毕业设计（论文）单相交流程控电源控制系统的研究

1、单相交流程控电源控制系统的研究摘要近些年来，随着电力电子技术、自动控制技术的迅速发展，变频电源作为电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标。本文所设计的单相交流程控电源测控系统实际上为一大功率变频电源的测控系统，控制输出幅度、频率可调的正弦功率信号，并对输出的大功率信号进行实时监测。其输出信号波形理想，电压幅度在180v300v范围内连续可调，误差为0.1%；信号频率在30hz1000hz 范围内连续可调，误差为1%；最大输出功率为40kw。以上特性在一定程度上满足了用户的需求，用户在得到轻度谐波污染的电能供应的同时，又可以在步长和范围允许的情况下通过人机界面

2、很方便地改变输出信号的参数，得到需求的信号。整个设计结合电机控制原理，根据直接数字频率合成法(direct digital frequency synthesis 简称ddfs 或dds)设计产生调制波和载波信号的电路，最终通过绝缘栅双极型功率管(insulated gate bipolar transistor，简称igbt)驱动生成大功率交流信号。设计中选用性价比较高的复杂可编程逻辑器件epm570t144i5，在epm570 中实现dds 所需的逻辑单元，将调制波和载波波形数据存储于高速静态随机存取存储器(sram)61lv6416 中。然后将存储于sram 中的波形数据通过数字模拟转换

3、器(dac)ad5445 转化成模拟信号，最后通过低通滤波器滤波，得到平滑的信号。为了对系统中的电压、电流等模拟量进行监测，本设计选用美国模拟器件公司(adi)的高性能同步采样模拟数字转换器(adc)ad7656 来转换互感器采集的信号。同时对输出信号幅度通过软件实现比例积分微分(proportional-integral-derivative，简称pid)调节，保证了良好的精度，实现了系统的稳压输出。本设计以恩智浦(nxp)公司的32 位arm7 微控制器lpc2214 为控制核心，结合高速复杂可编程逻辑器件epm570t144i5 作为实时逻辑控制单元，达到了较理想的信号采样、分析处理、波

4、形输出及相关控制。为了使lpc2214 能更好的实现算法和控制的实时性，又引入了另一个32 位arm7处理器lpc2136 专门处理按键和lcd 显示。最后经实际测试证明，该系统具有较好的稳定性，基本满足了设计的要求。关键词程控电源；dds；pid 控制development of measuring and controlling system of single-phase ac programmed power supplyabstractin recent years, with the development of technology of power electronics an

5、d technology of automatic controlling, the performance of variable-frequency power source which is an important part of the power supply is directly related to the security and reliability of the system. in this paper, the measuring and controlling system of single-phase ac programmed power supply i

6、s a controlling and measuring system of a high-power frequency conversion power, and its output is the sine power signal that the frequency and amplitude can be adjusted and it can monitor and control the large power signal at the same time. the output of the system is a ideal signal and the amplitu

7、de(180v300v) and the frequency(30hz1000hz) of the signal can be adjusted freely responding to the users orders. the max output power is 40kw. in a sense, these characters can meet the demands of the user. so the user can get slight harmonic pollution supply and can get the right signal easily by cha

8、nging the parameters through the man-machine mutual panel.in this paper, combining the theory of the electric machine control and using direct digital frequency synthesis (which is short for dds or ddfs), we design a circuit that can generate modulated signal and carried signal. we chose the complex

9、 programmable logic(cpld) device-epm570t144i5 which is of high performance and low cost, and we design the logic circuit of dds in it. the data of the modulated signal and carried signal is inputted into a high-speed static random access memory-61lv6416. then, the data can convert to the analog sign

10、al through the dac-ad5445. at last we can get the smooth signal through the low pass filter. in order to monitor and control the voltage, the current and other parameters of the system, we use the high-performance synchronous sample analog to digital converter(adc) ad7656 to sample the signal from t

11、he mutual-inductor mutual. the output signal is regulated through the software pid.it can practice the stability output and ensure the high-sensibly. in this paper, the 32bit arm7-lpc2214 processor of nxp company is used as the core of controlling and the high-speed cpld epm570t144i5 is used as the

12、logic control unit, we can get a much better signal sample, analyse and processing, wave output and related controlling. in order to guarantee the performance of a real time of the arithmetic and controlling of the lpc2214, we use another arm7 processor lpc2136 to process the key and lcd display spe

13、cially.at last, through the practice and testing, we prove that the system satisfy the require of design with much better stability.keywords programmable source, dds, pid control目录摘要iabstractii第1章 绪论11.1 研究背景和意义11.2 单相交流程控电源控制系统的研究现状21.3 主要研究内容31.4 系统技术指标3第2章 系统基本理论42.1 系统基本结构42.2 波形发生器基本原理52.2.1 dd

14、s 基本原理52.2.2 dds 的结构52.2.3 波形合成62.3 本章小结7第3章 硬件设计83.1 波形发生器的设计83.1.1 dds 的基本构架93.1.2 低通滤波器113.1.3 信号频率调节的实现123.1.4 信号频率调节的实现123.2 反馈监测单元电路的设计133.2.1 信号采样电路133.2.2 信号调理电路133.2.3 a/d 转换电路143.3 cpld 控制模块及硬件语言设计143.3.1 cpld 控制模块及硬件设计143.4 主控处理器lpc2214163.5 人机界面203.6 安全保护措施213.7 本章小结21第4章 软件设计与实现234.1 功能

15、实现单元软件的实现234.1.1 控制软件实现的基本功能234.1.2 控制软件的实现244.2 上位机程序324.3 本章小结34结论35致谢36参考文献37附录1 lpc2214 及其外围电路38附录2 ad7656 电路连接图39附录3 系统功能实现单元电路板41附录4 系统整体外观42千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 研究背景和意义近些年来，随着电力电子技术、自动控制技术的迅速发展，变频电源作为电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全

16、性和可靠性指标。本文所设计的单相交流程控电源控制系统实际上为一变频电源的控制系统。变频电源自问世以来便引起了国内外电源界的普遍关注，现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。现代变频电源以其低功耗、高效率、电路简洁等显著优点而受到人们的青睐1，并广泛的应用于电气传动、计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器中。随着工业自动化产业的迅速发展，人们对变频电源的需求与日俱增，变频电源的开发研制生产已经成为发展前景十分诱人的朝阳产业1。相对于工业化国家来说，我国变频器行业起步比较晚，到20世纪90年代初，国外的变频器产品正式涌进中国市场，国内企业才开始认识到变频器的作用，并开始尝试使用。最

17、先进入中国变频器市场的是日本厂家，1986年我国传统电机厂开始引进日本的变频设计和制造技术，1988年日本三肯公司的第一台低压变频器进入中国，较早进入我国市场的还有东芝、三菱等。此时进入国内的变频器多以大功率晶体管为逆变元件的产品，属于变频器的第二代产品。随着国内企业对变频器认识的深入和大量外国产品的入境，我国变频器市场得以快速启动。20世纪80年代中期，我国变频器年销售量仅为数千万元，几乎都是国外品牌，经过十余年的推广和使用，变频器已得到广大企业用户的认可，20世纪90年代，变频器才得以大规模进人中国，在空调、电梯、冶金、机械、电子、石化、造纸、纺织等行业有十分广阔的应用空间2。虽然目前国内

18、外的交流程控电源已经发展到了一定的水平，但是根据不同系统对电源的不同需求，例如，在电力设备参数的高电压测试中，经常需要一种在一定范围内电压连续可调、波形失真小、频率稳定的高压交流电源作为测量的激励源。以前多直接采用升压变压器获得高电压，再通过继电器改变变压器变化实现电压的调整。因其只有有限个离散点，所以电压不能连续调节。另一方面，由于输出波形与市电波形相同，所以失真严重。用它作为基准激励源，常常造成测量误差3。因此传统的模拟变频电源已远远不能满足现代应用的要求。另外市场上常见的程控电源还有采用模拟闭环方式来保证输出信号的准确度，即在反馈环节上通过输出采样、精密整流和比较积分等模拟环节实现4，其

19、硬件设计复杂，体积大、笨，并且由于模拟电路的温漂、时漂的影响，难以达到较高的精度。为此，研制出高可靠性、高稳定性、功能丰富、操作简单的单相交流程控电源已成为亟待解决的问题，并对其他三相交流设备也有普遍的意义。1.2 单相交流程控电源控制系统的研究现状程控交流电源在电力电子领域中的广泛应用，使得交流程控电源测控系统尤为重要。在交流电力电子变换领域，不仅成为一个新的研究方向，同时也成为一个研究热点。越来越多的人们开始致力于对交流电源设备的监察和测量的研究，并已经取得了一定的成果。目前交流稳压调压方式大致可以分为三种：一是机械调压稳压式。这种方式结构简单，功率可大可小，但可靠性差、反应速度慢、稳压精

20、度低，只能输出与市电频率一致的电压。二是脉宽调制(pwm)逆变稳压方式。该方式输出功率范围宽、效率高、可靠性较高，反应速度快，频率可变，但输出电压中高频噪声和波形失真较大。三是线性放大逆变方式。这种方法的特点是容易实现输出交流的高精度、高稳定度，负载发生变化，调整非常快，其缺点是电源效率较低，实现大范围内电源调整需要输出电压分档。变频电源与一般电子设备中的交流电源相比有其特殊性：具有程控功能，这是自动化的必然要求；具有一定的功率和较高的精度，特别是对电源的稳压精度、纹波以及交流失真度等要求很高；具有高可靠性、稳定性及自保护功能；具有高抗干扰性与电路隔离度；具有模块化的结构，例如标准的控制接口、

21、输入输出接口、电源接口等。上述三种方式中，第一、二种都存在稳压精度低，高频噪声和波形失真较大等缺点，难以满足自动测试设备的要求，第三种方式的电源效率太低。充分考虑到高精度、高效率的要求，我们采用了反馈调节逆变方式。其主要特点是：采用数字化的模块控制，电路全集成化、体积小、稳定性好、可靠性高，输出的交流电压、频率均可程控或手控，并具有过载保护功能。其基本原理是首先产生高稳定的载波和调制波信号，实现幅度、频率可控，然后利用大功率的功放器件，将信号进行功率放大，最后隔离输出。随着微处理器的可靠性与质量的不断提高，数字控制已经占据着主导地位。32 位处理器arm 的快速发展和广泛应用将测试仪表的发展推

22、向了一个高潮，处理速度明显得到提高。同时，若增加具有扩展功能的外围辅助电路，并采用相应的软件，便可满足客户的特定功能需求，灵活性大大提高。同时利用adc 的高速采样，再加上实时分析等技术，以提高系统测量的精度和速度。很多的测量算法和波形产生方法不断被提出，比如dds 直接数字合成技术等，保证了波形输出的精确度。1.3 主要研究内容本文所设计的单相交流程控电源测控系统实际上为一大功率变频电源的测控系统，控制输出幅度、频率可调的正弦功率信号，并对输出的大功率信号进行实时监测。在认真学习、研究和总结现有变频电源测控系统的基础上，从软、硬件两方面了实现了系统功能。主要研究内容如下：1给出了直接数字频率

23、合成(简称dds)原理产生波形的方法和比例积分微分控制(简称pid 控制)的基本理论。2分析了信号的采样方法和算法，包括直流和交流采样两种。为了满足信号采样实时性和及时性的要求，本设计采用交流采样方式。3系统硬件电路的设计。采用双cpu 结构，包括功能实现单元和人机界面，其中功能实现单元以恩智浦(即nxp)公司的32 位arm7 处理器lpc2214 为控制核心，结合高速复杂可编程逻辑器件epm570t144i5 作为实时逻辑控制单元，设计了信号产生电路，并给出了信号频率、幅度调节的调节方法，同时设计了ad7656 采样电路；人机界面使用nxp公司的另一个32 位arm7 处理器lpc2136

24、 来处理按键和lcd 显示。4整个系统的软件采用结构化程序设计法，包括主程序和各功能模块子程序，使得整个程序设计灵活、调试方便，实现了系统基本功能。本文重点介绍了功能实现单元程序的设计。1.4 系统技术指标本文的研究内容是设计并实现一种单相交流程控电源测控系统，力求达到更高的实时性和更高的精度。该系统主要技术指标如下：1调制波为正弦波， 幅度变化范围为0.001v10.000v ， 精确到0.001v，频率范围为1hz10khz，精确到1hz；2载波信号为等腰三角波，可程控幅度0.001v10.000v，精确到0.001v，频率范围为1hz10khz，精确到1hz；3控制输出大功率正弦信号，可

25、程控电压180v300v，精度为0.1%；可程控频率为30hz1000hz，精度为1%；4实现输出信号的监测(如电压、电流、功率)，误差精度为0.1%。第2章 系统基本理论采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。spwm 法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的pwm 波形即spwm 波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。它的生成原理就是以一个正弦波为基准波，和一个等幅值的高频三角波相

26、比较，由它们的交点来决定逆变器开关器件的开关状态。当正弦波幅值大于三角波时，相应的开关器件导通；当正弦波幅值小于三角波时相应的开关器件关断。这种调制方法得到的输出电压基波的频率和幅值都等于基准正弦波的频率和幅值。保持三角波不变，通过控制正弦基波的频率和幅值就可以控制输出电压的频率和幅值，从而满足变频调速对电压和频率协调控制的要求。2.1 系统基本结构为了使系统输出的电压幅值、频率及其他参数的精度达到一定的精度等级，本设计选用高精度波形发生器和采用闭环调节系统以达到上述要求。其中反馈调节环节是整个系统输出大功率正弦信号的稳压精度控制的核心，它的误差是最终误差的重要组成部分。系统的整体框图如图2-

27、1 所示，在该设计中，反馈回路实现电压幅值的闭环调节。人机接口模块由键盘和显示部分构成，用来输入和显示系统工作的参数，实现可视化。图2-1 系统整体框图fig. 2-1 the basic frame of system2.2 波形发生器基本原理2.2.1 dds 基本原理本文所设计的单相交流程控电源测控系统的功能实现单元所产生的基准信号是根据dds原理实现的。所谓dds，即直接数字频率合成法(direct digital frequency synthesis简称ddfs或dds)，是继直接频率合成法和间接频率合成法之后，随着电子技术的发展迅速崛起的第三代频率合成技术6。dds是一种全数字技

28、术，它从相位概念出发直接合成所需频率。与其他频率合成法相比，具有频率转换时间短，频率分辨率高，相位变化连续，低相位噪声和低漂移，易于集成、调整、实现正交输出等优点7。直接数字频率合成技术从相位概念出发，直接对参考正弦信号进行抽样，得到不同的相位，通过数字计算技术产生对应的电压幅度，最后滤波平滑输出所需频率波形。2.2.2 dds 的结构dds 的基本结构包括相位累加器(pd)、正弦查询表(rom)、数模转换器(dac)和低通滤波器(lf)，其中dds 从频率寄存器开始到波形存储表的数字部分通常也可称作数控振荡器(nconumerical control oscillator)9。数控振荡器nc

29、o 实现由数字频率值输入生成相应频率的数字波形，其工作过程为：首先确定频率控制字k，然后在时钟脉冲f c 的控制下，该频率控制字累加至相位累加器生成数字相位值；最后将相位值rom 寻址转换成正弦表中相应的数字幅码。数模转换器(dac)实现将nco 产生的数字幅度值高速且线性地转变为模拟幅度值，dds 产生的混叠干扰由dac 之后的低通滤波器滤除10。1相位累加器相位累加器是 dds 最基本的组成部分，用于实现相位的累加并存储其累加结果。若当前相位累加器的值为。经过一个时钟周期后变为 ，则满足 (2-3)由式2-3可见，为一等差数列，不难得出 (2-4)其中为相位累加器的初始相位值。图2-2 相

30、位累加器的基本结构fig. 2-2 the basic structure of phase accumulator相位累加器的基本结构如图2-4 所示，它由一个n-bits 加法器和一个nbits 寄存器构成，寄存器通常采用n 个触发器来构成11。2正弦查询表romdds 查询表所存储的数据是每一个相位所对应的二进制数字正弦幅值，在每一个时钟周期内，相位累加器输出序列的高m 位对其进行寻址，最后的输出为该相位相对应的二进制正弦幅值序列。可以看出，rom 的存储量为2m m 比特，其中m 为相位累加器的输出位数，m 为rom 的输出位数。若m=16，m=16，可以算出ram 的容量为64k 1

31、6。虽然在一块dds 芯片中集成大的存储量，可以提高输出信号的精度和无杂散动态范围，但会使成本提高，功耗增大，且可靠性下降，但是我们可以使用外部ram 来存储正弦波数据，进而使dds 的杂散性能获得提高。3数模转换器dac 数模转换器的作用是将数字形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟形式信号。dac 有电压和电流输出两种，其输出的信号并不能真正连续可变，而是以其绝对分辨率为最小单位的，所以其输出实际上是一个阶梯模拟信号。因此要是使用滤波器滤波来得到平滑的信号。2.2.3 波形合成dds 系统主要是由数字电路组成，所以完全可以利用中、小规模通用数字集成电路的组合来实现。但是利用通用数字集成电

32、路实现的dds，不仅结构复杂，而且由于调整数字电路的高频和电磁兼容性问题突出，电路设计也比较困难，其性能很难满足设计要求。基于以上问题，我们采用现在主流的先进的eda(electronic design automation)工具进行电子系统设计。开发工具的通用性、设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用器件的结构无关联，使得设计成功的各类逻辑功模块软件具有良好的兼容性和可移植性，它几乎可用于任何型号和规模的可编程逻辑器件中，从而使产品的设计效率大幅度提高。根据上述dds原理，首先，选择一片复杂可编程逻辑器件cpld，在cpld内构件逻辑实现相位累加器的功能。其次，将构成一个周期的正弦波形数据存

33、储在外部ram中，通过相位累计步长采样相对应的正弦波数据。每采样一次数据，相位累加器的输出就增加一个步长的相位增加量，相位增加量的大小由频率控制字来决定。从ram中读取相位累加器中相位累加值所对应的波形数据，然后通过dac转换芯片将该数据转换成对应的模拟量，最后经过滤波得到平滑的合成波形信号。相位累加器的相位累加为循环迭加，这样使得输出信号的相位是连续的。当相位累加器累加至满量程时就产生一次计数溢出，该溢出率即为输出信号正弦波的频率25。此时如果相位累加器的位数为n，频率控制字内的相位增量为k，参考时钟频率为，则dds系统输出信号频率为： (2-5)输出信号的频率分辨率为： (2-6)2.3

34、本章小结本章主要介绍了系统的基本结构、dds 直接数字合成原理、交流信号采样方式的选择。第3章 硬件设计整个变频电源系统的框图如图3-1所示。我的主要任务是其控制电路的设计及其软件实现，即为变频电源提供幅度、频率可变的优质正弦波，并对产生的大功率信号进行实时监测。本系统以恩智浦(nxp)公司的32位arm7处理器lpc2214为控制核心，结合高速复杂可编程逻辑器件epm570作为实时逻辑控制单元，达到了较理想的信号采样、分析处理、波形输出及相关控制。为了使lpc2214能更好的实现算法和控制的实时性，又引入了另一个32位arm7处理器lpc2136专门处理按键和液晶显示。因此本文的硬件电路由人

35、机界面和功能实现单元构成。其中功能实现单元是本文的重点，主要包括高精度的信号产生模块及调节模块、闭环反馈监测模块等。具体实现如图3-2所示。图3-1 系统基本结构图fig. 3-1 the basic frame of system3.1 波形发生器的设计该部分产生的波形信号是根据直接数字频率合成技术(dds)原理实的。系统采用高速cpldepm570 及高性能四象限乘法型dacad5445 作为载体， 利用直接数字频率合成(direct digital frequencysynthesis，简称dds 或ddfs)技术，实现了高精度波形发生器，实现了精确的频率控制。dds的基本原理是基于ny

36、quist采样定理，将模拟信号进行采集，经量化后存入存储器中(查找表)，通过寻址查表输出波形数据，再经d/a转换滤波即可恢复原波形。系统分别采用两个32位dds内核，产生系统调制波(即正弦波)及载波信号(即三角波)。波形表都存于高速静态随机存取存储器(sram)61lv6416中。系统上电后，由主控cpu对ram进行波形数据初始化。然后启动dds内核，完成波形的输出。本文所设计的波形发生电路根据dds原理，设计上采用层次结构，在quartus ii中使用原理图输入方法，下面就各个部分的设计分别介绍。3.1.1 dds 的基本构架根据dds原理产生信号的总体结构如下图3-3所示：图3-2 dds

37、 基本结构fig. 3-2 the basic structure of dds本设计中采用的频率字为32位， 即n=32 ， 外部ram61lv6416为65536*16位，即外部ram的地址线宽m=16，输出数据线宽l=16。由于地址线为16位，而相位累加器的输出为32位，为了保证它们之间的对应，我们将相位累加器的高16位与外部ram的地址线相连。1同步寄存器 系统中有两个地方需要用同步寄存器，前一个同步寄存器用于接受控制器频率控制字，由于使用的spi是16位的，而为了达到精度要求所使用的频率控制字是32位的，因此前一个同步寄存器由两个16位同步寄存器组成的32位输入及输出。而后一个同步寄

38、存器用于锁存32位的相位累加器的输出，因此后一个同步寄存器使用一个输入输出均为32位的。如图3-4为两个16位同步寄存器构成的32位的输入及输出的原理图，图3-5为输入及输出均为32位的同步寄存器的原理图。图3-3 两个16位同步寄存器构成的32位的输入及输出fig. 3-3 the 32-bit input and output register composed by two 16-bit synchronisms register图3-4 32位的同步寄存器fig. 3-4 the 32-bit synchronism register2加法器该加法器实现两路32位信号的相加，输出为32

39、位，高于32位的部分溢出，原理图如图3-6所示：3外部ram 本设计使用静态ram icsi61lv6416用于存储波形数据。icsi61lv6416的存储容量为64k*16位，地址线和数据线都是16位，具有高可靠性、高存储速度、以及低功耗等特点。图3-5 32位加法器fig. 3-5 the 32-bit adder4模数转化器dac 在dds系统中，波形的幅度值被量化成数字值存储在ram中，通过一组数据线输出代表二进制编码的电平信号。为了将数字信号转换成模拟信号，需要用到数模转换器，简称dac(digitalanalog converter)。为了数据处理结果的准确性，dac转换器必须有足

40、够的转换精度，同时还要考虑所需要的工作频率，以决定所需要dac的转换速度。因此，转换精度和转换速度是衡量dac转换器性能优劣的主要标志30。信号产生单元所使用的模数转换器都是美国模拟器件公司(adi) 的ad5445，ad5445是12位的乘法型da转换芯片，数字输入值的范围是0x000h0xfffh13，如图3-7所示，ad5445经过运放a1后，输出的模拟电压幅值vout与其参考电压vref的关系为： (3-1)因此我们可以通过改变其参考电压vref的大小实现波形信号的幅度控制。3.1.2 低通滤波器从上节电路中输出正弦波信号，含有丰富的谐波，并且呈阶梯状，为了得到平滑的交流信号，同时滤出

41、高频噪声部分干扰，使输出信号理想，应在dac的输出后使用低通滤波器滤波。本设计根据实际要求，采用贝塞尔(线性)有源滤波器，放大器选用高速芯片tl084，当选择截止频率为15khz时，经过软件仿真，能满足系统要求，电路简单且衰减速率快，其硬件电路见图3-8所示。图3-6 贝塞尔有源低通滤波器硬件电路图fig. 3-6 the circuit of bessel lowpass filter3.1.3 信号频率调节的实现根据上述dds 原理可知，要实现波形信号频率的控制，只要输入对应的频率控制字即可。要使频率控制字送到dds 的同步寄存器端口，我们需要利用微控制器对其进行送数，这里我们使用arm7

42、 的spi 接口与cpld 连接。这里我们使用spi 接口以串行传输方式向cpld 发送数据。首先在cpld 内构建一个串行数据转并行数据的器件，如图3-9所示，将接收到串行数据转换成并行数据。由于频率控制字是32 位的，因此我们将频率控制字分两次来传送，先送高(或低)16 位，再送低(或高)16 位。图3-7 串行转并行结构图fig. 3-7 the structural drawing of serial to parallel3.1.4 信号频率调节的实现由上一节我们知道，输出信号的幅度与乘法型模数转换器ad5445 的参考电压vref 有关，因此要实现信号幅度的可调，可以通过调节参考电

43、压vref 来实现。将调幅d/a 的输出接入ad5445 的参考电压一端，这样可以输出可调频率、幅度的正弦信号。为了满足电压幅度分辨率的要求，且留有余量，以及需要调节多路信号的幅度，所以选择linear 公司的16 位八通道dacltc2600。116位dac转换电路设计ltc2600 是八通道16位、2.5v至5.5v轨至轨电压输出dac。dac 转化芯片ltc2600 的参考电压的范围为-0.3vvcc+0.3v，在本设计中通过使用一个2.5v 的稳压二极管来使dac 的参考电压稳定在2.5v。由数模转换公式，可知八个通道输出模拟信号最大值都是2.5v。因此要使ad5445 的参考电压为1

44、0v，应该将ltc2600 的模拟输出通过运放放大。本设计中将ltc2600 通道daca、dacb、dacc、dacd、dace、dacf、dacg、dach 的输出通过tl084 放大后，将其中的两路作为两个数模转换器ad5445 的参考电压，剩下的几路预留作为功能扩展时使用。图3-8 ltc2600 数据传输过程fig. 3-8 ltc2600 24-bit load sequence(minimum input world)2与微控制器lpc2214 的接口要实现信号幅度的调节，只要将相应的幅度对应的数字输入到数模转换芯片ltc2600 的数字输入部分，我们利用微控制器lpc2214

45、对其进行送数，同样这里我们也使用arm7 的spi 接口与ltc2600 相连。具体连接方法为，将微控制器的spi 接口的串行时钟sck 连接到ltc2600 的串行时钟上，spi 接口的主出从入引脚mosi 与ltc2600 的串行接口数据输入相连。这样ltc2600 将接收到的数字量转换成相应的模拟量来实现信号的幅度控制。3.2 反馈监测单元电路的设计3.2.1 信号采样电路信号采样电路主要完成系统最终输出的正弦功率信号的电压、电流的信号的采集，igbt 驱动供电的三相电源其中两相相电压以及比较电路(正弦调制波和三角波比较输出spwm 信号的电路)供电的直流电压信号的采集和温度的采集。这部

46、分工作分别由6个相应的互感器完成。由于这一部分早已成为商品模块，所以这里不再一一详述。3.2.2 信号调理电路系统中使用的6个互感器采集到的信号幅度变化范围为-10v+10v，满足a/d转换信号的输入范围，本设计的信号调理电路主要是将这6路互感器采集到的信号实现阻抗变换。因此每路信号的调理电路都是一样的，下面以其中一个电路来说明具体实现方法。电路如图3-11所示，从互感器采集到的电压信号从连接器j48输入，通过精密运算放大器op27gs跟随后输出即可实现信号阻抗的变换，图中r217、r220起钳位保护作用，防止瞬间电压太大烧坏芯片。图3-9 信号调理电路fig. 3-9 the regulat

47、ing circuit of the anolog signal3.2.3 a/d 转换电路ad转换电路是系统中数字和模拟信号相互转换的通道，将信号调理电路输出的模拟量进行转换，lpc2214通过此电路监测系统运行，与其模拟设备进行数据交互。3.3 cpld 控制模块及硬件语言设计为了减少系统cpu的负担并简化电路，本文采用cpld来实现系统的逻辑功能，包括时钟和时序控制等，更好的提高系统的实时性和精确性。3.3.1 cpld 控制模块及硬件设计整个系统的控制由复杂可编程逻辑器件(简称cpld)完成，主要完成两方面功能：首先是实现上述所说的dds中所需要的逻辑单元；第二产生基数时钟，并使用基数

48、时钟进行片选、ram写入读取、da转换的时序控制等，使用cpld有很多优点33。根据具体的需求，本系统选用altera公司推出的性价比比较高的maxii 系列元器件。其主要功能见表3-2。表3-1 max ii 芯片主要功能table3-1 the function of main max ii chip特性优势成本优化的体系结构革新的maxii体系结构具有4倍的容量和一半的价格低功耗降低功耗，提高系统可靠性大容量在单个成本的器件内实现更多的应用非易失性和即用功能以单芯片方案降低成本，节省板子空间用户flash储存器用分立的串行或并行非易失存储集成到maxii器件中，使系统成本和芯片数量降至最

49、少实时在系统可编程性（isp）在器件运行中通过升级减小维护费用multi volt 核无缝的和1.5v、1.8v、2.5v或3.5v逻辑电平的其他器件连接multi volt i/o 接口无缝的和1.5v、1.8v、2.5v或3.5v逻辑电平的其他器件连接multi track 互连以一般的和本地走线优化性能，包括新的名为fast io连接的直接逻辑单元至i/o逻辑路径jtag 连接路径用户max ii器件配置外部不兼容jtag的flash器件，简化了板子的管理在实现epm570硬件控制电路设计时，应注意以下几点：1首先 epm570可兼容两种电压，即3.3v和1.8v，因此要做好引脚的分配工

50、作，不使两种电压混淆。2为了简化电路，应尽可能将控制信号交由cpld处理。3应设计cpld 的jtag仿真接口，以利于以后的程序调试和修改；同时注意电源和接地设计良好。epm570的连接框图见图3-12，外部时钟电路见图3-13。图3-10 epm570电路连接框图fig. 3-10 the linking block diagram of epm57图3-11 epm570外部时钟电路fig. 3-11 the outside clock circuit of epm5703.4 主控处理器lpc2214lp2214是nxp公司的一款基于支持实时仿真和跟踪的32位arm7tdmi stm c

51、pu的微控制器，并带有256k字节(kb)嵌入的高速flash存器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位thumb 模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小31。lpc2214由于其强大的事件管理能力，诸多的外路，使其非常合适作为本系统的控制器。主要特征有：132位144脚arm7tdmi-s微控制器。216k字节静态ram。3256k字节片内flash程序存储器(片内flash存储器至少可擦除和写10,000次)。128位宽度接口/加速器实现高达60mhz的操作频率。4外部32位总线(144脚封装)。5e

52、mbeddedice-rt接口使能断点和观察点。当前台任务使用片内realmonitor 软件调试时，中断服务程序可继续执行。6嵌入式跟踪宏单元(etm)支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。78路(144 脚封装)10位a/d转换器，转换时间低至2.44us。82个32位定时器(带4路捕获和4路比较通道)、pwm单元(6路输出)、实时时钟和看门狗。9多个串行接口，包括2个16c550工业标准uart、高速i2c接口(400kbit/s)和2个spi接口。10通过片内pll可实现最大为60mhz的cpu操作频率。11多达46个(64脚封装)或112个(144脚封装)通用i/o 口(可承受5v

53、电压)，12个独立外部中断引脚(ein和cap功能)。12片内晶振频率范围：1-30 mhz。132个低功耗模式：空闲和掉电。14i/o操作电压范围：3.0v3.6v(3.3v+/10%)。lpc2214及其外围电路如附录1所示。具体解释如下：1jtag程序调试接口 jtag接口允许在系统设计过程中随时进行调试，并可对软件进行实时调试。其硬件连接图如附录1所示。2串口电路lpc2214的异步串行通信接口是通用的异步接收器/发送器uart类型的异步通信接口，通过rs-232串行通信协议与主机系统通信。lpc2214有两个硬件异步串行通讯接口(uart0、uart1)，可分别用于同pc机和操作面板

54、间的通讯。表3-2 rs-232接口定义(9芯)table 3-2 definition of rs-232 interface引脚序号简写符号信号功能1dcd接收线信号检测2rxddte接收数据3txddet发送数据4dtr数据终端dte准备就绪5gnd信号地6dsr数据装置就绪7rtsdte通知dce请求发送8cts清楚请求9ri振铃表示计算机通信主要采用异步串行通信方式。目前有很多串行通信标准可供选择，如rs-232、rs-485、20ma 电流环等。lpc2214上使用简化的9芯d型插头，其接口信号定义见表3-3。本文系统中的主控处理器lpc2214与单片机通信使用的是精简的rs-23

55、2通信协议，只使用rxd、txd和gnd3根线。它的逻辑电平以公共地为对称，其逻辑“0”电平规定在+3v+15v之间，逻辑“1”电平则在-3v-15v之间，因而它不仅要使用正负极性的双电源，而且与传统的ttl等数字电路的逻辑电平不兼容，连接之间必须使用电平转换。由于lpc2214的uart接口的逻辑电平为3.3v，而计算机的串口电平为-15v+15v，因此必须在通信的时候进行电平转换。图3-12 串口电路fig. 3-12 the circuit of serial port我们采用一片max232芯片就能顺利的实行电平转换，在计算机向lpc2214发数据的时候，其串口的电平通过max232转

56、换为lpc2214的电平上限 3.3v的逻辑电平。在lpc2214向计算机发送数据的时候，其数据的电平通过 max232转换为rs232的电平。如图3-14所示，为了增加通讯的可靠性，一般还需进行光电隔离。3复位电路在本设计中采用sp708芯片，低电平复位，采用3.3v供电，可实现上电复位和手动复位。当电压上电或异常时，或者手动复位开关被按下时，则芯片输出复位信号并保持一端时间，以保证可靠复位。复位芯片sp708，它的使用很简单(如附录1所示)。4spi接口spi是个高速、同步串行i/o口，它允许一个字节数据的传输速度移入或移出器件。通过4根线完成lpc2214和外设以及其他处理器之间的通信，这根线分别为：miso从动输出主动输入引脚；mosi从动输入主动输出引脚；spi串行时钟引脚；ssel从机选择。5外部时钟电路外部时钟电路（如图3-15）由1个14.7456mhz的晶振和2个22p的电容组成，为cpu提供每秒14.7456mhz的脉冲，它们决定了微处理器的工作时间精度为1s。图3-13 基本模式的振荡fig. 3-13 oscillation mode of operation616个输入输出i/o口由