內容摘要：隨著電子信息技術和半導體技術的深入發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應用日趨廣泛，在控制領域之中更多的使用了高性能微處理器，以滿足各方面越來越多的控制應用需求。基于ARM嵌入式平臺的數(shù)字調壓控制系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)上以旋鈕或滑變式變阻器對交流電壓進行模擬控制的弊端。本系統(tǒng)以嵌入式技術為基礎，在嵌入式平臺上利用ARM微處理器實時控制數(shù)模信號的轉換，以控制正弦波調壓模塊對交流電壓的大小調節(jié)。本文中通過對本系統(tǒng)的實際測試，驗證了數(shù)字調壓控制系統(tǒng)的功能特性，并且定量測試得出了本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對交流電壓進行線性調節(jié)的結論。數(shù)字調壓控制系統(tǒng)可作為對電壓的智能調節(jié)裝置應用于家庭、醫(yī)療及工業(yè)自動化等領域，并且具有調節(jié)精度高、調節(jié)線性度好，易于操作等特性。

    調壓控制系統(tǒng)作為對電壓的智能調節(jié)管理裝置常用于家庭、醫(yī)療和工業(yè)自動化控制等領域。以往對交流電壓的控制調節(jié)通常使用滑動式或旋鈕式變阻器串接入電壓回路中實現(xiàn)，旋鈕的長時間旋轉會導致調節(jié)不靈敏甚至失效，調節(jié)的精度降低，誤差較大。隨著電子科技和嵌入式技術的迅猛發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)越來越多的應用于控制領域之中，在嵌入式平臺上實現(xiàn)數(shù)字智能控制的調壓系統(tǒng)有著重要的意義。文中選用ARM Cotrex—A8微處理器搭建硬件控制平臺，使用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)，實時性強，易于開發(fā)。

    1 ARM數(shù)字調壓控制系統(tǒng)的總體設計

    ARM數(shù)字調壓控制系統(tǒng)的硬件設計主要包括硬件的總體設計、處理器的選型以及硬件的詳細設計。ARM數(shù)字調壓控制系統(tǒng)總體設計階段主要任務是依照嵌入式系統(tǒng)的設計流程，明確系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，對系統(tǒng)進行硬件模塊劃分，系統(tǒng)硬件結構框架確定之后選定處理器型號，搭建開發(fā)環(huán)境已完成本系統(tǒng)的設計目標。

    1.1 ARM數(shù)字調壓控制系統(tǒng)的結構

    系統(tǒng)的硬件總體設計是以系統(tǒng)的功能需求為基礎的。本系統(tǒng)的研究目標是ARM數(shù)字調壓控制系統(tǒng)，需要實現(xiàn)通過數(shù)字信號控制來完成對交流電壓的智能調節(jié)。一個完整的數(shù)字式調壓控制系統(tǒng)包括了核心控制模塊、數(shù)模信號轉換模塊、輸入輸出模塊和正弦波調壓模塊四個部分組成。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。用戶從輸入輸出模塊輸入指令給控制模塊，控制模塊收到指令后控制數(shù)模轉換模塊執(zhí)行數(shù)字信號到模擬信號的轉換，轉換結果輸出給正弦波調壓模塊。

    核心控制模塊主要包括ARM處理器、內存、NANDFlash、電源管理模塊等，數(shù)字調壓控制系統(tǒng)的所有控制操作均由處理器來完成。處理器配有512MB的DDR2內存，SD卡用來存儲Linux系統(tǒng)內核鏡像、文件系統(tǒng)、驅動程序和應用程序，系統(tǒng)上電后Bootloader將引導操作系統(tǒng)的啟動，并將應用程序裝載到內存中運行。

    數(shù)模信號轉換模塊主要包括高精度數(shù)模轉換芯片，選用DAC7311來實現(xiàn)數(shù)字控制信號到模擬控制信號的轉換工作，其轉換精度高達12位，通過串行同步接口與處理器相連接。

    輸入輸出模塊作為用戶與系統(tǒng)的交互接口，主要包括一塊LCD觸摸屏、用戶按鍵，用來顯示系統(tǒng)相關信息、應用程序界面和控制程序的運行等。

    正弦波調壓模塊與數(shù)模信號轉換模塊相連接，經過數(shù)模轉換后輸出的模擬控制信號輸出到正弦波調壓模塊上，來實現(xiàn)對交流電壓的大小調制。

    1.2 微處理器選型

    本系統(tǒng)中核心控制模塊的主要器件是嵌入式微處理器。在嵌入式微處理器選型時依次要考慮微處理器的性能、技術指標、功耗及所支持的開發(fā)工具等。在PCB設計時主要考慮到處理器的封裝和Layout設計時布局、布線的難易程度和制版時的費用等問題。依據(jù)本系統(tǒng)的設計目標和功能需求，并綜合了設計過程中的相關因素，本次設計選擇了德州儀器推出的ARM嵌入式微處理器AM3354。AM3354外設資源豐富，處理性能優(yōu)越，并且功耗小，成本低。AM3354提供兩種形式封裝，298個引腳ZCE封裝，焊球間距0.65 mm;324個引腳ZCZ封裝，焊球間距0.80 mm。依據(jù)PCB設計原則本設計中選用324個引腳ZCZ封裝芯片。

    2 ARM數(shù)字調壓控制系統(tǒng)的硬件設計

    系統(tǒng)的硬件設計主要描述硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。嵌入式硬件設計的思想是以實際應用為中心，硬件系統(tǒng)可裁剪，根據(jù)實際應用可進行功能的擴展，以滿足成本、功耗及產品體積的綜合需求。系統(tǒng)基本實現(xiàn)方法為系統(tǒng)上電啟動后Bootloader從SD卡中將Linux操作系統(tǒng)和應用程序文件讀入內存中，并運行操作系統(tǒng)。系統(tǒng)內存使用了兩片256M的MT74H256M8，總共內存512M。當用戶控制應用程序發(fā)出指令后，處理器通過配置GPIO接口模擬串行同步接口來控制數(shù)模轉換模塊進行數(shù)字信號到模擬信號的轉換。

    2.1 核心板設計

    本系統(tǒng)中核心板采用6層板設計。在硬件設計中，多層板主要用來降低硬件設計成本，縮小電路板的面積。由于核心板上擁有DDR2內存，屬于高速電路，因此內存電路是核心板設計的重點和難點。核心板的硬件結構如圖2所示。由圖可見，處理器外掛兩條內存，兩條內存共享處理器的時鐘線、數(shù)據(jù)線和地址線，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，兩條內存到處理器的走線采用T型連接設計，并且等長布線。為了避免對高速電路的影響，晶振應避開高速電路，盡可能的靠近處理器的時鐘引腳。電源管理模塊負責對核心板上所有器件的供電管理。

    2.2 底板設計

    本設計中底板采用2層板設計，底板上主要包括了外圍設備接口、數(shù)模信號轉換模塊和插槽，外圍接口電路包括系統(tǒng)復位電路、串口電路、SD卡接口電路、LCD觸摸屏接口電路、USB接口電路、電源開關電路和用戶自定義按鍵，底板上的接插槽作為接口與核心板連接，底板的系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。數(shù)模轉換模塊主要由高精度數(shù)模轉換芯片組成，使用串行接口連接。底板上所有部件接口引腳均連接至接插槽上，通過插槽與核心板連接，這樣有利于后期功能的擴展和系統(tǒng)的裁剪，同時有效的降低了開發(fā)成本。

    3 PCB的板級設計與仿真

    當完成系統(tǒng)的硬件設計和原理圖繪制之后，開始進行PCB電路板設計，本系統(tǒng)的PCB設計使用Cadence 16.3進行。進行PCB板級設計之前應做好如下準備工作：做好元器件的模型庫和元器件的封裝，設計PCB板。根據(jù)前文所述，本系統(tǒng)硬件采用底板加核心板的設計方法，因此要根據(jù)實際需求的尺寸分別設計底板和核心板的PCB板，設計板子的疊層，根據(jù)需求核心板設置為6層板，底板設置為2層板，之后進行布局和布線操作。由于本系統(tǒng)中內存和處理器之間的電路屬于高速電路，因此需要對內存的時鐘線及數(shù)據(jù)線進行仿真，來驗證布線的正確性，仿真使用Allegro PCB SI GXL進行。

    DDR時鐘線是內存電路中最重要的線路，布線時采用差分對走線。仿真時打開本設計的PCB文件，首先建立DDR時鐘的差分對，之后進行仿真前的參數(shù)設定，包括板子的疊層設置、差分阻抗設置、測量差分緩沖延遲及為內存和處理器分別分配SI模型。由于Cadence PCB SI在仿真過程中使用的是DML模型，因此在仿真前需要將器件的IBIS模型進行驗證，沒有錯誤后轉換成DML模型，然后添加到模型庫的路徑之下。在測量差分緩沖延遲時，在處理器模型的引腳列表中找到DDR時鐘的兩個引腳，并進行引腳的耦合設置。上一步完成之后，開始進行內存時鐘差分對的仿真。首先設置互連模型參數(shù)，使用SigXplorer PCB SI GXL進行拓撲的提取。打開約束管理器，選中DDR時鐘的差分對，提取其拓撲結構，如圖4所示。

    然后對相關仿真參數(shù)和差分驅動器激勵進行設置，設置完成后使用無損互連分析對內存時鐘差分對進行仿真。波形的眼圖如圖5所示。

    使用如上同樣的方法對內存數(shù)據(jù)線進行波形圖和波形的眼圖仿真，依據(jù)得到的眼圖判定布線是否合理得當，若眼圖較亂則需要調整布線，之后再進行仿真驗證。

    4 ARM數(shù)字調壓控制系統(tǒng)的軟件設計

    ARM數(shù)字調壓控制系統(tǒng)使用Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)應用程序軟件在Qt 4.0環(huán)境下開發(fā)。系統(tǒng)啟動后自動運行應用程序，其主界面如圖6所示。界面中預置了固定電壓輸出按鈕、步長調節(jié)按鈕、微調按鈕、復位按鈕和輸出校對按鈕。程序中提供了兩種不同的步進調節(jié)長度，步進可選為1 V或5 V步進。系統(tǒng)啟動后默認為1V步進長度。按復位鍵后輸出電壓被清零。

    本系統(tǒng)的軟件流程圖如圖7所示。當使用本系統(tǒng)進行數(shù)字調壓控制的時候，首先啟動本系統(tǒng)，待系統(tǒng)正常上電啟動后，系統(tǒng)自動運行控制應用程序，用戶通過可視化的輸入界面選擇需要輸出的電壓值，用戶選擇后應用程序調用底層驅動程序將指令數(shù)據(jù)傳遞給處理器進行處理，處理器接到調用請求后將指令數(shù)據(jù)通過同步串行接口發(fā)送給數(shù)模信號轉換模塊，轉換結果輸出給正弦波調壓模塊以得到所需的電壓值;同時也可通過up、down調節(jié)按鈕對輸出電壓進行微調，直到得到理想的輸出值為止。復位鍵用來對調壓模塊進行復位，使得輸出端壓降為0 V。數(shù)模信號轉換過程中使用的公式如下：

    其中，n為轉換精度，此處等于12;D為二進制指令代碼，12位長度;AVDD為參考電壓值，等于5 V;VOUT為調制輸出電壓值，范圍是0～5 V。

    5 實驗結果

    對于本系統(tǒng)的測試分兩步進行。首先將家用節(jié)能燈泡連接至正弦波調壓模塊的輸出端，檢查連接無誤后打開系統(tǒng)開關，上電啟動系統(tǒng)。首先按復位鍵，將輸出清零，此時燈泡處于熄滅狀態(tài)，之后連續(xù)按下“up”鍵將看到燈泡逐漸變亮，相反按下“down”鍵燈泡逐漸變暗直到完全熄滅。本步實驗的目的是進行系統(tǒng)的功能驗證，即驗證本系統(tǒng)是否存在調壓功能。本次試驗結束后，將燈泡取下，將振動器連接至正弦波調壓模塊的輸出端，本步實驗的目的是定量測試系統(tǒng)調壓功能是否具有線性特性。同樣方法檢查連接無誤后上電啟動系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動后按下復位鍵，將輸出端電壓清零。此時連續(xù)按下“up”鍵，使電壓從0 V開始逐漸增大，然后反方向按下“down”鍵，使電壓逐漸減小到0 V，測試過程中使用萬用表測量輸出端電壓和電流，并使用測振儀測量振動器的振動幅度，記錄測量結果。本次試驗反復測量4次，每次記錄37次

    結果，將4次測量結果取平均值，并繪制電壓、電流及對應振動幅度的變化趨勢如圖8所示。

    6 結論

    文中詳細描述了基于ARM的數(shù)字調壓控制系統(tǒng)的設計流程及實現(xiàn)方法，并進行了試驗檢測。通過第一步測試證明了本系統(tǒng)對電壓調節(jié)控制的有效性，而第二步測試結果的變化趨勢圖表明，輸出端電壓呈明顯線性變化，電流在線性增大到一定數(shù)值后變化趨緩。而在電壓、電流的共同影響下振動幅度呈指數(shù)上升趨勢變化，由于受到測振儀的測量精度限制，5微米以下振幅變化較緩，敏感度較低，5微米以上振動幅度呈較明顯線性上升變化趨勢。

    文中所述的數(shù)字調壓控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)理想的線性調壓控制，具有調節(jié)精度高、速度快、易于操作使用等優(yōu)點，在后期的改進中仍需要對調節(jié)誤差進行控制，使精確度進一步增大。在應用控制軟件上根據(jù)實際控制需求進行功能的擴展與優(yōu)化。