；Linux

TN86

A

1674_6236（2016）10_0088_03

2016_02_02稿件編號(hào)：201602007

廣東省_教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目（2012B091100347）

劉晶（1992—），女，湖北老河口人，碩士研究生。研究方向：數(shù)字化電源控制系統(tǒng)研究。