S3C4480在高精度直流開關(guān)電源設(shè)計中的應(yīng)用

介紹了嵌入式ARM處理器S3C44BO的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并將其應(yīng)用到開關(guān)電源控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計中,詳細(xì)給出了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和軟件主程序流程圖。

關(guān)鍵詞：ARM;開關(guān)電源;PID

引言

近年來,嵌入式技術(shù)發(fā)展極為迅速,出現(xiàn)了以單片機(jī)、專用嵌入式ARM為核心的高集成度處理器,并在通信、自動化、電力電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。電源行業(yè)也開始采用內(nèi)部集成資源豐富的嵌入式控制器來構(gòu)成大型開關(guān)電源的控制系統(tǒng)。開關(guān)電源是效率較高的一種電源,是由占空比可凋的脈寬調(diào)制波(PWM)來控制M0S管、IGBT等開關(guān)器件的開通與關(guān)閉,從而實現(xiàn)電壓電流穩(wěn)定輸出,其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個電子系統(tǒng)的工作性能指標(biāo)。將SAMSUNC公司的嵌入式ARM處理器S3C44BOX芯片,應(yīng)用到開關(guān)電源的控制系統(tǒng)的設(shè)計中,采用C語言和少量匯編語言,就可以實現(xiàn)一種以嵌入式ARM處理器為核心、具有智能PID控制器以及觸摸屏、液晶顯示器等功能的開關(guān)電源控制系統(tǒng)。

l 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

隨著數(shù)字電路和半導(dǎo)體工藝日趨完善成熟,數(shù)字信號、數(shù)字電路在應(yīng)用中所占比例越來越大,同時顯現(xiàn)出越來越多的優(yōu)點：便于計算機(jī)處理控制、減小信號的干擾、提高抗干擾能力、便于調(diào)試,也便于自診斷、容錯等技術(shù)的植入。隨著嵌入式處理器主頻的提升,片內(nèi)控制功能的增強,PWM波形頻率與精度的進(jìn)一步提高,使得電源控制系統(tǒng)的集成度與精度得以提高。

本電源對輸出的電壓電流信號進(jìn)行采樣,進(jìn)行PID控制,最后輸出PWM驅(qū)動波形調(diào)節(jié)輸出電壓。輸出電壓通過對大容量鉭電容充放電,給負(fù)載提供穩(wěn)定的高電壓大電流輸出,供工廠進(jìn)行電鍍使用。電源的控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)包括PID控制器,PWM輸出,AD采樣,構(gòu)成單閉環(huán)系統(tǒng)。前端三相交流電源輸入到開關(guān)電源整流模塊,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AD轉(zhuǎn)換器將后端輸出的電壓電流信號由模擬信號量變?yōu)閿?shù)字量供給S3C44BO進(jìn)行數(shù)字PlD運算,經(jīng)過PID控制運算后,由S3C4480輸出PWM至IGBT從而構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng),控制電壓電流穩(wěn)定輸出,從而實現(xiàn)開關(guān)電源控制系統(tǒng)。

對于PID運算和PWM波輸出模塊,要求較高。通過計算和考查,我們選取了,SAMSUNC公司的S3C4480,這是一款32位基于ARM7TDtMI架構(gòu)的CPU,擁有高達(dá)59MIPS的運算速度,其具體功能特性如下：

運算速度高達(dá)59 MIPS,完全滿足復(fù)雜PID控制器運算的實時性要求;
16位的定時器,可實現(xiàn)精度高達(dá)0．03 μs的PWM脈沖波,并且有防死區(qū)(DEADZONE)功能;
外部中斷源多達(dá)8個,可以對系統(tǒng)外部故障信息進(jìn)行實時響應(yīng);
內(nèi)部嵌入了LCD)控制器,并擁有DMA通道,使得電壓電流值可以實時顯示在LCD上;
多達(dá)71個通用10口線,可以方便地擴(kuò)展外部接口;
內(nèi)嵌的lIC接口控制器可以將系統(tǒng)信息保存在EEPROM中,為系統(tǒng)操作員提供參考;
內(nèi)部的看門狗功能可使系統(tǒng)在軟件或硬件出錯的情況下自動復(fù)位,保證了系統(tǒng)的安全正常運行;
2個異步串行接口(UART)可以方便地實現(xiàn)和上位機(jī)的通信;
外擴(kuò)的大容量存儲器為軟件提供j,充足的空間。

首先系統(tǒng)采用觸摸屏和LCD作為人機(jī)接口。S3C44BO內(nèi)部集成了LCD控制器,可支持高達(dá)320×240分辨率,256色sTN—LCD),并通過DMA通道與CPU相連,可以快速動態(tài)地顯示彩色圖形,替代了廠家傳統(tǒng)的5l系列單片機(jī)與LED數(shù)碼管組成的人機(jī)接口,使工人操作更加方便。S3C44BO外部GPIO接口,町以提供多種外部信號如表1所列。

8個外部中斷,滿足對過流,過壓,缺相,超溫等特殊情況的即時停機(jī)響應(yīng)。S3C44BO帶有外部存儲器接口,通過外擴(kuò)FLAsH SST39VF160和SDRAM HY641620保證了本數(shù)字控制系統(tǒng)有足夠的空間保存和運行程序。由于設(shè)計精度要求千分之一,未選用S3C4480片內(nèi)IOBIT—ADC,而是選用了AD7705這款雙通道、168IT△一∑的ADC,并通過SIO同步端口與CPU連接。AD7705的配置可見參考文獻(xiàn)[7],這里不再說明。