基于DSP的電源監(jiān)測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

劉文程，應(yīng)亞萍，葉紅紅，徐淼鋒

（浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院，浙江 紹興 312030）

0 引 言

DSP作為高速信號(hào)處理芯片，具有靈活、不易被抗干擾、升級(jí)方便、運(yùn)行速度比較快、容易擴(kuò)展以及可兼容外設(shè)多等優(yōu)點(diǎn)。隨著數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）的不斷發(fā)展，在價(jià)格越來越低的同時(shí)，性能不斷提高。DSP已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如通信領(lǐng)域、家用電器、航天領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、生物工程和軍事領(lǐng)域[1,2]。

電源安全問題對(duì)于電路系統(tǒng)而言是非常重要的一環(huán)?，F(xiàn)在對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求逐漸提高，要求能夠?qū)﹄娫催M(jìn)行檢測(cè)，這將對(duì)電路安全發(fā)揮不可或缺的作用。在電子產(chǎn)品使用過程中，對(duì)電源的電壓、溫度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)異常情況進(jìn)行處理，這對(duì)于企業(yè)的安全生產(chǎn)尤為重要。根據(jù)上述情況，本文設(shè)計(jì)了基于DSP的電源監(jiān)測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)[3]。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

電源監(jiān)測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)方案采用TMS320F2812芯片作為處理器，分別與A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊以及報(bào)警模塊進(jìn)行連接。待檢測(cè)信號(hào)只進(jìn)行基本的處理即可接入檢測(cè)系統(tǒng)，通過AD采集芯片將監(jiān)測(cè)到的電壓和溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上，一旦監(jiān)測(cè)到電源溫度異常，處理器將控制報(bào)警模塊發(fā)出警報(bào)并及時(shí)控制電機(jī)進(jìn)行降溫。電機(jī)默認(rèn)情況下采用低速模式，可通過按鍵手動(dòng)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 電源電路模塊設(shè)計(jì)

DSP系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言至關(guān)重要，是必不可少的關(guān)鍵部分。正常情況下，在DSP芯片內(nèi)部有5種比較典型的電源，分別為中央處理器（Central Processing Unit，CPU）內(nèi)核電源、鎖相回路或鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）電源、輸入/輸出（Input/Output，I/O）電源、Flash編程電源、模擬電路電源。本文的電源檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)采用TPS73HD318芯片設(shè)計(jì)電源電路，TPS73HD318是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的一種雙電壓調(diào)整器，這種新型的雙電壓調(diào)整器與DSP芯片的結(jié)合程度較高，可以設(shè)計(jì)成電源電路用于目前大部分DSP芯片。TPS73HD318的低靜態(tài)電流和低損耗的特性保證了在電源電路系統(tǒng)中的最大功率需求，它的兩路輸出電壓都是固定值，即3.3 V和1.8 V。每個(gè)電源的輸出電流可以達(dá)到750 mA，并且能提供獨(dú)立的輸出，從而對(duì)電路實(shí)現(xiàn)控制。另外，每路輸出還提供了一種低電平的低電平有效復(fù)位脈沖，并將其作為 DSP芯片的上電復(fù)位信號(hào)。

1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

本文的電源檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)采用無刷直流電機(jī)作為外置風(fēng)機(jī)散熱的方式。無刷直流電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，故兩者的工作原理基本一樣，只是使用轉(zhuǎn)子代替電刷。無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本部分包括4個(gè)部件：無刷直流電機(jī)、逆變器、位置傳感器以及控制器。其中，電機(jī)是控制目標(biāo)，逆變器是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而電機(jī)的各種操作狀態(tài)都是通過控制器來完成的。位置傳感器只是一種傳感器，用來提供電機(jī)的換向邏輯信號(hào)。無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)過程如下，首先由傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)，其次下達(dá)換相命令，最后功率器件根據(jù)換相命令連通和分開，定子繞組與各種狀態(tài)的磁場(chǎng)以及磁場(chǎng)合力和轉(zhuǎn)子形成轉(zhuǎn)矩[4,5]。

利用 PWM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)分量連續(xù)可調(diào)。由于采用的 PWM信號(hào)波功率較低，不易直接進(jìn)行風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，因此需要在主控晶片與風(fēng)機(jī)之間通過信號(hào)放大電路來驅(qū)動(dòng)。工作流程大致如下：TMS320F2812接收到由霍爾傳感器產(chǎn)生的信號(hào)，通過信號(hào)里面的調(diào)節(jié)電路位置數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)速設(shè)定數(shù)據(jù)，整理出信號(hào)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為換相數(shù)據(jù)，然后TMS320F2812輸出 PWM信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)三相全橋驅(qū)動(dòng)電路的轉(zhuǎn)換，輸出三相交流電來驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電動(dòng)機(jī)的控制。

1.3 采集及顯示模塊設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)的檢測(cè)精度，本文的電源檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)采用16位的AD7656采集芯片。該裝置的工作電源最低為4.5 V，最高為5.5 V，可實(shí)現(xiàn)8MHz的輸入頻率。通過CONVST信號(hào)和內(nèi)部振蕩器控制，并對(duì)轉(zhuǎn)化過程與數(shù)據(jù)采集進(jìn)行轉(zhuǎn)換。多個(gè)CONVST引腳允許各自進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)。AD7656的并行連接方式和串行連接方式都是高速模式，可與微處理芯片以及DSP芯片進(jìn)行連接。AD7656具有菊花鏈的特點(diǎn)，可以使用多個(gè)ADC通道與串行連接方式進(jìn)行連接，并且沒有流水線延遲問題。它的8個(gè)并行采集數(shù)據(jù)端口可以同時(shí)監(jiān)控多路電源，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)和重要的的保護(hù)數(shù)值以顯而易見的方式顯示在設(shè)備上。

本文的電源檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)選取了FYD12864液晶屏作為顯示模塊，該顯示模塊具有4位或8位、2線或3線串行多種連接方式，使用具有中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖案進(jìn)行顯示組件。強(qiáng)大的字庫(kù)簡(jiǎn)化了編程，并運(yùn)用它的靈活連接方法，便于操作指令，同時(shí)它還可以組成整個(gè)中文人機(jī)交互圖案接口，從而大大提高了整個(gè)開發(fā)效率。

1.4 溫度保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)

本文的電源檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)溫度保護(hù)模塊基于DS18B20溫度傳感器，它的性價(jià)比較高，是由美國(guó)DALLAS公司制造的，最主要的特點(diǎn)是耐磨耐用、體積小、便于操作，適合于各種狹小空間的數(shù)字化測(cè)量與控制。DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)，可在沒有其他部件的情況下將多點(diǎn)測(cè)溫并聯(lián)于線上，從而達(dá)到組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫的效果。DS18B20對(duì)所有的傳感部件和轉(zhuǎn)化電路都進(jìn)行了集成，效果等同于一只三極管的集成電路。

DS18B20與TMS320F2812芯片的硬件接口進(jìn)行相連，DS18B20是利用外3.3 V電源與TMS320F2812芯片的外部供電電壓保持一致。DS18B20的關(guān)鍵信號(hào)線與TMS320F2812DSP的 GPIO口進(jìn)行連接，采用GPIO口的雙向輸入輸出特性，完成DS18B20芯片的讀寫功能，從而完成DS18B20芯片在適當(dāng)時(shí)間上的采集工作。

2 實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

本綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的流程如圖2所示，程序開始后，先進(jìn)行初始化工作，主要是對(duì)各個(gè)寄存器進(jìn)行設(shè)置，讓DSP接口電路可以依據(jù)正常流程進(jìn)行工作，并且對(duì)變量初始化。初始化完成后主程序進(jìn)入等待狀態(tài)，等待待檢測(cè)電源的電壓、溫度數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)沒有異常，就將電源的電壓、溫度數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上；如果溫度數(shù)據(jù)異常，則程序進(jìn)入中斷子程序，中斷子程序會(huì)先讓蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警操作，然后自啟動(dòng)電機(jī)，同時(shí)監(jiān)控鍵盤是否有按鍵按下。若有按鍵按下，則根據(jù)按鍵內(nèi)容調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速；若無按鍵按下，則顯示電壓、溫度數(shù)據(jù)，程序重新回到檢查電壓、溫度數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

圖2 主程序流程

電機(jī)控制流程如圖3所示，進(jìn)入中斷以后，先保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，然后對(duì)電機(jī)的電壓、電流進(jìn)行采樣，及時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，根據(jù)控制算法來輸出PWM波形。在本實(shí)驗(yàn)中，通過控制勵(lì)磁電源PWM波形進(jìn)行輸出是個(gè)重要內(nèi)容，選擇合適的控制算法尤為重要。

圖3 電機(jī)控制流程

3 系統(tǒng)測(cè)試

啟動(dòng)系統(tǒng)后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)保護(hù)參數(shù)設(shè)置模塊的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。對(duì)待檢測(cè)電源檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，對(duì)通道信號(hào)進(jìn)行采集和控制，并顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)，遇到溫度異常，能夠正常報(bào)警，并根據(jù)鍵盤調(diào)整轉(zhuǎn)速。經(jīng)過為期3個(gè)月的測(cè)試，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電源的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種電源檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)，介紹了實(shí)驗(yàn)總體方案的設(shè)計(jì)，包括電源電路模塊設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)、采集及顯示模塊設(shè)計(jì)、溫度保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)等，并介紹了實(shí)驗(yàn)程序的設(shè)計(jì)，經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)用性和可行性。學(xué)生通過學(xué)習(xí)電源檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)，開拓了思路，提高了動(dòng)手能力，培養(yǎng)了綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新力，增強(qiáng)了分析與解決問題的能力。