引 言

　　直流穩(wěn)壓電源是一種比較常見(jiàn)的電子設(shè)備,，一直被廣泛地應(yīng)用在電子電路、實(shí)驗(yàn)教學(xué),、科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域,。近年來(lái)，嵌入式技術(shù)發(fā)展極為迅速,，出現(xiàn)了以單片機(jī),、嵌入式ARM 為核心的高集成度處理器，并在自動(dòng)化,、通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,。電源行業(yè)也開(kāi)始采用內(nèi)部集成資源豐富的嵌入式控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字穩(wěn)壓電源的控制系統(tǒng)。數(shù)字穩(wěn)壓電源是用脈寬調(diào)制波（PWM）來(lái)控制MOS管等開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)閉,，從而實(shí)現(xiàn)電壓電流的穩(wěn)定輸出,。數(shù)字穩(wěn)壓電源還具備自診斷功能，能實(shí)現(xiàn)過(guò)壓過(guò)流保護(hù),、故障警告等,。

　　相比之前的模擬電源，數(shù)字穩(wěn)壓電源大大減少了在模擬電源中常見(jiàn)的誤差,、老化,、溫度漂移,、非線性不易補(bǔ)償?shù)戎T多問(wèn)題，提高了電源的靈活性和適應(yīng)性,。將SAMSUNG公司的嵌入式ARM 處理器S3C2440芯片應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)數(shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)中,，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)一種以嵌入式ARM 處理器為核心,，具備PID控制器以及觸摸屏等功能的測(cè)試系統(tǒng)數(shù)字穩(wěn)壓電源控制系統(tǒng),。

　　1 測(cè)試系統(tǒng)數(shù)字穩(wěn)壓電源組成及工作原理

　　數(shù)字穩(wěn)壓電源由主控制器、PWM 穩(wěn)壓電路,、電壓電流取樣電路,、PID控制器、觸摸屏組成,，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

　　本電源對(duì)輸出的電壓電流信號(hào)進(jìn)行采樣，進(jìn)行PID控制,，最后輸出PWM 驅(qū)動(dòng)波形調(diào)節(jié)輸出電壓,。輸出電壓提供給芯片測(cè)試平臺(tái)，供其測(cè)試芯片時(shí)使用,。

　　前端交流電源輸入到整流模塊,，經(jīng)整流濾波后輸出平穩(wěn)的直流電壓。該直流電壓直接輸出至IGBT模塊,。

　　高精度A/D轉(zhuǎn)換器將后端輸出的電壓電流信號(hào)由模擬信號(hào)量變?yōu)閿?shù)字量供給S3C2440進(jìn)行數(shù)字PID運(yùn)算,，經(jīng)過(guò)PID 控制器運(yùn)算后，由S3C2440輸出PWM 至IGBT,，從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng),，控制電壓電流穩(wěn)定輸出，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì),，提供給芯片測(cè)試系統(tǒng)使用,。ARM 控制器通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，在觸摸屏上設(shè)置參數(shù)和顯示信息,。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 ARM 控制系統(tǒng)組成

　　鑒于PID運(yùn)算和PWM 波輸出模塊要求高,，通過(guò)考查，選擇SAMSUNG公司的S3C2440,，這是一款32位基于ARM920T內(nèi)核的CPU,，擁有高達(dá)400MHz的頻率，完全能滿足PID控制器運(yùn)算的實(shí)時(shí)性要求,；16位的定時(shí)器,，可實(shí)現(xiàn)精度高達(dá)0.03μs的PWM 脈沖波，并且有防死區(qū)功能；24個(gè)外部中斷源,，完全可以滿足對(duì)系統(tǒng)外部故障信息進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng),；內(nèi)部嵌入LCD控制器，并擁有DMA通道,，使得電壓電流值能夠?qū)崟r(shí)顯示在LCD上,，還可以通過(guò)觸摸屏設(shè)計(jì)一些所需的參數(shù)；多達(dá)140個(gè)通用I/O口,，可以方便地?cái)U(kuò)展外部接口和設(shè)備,；擁有8通道多路復(fù)用ADC，10位的數(shù)字編碼,，高達(dá)500kSPS轉(zhuǎn)換率,，滿足了測(cè)試系統(tǒng)所需的A/D轉(zhuǎn)換精度。

　　2.2 PWM 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

　　脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation,，PWM）原理是PWM 調(diào)制信號(hào)對(duì)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制,，使輸出端得到一些列幅值相等而寬度不相等的脈沖,，經(jīng)過(guò)處理后得到穩(wěn)定的直流電壓輸出,。

　　PWM 調(diào)制信號(hào)由ARM 主控制器根據(jù)設(shè)定的電壓值，按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制后給出脈沖信號(hào),。

　　PWM 穩(wěn)壓電路如圖2所示,。

圖2 PWM 穩(wěn)壓電路

　　半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件其開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度的快慢直接影響電源的轉(zhuǎn)換效率和負(fù)載能力，本系統(tǒng)PWM 穩(wěn)壓電路中,，驅(qū)動(dòng)電路由電阻,、電容、晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管組成,，MOSFET是電壓?jiǎn)螛O性金屬氧化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管,，所需驅(qū)動(dòng)功率很小，容易驅(qū)動(dòng),。MOSFET的輸入阻抗很高,，其導(dǎo)通和關(guān)斷就相當(dāng)于輸入電容充放電過(guò)程。根據(jù)所選器件的參數(shù),，計(jì)算出滿足的條件,，保證驅(qū)動(dòng)電路提供足夠大的過(guò)充電流，實(shí)現(xiàn)MOSFET 快速,、可靠的開(kāi)關(guān),。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　采用S3C2440為核心處理器，其豐富的片上資源和優(yōu)秀的運(yùn)算速度,，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,，編寫(xiě)軟件主要以C語(yǔ)言進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，其大容量存儲(chǔ)器，完全能滿足系統(tǒng)程序的數(shù)據(jù)存儲(chǔ),。

　　該測(cè)試系統(tǒng)中ARM 處理器所要實(shí)現(xiàn)的主要功能和軟件實(shí)現(xiàn)方法如下,。

　　3.1 PWM 波產(chǎn)生

　　PWM 用于對(duì)電路中IGBT 的驅(qū)動(dòng)。根據(jù)輸出采樣,，設(shè)定和調(diào)整定時(shí)器配置寄存器TCFGn 和定時(shí)器n計(jì)數(shù)緩存寄存器TCNTBn中的值來(lái)改變輸出PWM 波的周期和脈沖寬度,。修改TCNTBn的值可以控制PWM 波的占空比增加或減少1，PWM 輸出占空比增加或者減少千分之一,，可以達(dá)到千分之一的控制精度,。

　　3.2 監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)

　　為了使數(shù)字穩(wěn)壓電源能夠可靠、安全地為測(cè)試系統(tǒng)提供電壓,，該系統(tǒng)設(shè)置了監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng),，主要用于過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)等，ARM 處理器對(duì)電壓和電流采用雙重檢測(cè),，當(dāng)電壓電流超出所設(shè)定的危險(xiǎn)值范圍時(shí),，聲光報(bào)警，并啟動(dòng)保護(hù)電路,。

　　3.3 PID控制算法

　　PID控制器由比例,、積分、微分控制器組合,，將測(cè)量的受控對(duì)象（在本系統(tǒng)中為電壓電流值）與設(shè)定值相比較,，用這個(gè)誤差來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)，以達(dá)到動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的控制過(guò)程,。

　　在數(shù)字穩(wěn)壓電源PID控制系統(tǒng)中,，使用比例環(huán)節(jié)控制電壓電流的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例改變，但是這里會(huì)存在一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差,，即實(shí)際值與給定值間存在的偏差,，因此需要引入積分環(huán)節(jié)來(lái)消除穩(wěn)態(tài)誤差以提高系統(tǒng)精度。但由于電源系統(tǒng)在導(dǎo)通,、關(guān)斷時(shí),，產(chǎn)生積分積累，會(huì)引起電壓電流超調(diào),，甚至?xí)霈F(xiàn)震蕩,。為了減小這方面的影響，設(shè)定給定一個(gè)誤差值范圍,，當(dāng)電壓電流與設(shè)定工作值的誤差小于這一給定值時(shí),，采用積分環(huán)節(jié)去消除系統(tǒng)比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差。PID控制算法設(shè)定閾值ε,，當(dāng)|e（k）|>ε時(shí),，采用PD控制環(huán)節(jié),，減少超調(diào)量，使系統(tǒng)有較快的響應(yīng),；當(dāng)|e（k）|《ε時(shí),，采用PID控制，以保證電壓電流精度和穩(wěn)定度,。在電壓達(dá)到千分之一精度范圍后,，需要加入積分環(huán)節(jié)，以完成電源開(kāi)機(jī)時(shí)迅速穩(wěn)定的輸出,。PID算法流程圖如圖3所示,。

圖3 PID控制算法流程圖

　　PID控制算法程序采用結(jié)構(gòu)體定義：

　　struct PID{

　　unsigned int SetPoint; //設(shè)定目標(biāo)Desired Value

　　unsigned int Proportion; //比例常數(shù)Proportional Const

　　unsigned int Integral; //積分常數(shù)Integral Const

　　unsigned int Derivative; //微分常數(shù)Derivative Const

　　unsigned int LastError; //Error［-1］

　　unsigned int PrevError; //Error［-2］

　　unsigned int SumError; //Sums of Errors

　　}spid;

　　在PID控制算法中，經(jīng)過(guò)不斷與給定值進(jìn)行比較,，動(dòng)態(tài)控制電壓電流輸出的穩(wěn)定,，同時(shí)確保電壓電流輸出的精度。

　　PID控制算法程序如下：

　　unsigned int PIDCalc（struct PID *pp,，unsigned int Next-Point）

　　{

　　unsigned int dError,，Error;

　　Error=pp->SetPoint-NextPoint; //偏差

　　pp->SumError+= Error; //積分

　　dError=pp->LastError-pp->PrevError; //當(dāng)前微分

　　pp->PrevError=pp->LastError;

　　pp->LastError= Error;

　　return（pp->Proportion* Error //比例

　　+pp->Integral*pp->SumError //積分項(xiàng)

　　+pp->Derivative*dError）； //微分項(xiàng)

　　}

　　測(cè)試系統(tǒng)的整體程序流程圖如圖4所示,。

圖4 主程序流程圖

　　本文所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)數(shù)字穩(wěn)壓電源能夠滿足芯片測(cè)試所需的電源要求,。圖5為輸出的一路電壓。由圖可知,，所輸出的電壓穩(wěn)定,。

圖5 輸出電壓波形圖

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源提供的電壓穩(wěn)定可靠,，系統(tǒng)運(yùn)行也非常穩(wěn)定,。由于可擴(kuò)展的I/O 非常多，可以同時(shí)為多個(gè)芯片提供各種所需的穩(wěn)壓電源電壓值,。該系統(tǒng)不僅能夠用在實(shí)驗(yàn)室芯片測(cè)試工作中,，而且可以通過(guò)軟件編程的方法，修改一些控制程序,，使所設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源作為智能電子產(chǎn)品性能測(cè)試的電源電壓,，這樣提高了設(shè)備的使用效率，有著不錯(cuò)的應(yīng)用前景,。