（材料加工工程专业论文）基于dsp的数字化超声冲击电源装置研究.pdf

中文摘要 本教研室研制的采用超声冲击提高焊接接头疲劳性能的技术一经实现就受 到了学术界的高度关注，成为研究热点。目前，超声冲击技术由于其执行机构轻 巧、噪音小、效率高、成本低且节能等诸多优势，已成为一种理想的焊后改善接 头疲劳性能的方法。但目前所使用的模拟电源有着自身无法克服的缺陷。 数字化电源控制灵活、易于实现柔性化，可以达到更高的稳定性和控制精度， 接口兼容性良好。为了很好地解决模拟电源实时性较差和不可回调的缺点，本课 题以d s p ( 数字信号处理器) 为控制核心研制了一套数字化超声冲击电源。 本文首先设计了系统的硬件电路，包括d s p 的最小系统电路、采样预处理 电路、输出信号死区形成电路、恒幅控制电路和显示电路。根据d s p 的工作主 频和控制系统的精度要求，引入倍频器来减小频率调整步长，以实现高精度控制。 在软件编写过程中，根据超声冲击机的工作特点对控制算法进行了改进， 确定了最佳扫描区域，同时设置了电流门槛值，从而减轻了频率跟踪的压力。循 环跟踪阶段，编写了a d 转换程序、相位差计算程序、p w m 生成程序、d a 转 换程序和参数显示程序，实现了控制思想。 联机试验表明，本文研制的基于d s p 的数字化超声冲击电源可以使系统工 作在谐振状态，冲击过程稳定。所设计的软硬件系统基本实现了预期功能。 关键词：超声冲击数字化电源d s p ( 数字信号处理器)恒幅控制 频率跟踪 a b s t r a c t o n c et h et e c h n i q u eo fi m p r o v i n gt h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo fw e l d e dj o i n t sb y u l t r a s o n i cp e e n i r l gt r e a t m e n t ( u p dh a sb e e nr e a l i z e db yt h i sr e s e a r c hg r o u p ，i th a s b e e np a i df u l l ya t t e n t i o nt o a sf o ri t sa d v a n t a g e so fh a n d ye q u i p m e n t , l i t t l en o i s e ， h i g he f f i c i e n c y , l o wc o s ta n de n e r g ys a v i n g i th a sb e e no n eo ft h ep e r f e c tp o s t - w e l d t r e a l m e n t sf o ri m p r o v i n gt h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo ft h ej o i n t s a o w e v e l ，i t sa n a l o g p o w e rs u p p l yh a st h es h o r t a g et h a tc a n n o tb eo v e l c o m e d i g i t a lp o w e rs u p p l yc a l la c h i e v ef l e x i b l ec o n t r o l ，h i g l ls t a b i l i t ya n dp r e c i s i o n a n df r e ei n t e r f a c ec o m p a t i b i l i t y i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo f r e a l - t i m ec o n t r o la n d b a c ka d j u s t m e n to ft h ea n a l o gp o w e l , i nt h i sp a p e r , d i g i t a lu l t r a s o n i cp e e n i n gp o w e r s u p p l yw h o s ee o n t z o ls y s t e mi sb a s e do nd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) h a sb e e n d e v e l o p e d a tf i r s t ，h a r d w a r ec i r c u i to ft h es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d , i n c l u d i n gm i n i m u l n s y s t e mo fd s p , s a m p l i n gp r e t r e a t m e n t , d e a dz o n ef o r m a t i o n , c o n s t a n ta m p l i t u d e c o n t r o la n dd i s p l a yc i r c u i t a c c o r d i n gt ot h ef r e q u e n c yo f d s pa n dt h er e q u i r e m e n to f c o n t r o lp r e c i s i o n , f x e q u e n c ym u l t i p l i e rh a sb e e nu s e dt or e d u c et 0a d j u s t i n gs t e ps i z e i nt h es o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，c o n t r o la l g o r i t h mi si m p r o v e da c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co f u l t r a s o n i cp e e n i n gm a c h i n e o p t i m a ls c a nr e g i i ss e t t l e da sw e l la s t h et h r e s h o l do ft h ec u l t e n t , s ot h a ti ti se a s i e rf o rf r e q u e n c yt r a c k t h ep r o g r a m i n c l u d e sa dc o n v e r s i o n , p h a s ed i f f e r e n c ee a l c u l a t i o n , p w mf o r m a t i o n , d a c o n v e r s i o na n dn u m e r a ld i s p l a y o n - l i n et e s t i n gs h o w st h a t , t h i s , l i g i t a lu l t r a s o n i cp e e n i n gp o w e r s u p p l yb a s e do n d s pc a i lm a k et h es y s t e mw o r ka tt h er e s o n a n c es t a t e ，a n dt h ep e e n i n gp r o c c s si s s t a b l e b o t ht h eh a r d w l t l ea n ds o f t w a r ec a na c h i e 、，et h ee x p e c t e df u n c t i o n k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cp e e n i n g , d i g i t a lp o w e rs u p p l y , d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) ，c o n s t a n ta m p l i t u d ec o n t r o l ，f r e q u e n c yt r a c k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 王好 签字日期：卯荡年，月，；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 喈 导师签名： 锄 签字日期：训参年，月，弓日 签字日期：吩年，月，弓日 第一章绪论 1 1 数字化的概念 第一章绪论 所谓数字化，是指利用信息处理技术把声、光、电、磁等随时间连续变化的 信号转换成离散的数字信号，或把语音、文字、图像等信息转变为数字编码，用 于传输与处理的过程。与非数字信号( 信息) 相比，数字信号( 编号) 具有传输 速度快、容量大、放大不易失真，抗干扰能力强，保密性好，便于计算机操作和 处理等优点。以高速微型计算机为核心的数字编码、数字压缩、数字调制与解调 等信息处理技术，通常称为数字化技术。 在焊接领域，数字化电源已应用得十分普遍。它以其稳定可靠、便于控制和 易于实现网络化等特点，不容置疑地取代了模拟电源【l 】。 数字化超声冲击电源主要是指采用数字化技术实现闭环控制的逆变式超声 冲击电源。其数字化主要包括以下三个方面1 2 1 ： 首先是主电路的数字化。即从模拟式到开关、逆变式电源主电路，发展到现 在大量应用的是i g b t 、m o s f e t 或逆变器，而且功率越来越大，相对体积越来 越小。主电路的数字化使得电源的功率损耗大大减少，其效率达到9 0 以上： 而且随着工作频率的提高，回路输出电流的纹波更小，响应速度更快，因此可以 获得更好的动态响应特性。 其次是控制电路的数字化。这方面的技术应用发展是非常快的。数字化电源 的控制部分由单片机和d s p ( 数字信号处理器) 构成，对给定信号流、参数反馈 流和网压信号流作综合处理与运算、控制，达到电源的实时跟踪。 第三是人机交互技术。人机交互系统是人机最直接的操作界面，是操作者发 出指令及观察现场参数和信息的窗口，具有友好性、灵活性、功能性、一致性、 可靠性等特点。 1 2 超声冲击法 在焊接结构制造过程中、焊后及服役过程中采取有效的工艺措施，如 f i g 熔修法、机械打磨焊趾法、喷丸法、局部加热法、锤击法等，可以有效地提高接 头的疲劳强度，延长其使用寿命。超声冲击法是近年来才提出来的较为新颖的焊 第一章绪论 后提高焊接接头疲劳强度处理方法【3 川。 用超声冲击的方法来提高焊接接头及结构疲劳强度的研究，在国内外已经展 开。该方法由于其执行机构轻巧，使用灵活方便、噪音小、效率高、适用性强、 成本低而且节能环保，已初步显示出其对于改善接头疲劳性能的独特优势。图 1 1 为利用超声冲击机冲击焊趾的工作图：图1 2 为本教研室研制成功的国内第 一台压电式超声冲击装置。 图卜1 冲击操作示意图图卜2 超声冲击试验装置实物图 其工作原理为： 通过超声波发生器将电网上5 0 h z 工频交流电转变成超声频的2 0 1 妊i z 交流 电，用以激励声学系统的换能器，将电能转换成相同频率的机械振动，在自重及 外界施加的一定压力作用下，将超声频的机械振动传递给工件上的焊缝，使以焊 趾为中心的焊接接头表面产生一定的塑变层。从而有效地改善焊趾的外表形状， 降低焊接接头的应力集中程度，使接头附近一定厚度的金属得以强化，并形成较 大数值的表面压应力，致使冲击处理后的接头疲劳强度得以显著提高。图1 3 是 超声冲击装置的结构框图。 图l o 超声冲击装置的结构框图 第一章绪论 1 3 超声冲击机模拟控制系统存在的问题 1 3 1 频率跟踪控制系统 当超声冲击机的工作频率与系统的固有频率吻合时，系统达到谐振。此时负 载呈阻性，即电压与电流同相位，整个系统的无效功率最小，冲击振幅最大。超 声冲击过程中，声学负载的起伏和温度的变化会使系统的谐振频率发生一定的 偏移。原始的模拟控制系统采用的是基于4 0 4 6 锁相环的频率跟踪法，依靠检测 电压电流之间的相位差并调整机器的工作频率，使二者同相，达到谐振。但由于 模拟器件的可控性较差，该系统存在容易超调且频率不可回调的缺点。 冲击机工作的中心频率为2 0 k h z 左右，可在1 7 2 1 k h z 范围内调节以适应 系统的固有频率。系统在2 0 k h z 附近和2 1 k h z 附近有两个谐振点，分别使换能 器纵向和径向振幅最大，而径向的振动对我们是没有用处的。由于两个频率点离 得很近，且2 0 k h z 后，阻抗随频率陡升( 如图1 - 4 所示) ，加之4 0 4 6 锁相环的 不可回调性，系统很容易跟踪到径向的谐振点，导致纵向振幅几乎没有，冲击处 理失败。因此必须配有精确的，可控性极好的频率跟踪系统。 1 3 2 恒幅控制系统 图1 - 4 系统阻抗随频率变化关系示意图 谐振点 f 恒定的振幅可以使处理效果均匀一致，从而获得较好的外形及性能，因此振 幅的恒定控制是十分必要的。由于在谐振点附近，振动的幅度与电流近似成正比， 因此，当系统趋于稳定时，对于幅度的监控就转化为对电流的监控。 冲击过程中，由于工件表面起伏不平等原因，系统负载会有所变化，在电源 电压一定的前提下，势必会造成电流的波动。这将导致冲击振幅的不稳定，其后 果是不能获得良好的外形，处理效果达不到均匀一致。 模拟控制系统中，根据采样电流值与给定电流值比较之差，生成一个电压信 第一章绪论 号，用于控制可控硅的导通角，从而改变电源电压值，即电压随负载变化而变化， 达到恒流的目的。但由于模拟器件调节的步长不可控，电压变化与负载变化并不 能构成线性关系，造成在冲击过程中，当负载变化剧烈时，电流表的指针明显晃 动。这表明电流很不稳定，其后果是冲击表面产生凹凸不平。 如果对于可控硅导通角的控制可以通过软件设定，规定其步长和方向，使电 压变化与负载变化基本构成线性关系，就可以实现恒幅控制。 1 4 数字化超声冲击设备的研究意义和现状 超声冲击机执行机构工作的可靠性和稳定性主要依靠于其电源的控制系统。 经前述可知，模拟控制系统的可控性较差，导致其控制效果并不理想。且阻容参 数的容差、温度的漂移会引起模拟控制器参数的变化，加上运算放大器非理想特 性参数( 如a d 、a c m 、a o s 、l o s 、噪声等) 所引起的误差，模拟控制系统的稳定性 较差，产品的一致性难以保证。 而在数字化控制系统中，参数调整的步长和方向可以通过软件编程实现，可 控性好。且控制算法的实施都是通过软件的加、减、乘、除等运算来完成的，其 精度也只与模数、模数转化的量化误差及系统字长有关，因此可以获得较高的精 度。可见，数字控制系统的稳定性和一致性都能得到很好的保证。目前，数字化 超声冲击电源在加拿大已经研制成功，而在国内尚属空白。 1 5 本课题主要的研究任务 本研究主要针对压电式超声冲击机的自身特点以及模拟控制系统存在的问 题，采用d s p ( 数字信号处理器) 对其电源的控制系统进行数字化。 本课题主要研究内容： 1 、初步建立一个以d s p 为控制核心的数字化超声冲击电源系统； 2 、能够实现实时的频率跟踪，并能在频率超出工作范围时自动回调： 3 、实现恒幅控制功能，使处理过程平稳可靠； 4 、用数字显示代替表头指针显示，增强可读性； 5 、数字化电源初始状态和保护系统的设计。 第二章d s p 最小系统电路设计 第二章d s p 最小系统电路设计 硬件和软件的设计是相辅相成、不可孤立的。软件的控制思想和控制方案决 定了硬件的选择，而硬件的资源又在一定程度上影响软件的编写。通常在电路设 计中，需要同时考虑二者的可行性，不断更改软件的编写和硬件的选用。以达到 性能的最优化和资源的充分利用。 2 1 硬件电路总体结构 随着半导体工艺的进步和工业、民用领域的大量采用，近几年来，d s p 价格 大幅下调，而性能却不断提高。本研究中采用d s p 作为数字控制的核心器件。 硬件结构的总体流程如图2 1 所示。功率部分仍保留原有的结构，控制部分 中嵌入了d s p 数字系统，代替了模拟的器件，主要起反馈作用，实现电源的闭 环控制。其主要任务是频率跟踪、恒幅控制和参数显示。 针状冲击头 屙 工件 图2 - 1 硬件结构总体流程 d s p 数字控制系统电路的设计与连接是完成超声冲击电源数字化转变的基 础，有了硬件做保障，才可以利用软件算法来实现控制功能，充分发挥d s p 芯 片运算速度方面的优势。一个d s p 硬件系统设计可以分为最小系统电路设计和 外围接口电路设计两个部分，其功能主要见图2 2 。本章主要讨论d s p 的最小系 统设计。 第二章d s p 最小系统电路设计 2 2d s p 最小系统设计 要应用d s p ，除了控制芯片，还必须有一个用以给l f 2 4 0 7 a 提供必要工作 环境的最小系统，包括复位电路、时钟电路、电源、存储器外部扩展以及必要的 外置跳线端子和初始电平状态的给定等。图2 3 所示的是一个带有仿真器接口的 最小系统【9 1 0 l 。 2 2 1 控制芯片的选用 控制芯片是整个设计的核心，所有的硬件电路都是围绕着控制芯片来组织， 直接或间接为其服务的。控制芯片应根据系统所需要的资源来选择。在本控制系 扁三 对控制信号进行逻辑运算，并使其与控 制元件在电压和功率上做到兼容，以驱 动主电路部件。完成信息的反馈 图2 - 2d s p 硬件系统功能图 统中所需要的资源有：产生控制超声冲击机主电路分时导通的两路p w m 发生 器；采样电流和电压各需要一路a 仍转换口；根据超声冲击机工作的中心频率 2 0 k h z ，保守估计控制芯片的执行速度至少在1 0 m i p s 以上；用于控制程序分布 执行的定时器；可方便使用的一定数量的i o 口，用于输出数字电平；外部中断 源等。 考虑以上需求，选用美国德州仪器公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制芯片， 该芯片是适合于工业控制的一种数字信号处理器( d s p ) ，兼顾了内部运算处理 和外围接口控制两方面的能力，集成了闪存、高速a d 转换器、事件管理器模 块等。该芯片具有较高的性价比，开发时间短、难度低，可以有效地完成信号处 理和控制【l l 1 2 1 。 第二章d s p 最小系统电路设计 图2 - 3 d s p 最小系统 2 2 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片介绍 芯片名称各部分代表不同的涵义，如图2 _ 4 。 印m s3 2 0l f 篡d 系上ln f x - 实验器件 i l 2 4 0 7 a i 器件类型 p g e s ) 温度范围( 默认o 7 0 ) l 1 0 7 0 早4 0 8 5 s 互枷1 2 5 q = - 4 0 1 2 5 封装形式 p a c , - 6 4 引脚塑料1 、q f p p g e - 1 4 4 引脚塑料t q f p p e = 1 0 0 引脚塑料t q f p 图2 - 4 芯片名称涵义 该芯片具有t m s 3 2 0 系列d s p 的基本功能：专用的硬件乘法器可使乘法操 作在一个指令周期内完成；哈佛结构将程序和数据空间分开，可以同时访问指令 和数据；支持流水线操作，使取址、译码和执行可以重叠等等。此外，l f 2 4 0 7 a 还有其它特点和资源： 第二章d s p 最小系统电路设计 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的功 耗；4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ( 4 0 m h z ) ，从而提高了控 制器的运算能力和实时控制能力； 片内由高达3 2 k b 1 6 位的f l a s h 程序存储器( e e p r o m ) ；5 4 4 字的双端口 r a m ( d a r a m ) 和2 k b 的单口r a m ( s a r a m ) ； 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个均包括如下资源：两个1 6 位通用定 时器；8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道，可以实现p w m 的中心或边缘校正； 防止击穿故障的可编程的p w m 死区控制；对外部事件进行定时捕获的3 个 捕获单元；片内光电编码器接口电路；1 6 通道的同步a d 转换器。该模块 适用于控制交流异步电动机、无刷直流电动机、和逆变器等； 可扩展的外部存储器共具有1 9 2 k b 1 6 位的空间，分别为6 4 k b 程序存储空 间、“k b 的数据存储空间和6 4 k b 的比i 空间； 看门狗( w d ) 定时器模块； 1 0 位a d c 转换器，其特性为：最小转换时间为3 7 5 n s ( 包括采样、保持和 转换) 、8 个或1 6 个多路复用的输入通道、可选择由两个事件管理器来触发 两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器； c a n 2 0 模块，即控制器区域网模块； 串行通信接口( s c i ) 模块； 1 6 位串行外部设备接口( s p i ) 模块； 基于锁相环( p l l ) 的时钟发生器； 高达4 1 个可单独编程或复用的通用输入输出( g p l 0 ) 引脚； 5 个外部中断( 两个驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) ； 电源管理，具有3 种低功耗模式，能独立的将外围器件转入低功耗工作模式。 2 2 3 电源设计 图2 - 5 数字电路3 3 v 电源电路设计 第二章d s p 最小系统电路设计 为了降低芯片功耗，近来推出的d s p 芯片大部分采用低电压供电，并且采 用内核电压和i ，o 电压分开的方式。本设计中，器件所需直流电源均由高频开关 电源提供，其可提供的输出为- - 4 - _ 1 5 v 、1 2 v 、+ 5 v 和g n d ，但l f 2 4 0 7 a 芯片 的供电电压只有3 3 v ，因此，使用了一片低压降的电压调节器t p s 7 3 3 3 作为 5 v 3 3 v 的转换芯片，从而给数字电路中的3 3 v 供电【1 3 】。 在电压调节器的输入端加电容滤波，输出端加电容退耦，从而可以减小电源 的波纹和噪声，降低信号对外的辐射能量。为了提高系统的稳定性和抗干扰能力， 一般在信号地和电源地之间使用磁珠( 中心孔穿有导线的高频铁氧体电感) ，电 源输出点也使用磁珠，模拟地和数字地也用其分开。 2 2 4 复位电路 系统中能引起复位的信号源有： 1 电压调节器t p s 7 3 3 3 产生的复位信号( r s ) ，如图2 - 5 所示。 当电压低于正常供电电压范围时，电压调节器会产生复位信号，直至电压转 为正常时，此复位信号会有2 0 0 m s 的延迟，然后转为高电平。此信号直接连接 到l f 2 4 0 7 a 的复位引脚r s ( 低有效) 。 2 内部的看门狗定时器溢出。 看门狗( w d ) 定时器监视软件和硬件的运行，在c p u 混乱时，w d 定时 器上溢，产生一个系统复位。详见第四章软件系统设计。 2 2 5 时钟电路 给d s p 芯片提供时钟一般有两种方法。一种是利用d s p 芯片内部所提供的 晶振电路，即在d s p 芯片的x 1 和x 2 c l k i n 之间连接一个晶体，来启动内部振 荡器；另一种方法是将外部时钟源直接输入x 2 c l k i n 引脚，x l 悬空。后者采 用封装好的晶体振荡器的方法使用方便，因而得到广泛应用。 1 4 33 v 图2 - 6 晶振连接电路图 如图2 - 6 ，只要在引脚4 上加3 3 v 电压，引脚2 接地，就可以在引脚3 上得 到所需电平的时钟，其中引脚l 悬空。使用时应当注意将晶振的外壳接地并固定， 第二章d s p 最小系统电路设计 可解决许多疑难问题。目前，很多厂商在制作时就已经将外壳与g n d 连通，使 用起来很方便。 早期的d s p 芯片一般工作频率较低，因此其工作频率与外部提供的频率相 等或是外部频率的2 分频或4 分频。随着d s p 芯片速度的提高，如果仍然采用 这种方式，势必要求外部频率很高，必然会引起高频干扰，影响系统的稳定性。 因此，现在的d s p 芯片般提供多种工作方式，不仅具有传统的分频方式，还 增加了倍频方式。系统控制和状态寄存器1 ( s c s r l ) 的1 1 9 位( c l k p s 2 - c l k p s 0 ) 为时钟预定标选择位，可选择范围为4 x o 5 f m 。 一般地，由于d s p 的程序需要从外部低速e p r o m 中调入，可以采用较低 工作频率的d s p 复位时钟模式，待程序全部调人到内部快速r a m 后，再用软件 重新配置c l kp s 的值，使芯片工作在较高频率上。如选择外部晶振频率是 2 0 m h z ，通过设置s c s r l 倍频后，就可以使d s p 工作在4 0m h z 的频率上。 2 2 6 等待状态发生器 当d s p 与外部低速器件( 如存储器) 接口时，为了保证两者之间时序的配 合，通常需要插入等待状态。插入等待状态一般有以下两种方式： 1 采用硬件插入等待 早期的d s p 芯片内部没有集成等待状态发生器，因此需要在外部用硬件来 实现。如对r e a d y 进行相应连线或使用级联j k 触发器等。但采用硬件插入等 待的方式是比较麻烦的。 2 采用软件设置插入等待 现在的d s p 芯片一般在内部都设有等待机制，可以由准备信号或通过软件 设置来初始化，从而省去外加硬件。 一个外部设备通过使r e a d y 信号变为高电平，来表示它对即将完成的总线 事务已准备好。若外部设备没有准备好，则它将按需要保持r e a d y 为低，此种 情况下，c p u 等待一个c u 【o u t 周期，并再次检查r e a d y 。i 洹a d y 管脚可 以用来产生任意数目的等待状态。但是，即使当l f 2 4 0 7 ad s p 全速运行时，它 也不能在第一个周期做出快速响应来产生一个基于r e a d y 的等待状态。为了保 证可以立即得到等待状态，应使用片内等待状态发生器。 本设计中，通过编程为指定的片外器件产生等待状态，而将r e a d y 信号的 电平常置高。为了控制等待状态发生器( w s g r ) ，将其映射到i o 存储器位置 f f f f h 。通过给w s g r 中的0 2 位进行编程，即可得到相应的等待状态。根据 w s g r 中的相应设置，w s g r 将向给定的存储器空间( 数据、程序或i o ) 插 入0 7 个相应的等待状态。 第二章d s p 最小系统电路设计 复位使w s g r 的0 2 位均置l ，即默认对每个存储器空间均产生7 个等待 状态。 2 2 7 仿真接口 设计一个d s p 系统，要考虑系统的软硬件调试，则需要通过仿真接口实现 p c 与d s p 间的数据交换。 传统的仿真器为电路仿真，其电缆插头必须插入到用户硬件电路中d s p 芯 片的相应位置。由于目前高速d s p 芯片具有高度并行的结构、快速的指令周期、 高密度的封装等特点，采用传统的方法很难实现可靠的仿真，如电缆过长会引起 信号失真，仿真插头可靠性又比较差，因而1 r i 公司开发了扫描仿真的方法。该 方法通过d s p 芯片上提供的几个仿真引脚及芯片内部的移位寄存器实现扫描仿 真功能。 设计仿真接口，只要根据芯片所提供的接口类型按照相应的接口标准即可。 本设计中，仿真接口是标准的j t a g 接口，硬件连接及管脚如图2 7 所示。目标 代码可通过扫描接口从p c 下载到目标系统的存储器中。 3 3 v 图2 7 仿真接口电路图 2 2 8 存储器的外部扩展 本硬件设计中，存储器扩展了6 4 k 的r a m 存储空间，如图2 8 ，选用了 c y p r e s s 公司的c y 7 c 1 0 2 l ，其地址和数据总线分别和l f 2 4 0 7 a 的地址、数据 总线相连。外部扩展存储器的优先级比内部存储空间低。在设计外部存储器扩展 时，必须考虑等待状态。此等待状态是通过对等待状态控制寄存器( w s g r ) 编 程实现的。 程序存储空间的配置有两种，一种是6 4 k 字存储空间全部位于外部存储器； 另一种是内部f l a s h 存储空间使能，其存储空间范围为o ) 【0 0 0 0 h o x 7 f f f h ，而 可用的外部存储器空间为0 x s 0 0 0 h 0 x f f f f h 。这主要通过对微处理器微控制器 方式选择引脚m p 厩e ( 低有效) 的电平高低来处理。一般在硬件上实现，即在 第二章d s p 最小系统电路设计 微处理器微控制器方式选择引脚上接一个跳线接口，就可以实现硬件选择该引 脚的工作模式，如图2 - 9 。 当使用r d s 5 1 0j t a ge m u l a t o r 仿真器进行仿真时，跳线端子位于1 、2 位置， 内部f l a s h 存储空间被禁止，6 4 k 程序存储空间全部位于外部扩展r a m ；当 程序调试完毕，电路板脱机工作时，程序烧写至内部f l a s h ，跳线端子位于2 、3 位置时，内部f l a s h 存储空间被使能，6 4 k 程序存储空间的前3 2 k 为f l a s h ， 后3 2 k 位于外部扩展r a m 。 扩展r a m 的片选信号由d s p 的p s ( 程序空间选通引脚) 和d s ( 数据空间选 通引脚) 经7 4 l s 0 8 相与得到，即只要二者有一个为低，均选通扩展r a m 。片选 信号在送给扩展r a m 之前，接一个3 3 0q 的限流电阻，如图2 一1 0 所示。 d s p 的5 8 管脚是v c c p ，即f l a s h 编程电压输入引脚，在烧写f l a s h 时， 该引脚电平必须为+ 5 v ：软件仿真时，该引脚必须接地。因此，需在电路扳上接 跳线端子，如图2 1 1 。 图2 - 8c y 7 c 1 0 2 1 引脚图 图2 - 9 跳线端子电路连接图 图2 1 0 扩展r a m 选通信号逻辑 7 图2 - 1 1v c c p 跳线端子 此外，为了使d s p 正常工作，还要对些管脚进行电平设置，如图2 - 9 。由 于本研究中采用片内等待状态发生器为外部器件产生等待状态，因此在硬件上要 将r e a d y 管脚置高；d s p 的1 2 2 管脚是外部接口信号使能脚，且高电平有效， 对于接有外部扩展r a m 的d s p ，该管脚也要置高；b i o i o p c i 是分支控制输入 ，一。一。一一”一h一博一m一押一如一”一北一”一拍一一拈一 茸灌灌 重器露m瓢匪乒 第二章d s p 最小系统电路设计 引脚。如果不执行分支程序，则必须将其拉高。 2 3 本章小结 本章首先设计了数字化超声冲击电源控制系统的整体结构，选择了d s p 控制 芯片的型号，对所选择芯片的内部资源作了全面的介绍，并设计了控制芯片的最 小系统。 第三章控制系统外围电路的设计 第三章控制系统外围电路的设计 3 1 控制系统硬件电路流程设计 最小系统保证了d s p 工作的基本条件。它可以看作是一个运算处理单元， 可以将采样单元得到的信号经内部算法提取出有用的信息，并生成相应的控制信 号，输送给控制单元。这就必然涉及到单元与单元间信号在逻辑、电压和功率上 匹配的问题。控制系统硬件电路流程设计如图3 1 所示。 采样j + i 滤波l + l 幅值调整| 臣t 蕾m 矗翻b 目_ 2 k 矗d k i 。- 。t 一 颇搴跟踪 恒幅控制 参数显示 3 2 采样信号的预处理 图3 - 1 硬件电路流程 从超声冲击机采集来的电流信号接近于正弦波，只要经过幅值调整便可接入 d s p 采样 而电压信号的波形畸变得较为严重，且幅值远远超出了d s p 所能承 受的范围( o 3 3 v ) ，因此先要对采样电压进行限幅滤波，滤除高次谐波，整理 出我们所需要的电压信号。这一过程的实现是依靠模拟电路来完成的【i 和1 s j ，如 图3 2 所示。 三片l m 3 1 8 经电阻电容的不同组合分别实现的功能为比例放大、带通滤波 和低通滤波。滤波电路最后筛选出信号的频率取决于电阻电容的取值。 由于电容的存在，滤波电路会造成信号相位的改变。而控制算法是通过比较 第三章控制系统外围电路的设计 图3 - 2 采样信号预处理电路 电压电流的相位差来进行频率调节的，为了平衡掉由预处理电路引入的附加相 位，必须将电流信号也经过相同的滤波电路，从而保证电压、庖流两路采样预处 理电路是对称的，使相同的附加相位相互抵消。 经试验发现，虽然两组滤波电路的参数完全一致，但在给定同一输入信号的 条件下，两组电路的输出信号却存在不可忽略的相位差，如图3 3 所示。这主要 是由于阻容值存在一定的误差( 电阻的误差为1 左右，电容的误差为5 左右) ， 造成两组电路的附加相位差。 解决的方法是通过元件的筛选，即尽量使用同一批次的电阻电容，并在焊接 电路板前逐个测量，选择阻容值最为接近的。图3 3 中，两组滤波电路的给定信 号均为2 0 k h z ，4 0 v ，经过滤波和l m 3 1 l 数字过零比较器，输出的两路信号有 大约7 。的相位差，严重影响到后续算法中对于两路信号是否同相的判断。经过 元器件的筛选，可以达到图中右下所示的效果，可以看出，两路信号基本是同相 位的。 3 3 频率跟踪系统硬件电路的实现 频率跟踪功能的实现主要依靠d s p 对采样信号进行分析处理后，判断电压、 电流的相位差，并根据二者的超前、滞后关系来调整p 删模块输出的方波频率， 然后再经后续电路，最终调整机器工作频率与系统固有频率保持一致。公式3 - 1 为声学系统负载等效公式，它可以等效为电阻、电感和电容的串联： n ，础+ 去 ( 3 1 ) 其中，= 2 矿。当检测到电压电流同相位时，负载呈阻性，系统处于谐振 状态，频率不改变；当检测到电压超前时，负载呈感性，由公式3 1 ，频率应减 小；反之，若检测到电流超前，频率向增大的方向调整。 第三章控制系统外围电路的设计 3 3 1 倍频器的选用 图3 - 3 通过筛选元件减小附加相位差 本研究最初设计的方案是：利用d s p 自身的p w m 模块生成带有死区的方 波，再经过驱动模块e x b 8 4 1 控制i g b t 的导通和关断1 9 2 2 1 ( 如图3 4 ) ，产生 与p w m 方波频率相同的正弦波，进而提供给换能器，转换为相同频率的机械振 动。可见，调整机器的工作频率与负载的固有频率保持一致的过程就转化为，调 整p w m 方波的频率直至使电压电流同相。因此，方波频率的调整精度就决定了 系统工作的精度。 r 3 图3 - 4i g b t 控制主电路电路图 按照上述方案计算，假设d s pi 作在最高主频4 0 m h z ，p w m 模块定时器 与c p u 频率相同，那么要生成2 0 m z 的方波，定时器周期寄存器要设为4 0 m 2 0 k ， 即2 k ；若方波频率要减小，通过增大周期寄存器的值，最小步长为1 ，贝嗍 为4 0 m 2 0 0 1 = 1 9 9 9 0 0 0 ，也就是说频率调整的步长为1 0 h z 左右。这么大的调 整步长很可能造成系统频率永远无法调整到谐振点，只是在两个频率点间来回跳 跃，甚至会引起系统储能元件振荡，引发崩溃。 第三章控制系统外围电路的设计 为了解决以上问题，在方波输出端加一个1 6 倍的倍频器。同样是让d s p 与 p w m 定时器工作在4 0 m h z ，p w m 方波经过1 6 倍频后为2 0 k h ，则，p w m 为2 0 k 1 6 = 1 2 5 0 f z ，周期寄存器的值为4 0 m 1 2 5 0 = 3 2 0 0 0 。若方波频率要减小，通过增 大周期寄存器的值，最小步长为1 ，则最终方波频率为1 6 ( 4 0 m 3 2 0 0 1 ) = 1 9 9 9 9 3 7 5 h z ，大大提高了调整精度。 其理论依据如下：d s p 主频为f ，周期寄存器值为 ，倍频系数为m ，则： f 竹口 芸= 2 0 k h z( 3 - 2 ) 频率调整步长为： f 要一三1 。m ：咄 j7 h 一雨j x m2(x+0(3-3) 根据公式( 1 ) ，将m 带入( 2 ) 得频率调整步长为：_ 2 0 _ k ( 3 4 ) + l 可知，增大九可以减小频率调整步长，再由公式( 1 ) ，增大九必须同比例增 大d s p 主频或倍频倍数，前者受到器件限制，并且工作频率越高，越容易引入 噪声和干扰，只有靠增大m 。根据频率调整精度要求和可获得的倍频器件，综合 考虑选用1 6 倍频的倍频器。 3 3 2 死区形成逻辑 电路中两个i g b t 是轮流导通和关断的，由两路相位相反的方波信号分别控 制。由于i g b t 的关断需要一定的时间，因此在一路关断的同时，另一路不能立 即导通，必须设有一定的死区时间，否则就会使主电路短路，击穿i g b t 。 倍频器的工作原理是通过数输入信号跳变沿的个数，输出一定倍数频率、 占空比为5 0 的方波。再通过c d 4 0 4 1 同相反相器生成两路相位完全相反的方 波。在这两路信号送去控制i o b t 之前，必须经过死区形成逻辑【2 3 - 3 1 】。 死区形成逻辑的主要目的就是分别将两路控制信号的高电平各抹去一小段。 依靠c d 4 0 4 3r - s 触发器在两路输入波形的上升沿分别生成一小段延时波形，再 经c d 4 0 4 1 反相后送给c d 4 0 8 1 ，最后各自与原始波形相与，完成死区形成逻辑， 如图3 5 。另外，为了防止电路出现逻辑问题，确保主电路安全，还可以给两路 控制信号加上互锁，即在其中一路没有跳变为低电平之前，另一路不会置高。 搭接逻辑电路要根据设计要求选择合适种类的集成芯片，目前应用最广泛的 是c m o s 系列和1 限系列 3 2 3 4 1 ，主要区别是： 1 r r l 是电流控制器件，而c m o s 是电压控制器件； 2 r r l 电路的速度快，传输延迟时间短( 5 一i o n s ) ，但是功耗大； c o m s 电路的速度慢，传输延迟时间长( 2 5 5 0 n s ) ，但功耗低； c o m s 电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集 第三章控制系统外围电路的设计 越热； 3 c m o s 的高低电平之间相差比较大、抗干扰性强；r r l 则相差小，抗干 扰能力差。 图3 - 5 死形成逻辑波形图 为了降低功耗、提高抗干扰能力，死区形成逻辑中主要选用的是c m o s 系 列的芯片。但由于e x b 8 4 1 驱动模块本身是电流驱动型的，其驱动电流至少为 $ m a ，c m o s 系列芯片的驱动电流只有4 m a ，驱动能力明显不足。因此，死区 形成逻辑的最后一级应选用r 儿器件。 虽然c m o s 系列和m 系列器件的高低逻辑电平有一些差异，但目前二者 的接口已做到兼容，可以直接相连。 3 4 恒幅控制系统硬件电路的实现 恒幅控制主要是通过逐渐调整电源电压，使系统电流值与使用者预设的电流 值相同。 电源电压主要决定于可控硅的导通角。冲击过程中，电源电压一定，负载的 突然变化会导致电流随之起伏，造成振动幅度不稳定。当检测到电源电流与预设 电流不符时，d s p 经过运算、判断，生成一个电压信号用于调整可控硅的导通角， 从而改变电源电压，使之基本与负载的变化成线性关系，保证电流恒定在预设值， 从而保证冲击过程的平稳。 d s p 将判断得出的值送与d a 转换芯片，就可以得到所需要的电压信号， 第三章控制系统外围电路的设计 进而控制可控硅的导通角。根据d a 转换精度和速度要求，转换芯片选用a d 7 5 2 3 ， 其典型应用电路为图3 石所示。 k r c e s tr 1m , df o 州。r 睁口掷嘲腓州- r 烈n 酬 2c f 珥罐峭a d 7 = 2 3 i n d a d 7 5 3 3 a 社e , t t 懈儡脚钠 嘲 表3 - 1 单极性二进制码电压输出 4 r 引蠹j - v r d 鬟l f f 接j 一掣 嘞州虽7 卅r d ! 凳j “d 刍i - e 3 5 l e d 显示电路 图3 - 7d a 转换电路图 由于发光二极管( l i g h t e m i t t i n g d i o d e s ) 显示亮度高、视角全、使用寿命长、 成本低且驱动简单等特点，本研究中的显示电路选用数码管显示。 本研究采用共阴7 段l e d ，原理图见3 8 ； 第三章控制系统外围电路的设计 所谓共阴极，即是将所有l e d 的阴极连接到一起，而共阳极则相反，所有 的阳极被连接到了一起。但不管哪种结构，其显示设计的原理基本相同，唯一不 同的是，一般共阴极采用推( p u s h ) 电流的方式来驱动，而共阳极结构则采用拉 ( p u l l ) 电流的方式来驱动。 根据l e d 显示的硬件设计方法的不同，l e d 显示驱动分为两种： 图3 - 8 共阴7 段数码管 图3 - 9 静态显示驱动法