超变频电磁感应锅炉电源的研究与设计

1、超变频电磁感应锅炉电源的研究与设计北京工业大学硕士学位论文超（变）频电磁感应锅炉电源的研究与设计姓名：闻伟中请学位级别:硕士专业:机械制造及其自动化指导教师:王建华20090501 摘要摘要随着电子电力技术不断发展，新型开关器件的岀现，使得研制新型超变频电磁感应锅炉电源来取代传统电磁感应加热电源，并弥补其不足成为可 能。木文在电磁感应加热理论的基础上,分析并选择直流斩波调功方案作为设计方 案，设计一款基于实现的超变频电磁感应锅炉电源。本电源具有超音频，无噪声污染，频率可调,谐波对网侧电源的影响小等特点。木系统基于数字集成电路技术、电磁感应加热技术和变频技术，包括总体方案设计，硬件体系结构设计以

2、及软件结构设计等。作为主控制器，主电路采用直流斩系统采用波电路形式,实现对电磁感应锅炉的有效控制。这种电路电路简单、功率因 数高，输出波形好，动态响应快，保护容易的优点，成本也比较低。在高速卬制电路板设计中，基于抗干扰技术，分析减小电磁干扰的方法，并从双面板设计，布局和布线几方面进行分析，根据影响电磁干扰的因素采取 了相对的措施，并且进行设计规则检测，保证了高速数字信号的完整性，使得系统 能够很好的实现其功能。软件设计方面充分考虑软件的可靠性和稳定性,液晶显示子程序和键盘扫描子程序放在主程序中，转换采用中断触发形式。系统的设计思路以及电磁干扰的控制方法适用于-般的高速印制电路板系统，硕件设计和

3、软件设计具有一定的通用性和实用性。关键词；电磁感应；电磁干扰;设计，独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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。关于论文使用授权的说明木人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段

4、保存论文。保密的论文在解密后应遵守此规定签名：导师签名：鲍聋绰第章绪论第章绪论课题來源及研究意义本课题来源于北京市华威锅炉有限公司，该公司长期从事锅炉相关技术的开发和应用。电磁感应加热技术是一种新型的加热技术，它利用高频电加热原理，将交流电转化为高频电流,产生高频磁场，当磁场内磁力线通过绝缘板作用在铁质容器外壳时，磁力线被切割，产生大量小涡流，使铁质容器的自身迅速发 执八、,从而达到加热的目的【珏】。美国在抽样上提出将电磁感应加热技术列为世纪十大开发课题之o目前、基于感应加热原理的工业应用的h益扩大，随着我国新型制造业的发展，感应加热应用范围已由原来单一的金属热处理扩展渗透到半导体材料的 精练

5、和提纯、人造金刚石的熔炼、钢管涂塑、石油、橡胶塑料加工、光纤制造等行业，显示出广阔的应用前景。以塑料行业为例，据有关统计资料显示:我国每年仅塑料加工企业，每年用电需求量为亿度，如果采用该项技术，每年可节电亿度,每度电按全国平均价元计算,其节电总价值为亿人民币。因此,该项技术会带来巨大的社会效益和经济效益。尤其随着同行业产品竞争的日 益加居闲企业对节能降耗意识的提高，该项新技术会逐步替代传统的电加热设备, 同时极有可能引发一场塑料、橡胶等重石化行业的技术革命。感应加热技术，特别是先进大功率感应加热技术在今后的年内具有极光明的应用前景，将在产业结构的提升，发展方式的转变扮演重要的角色，面对 国外感

6、应设备制造公司纷纷进入中国市场，本土企业设备在价格上的竞争优势 己渐减弱，用户更看重的是设备的可靠性。因此本土企业应抓紧时间研究这项技增加自己的核心竞争力，为企业赢得了更大的利益【一。课题的研究背景电磁感应加热技术是一种新型的加热技术，它利用电磁感应现象对金属加热。根据法拉第电磁感应定律和楞次定律，给感应线圈通交变电流，线圈当屮 产生交变磁场，若工件放在加热线圈的交变磁场内，由于磁力线的切割，将在 同的深浅层面产牛感应电流涡流,并因工件的阻抗性质及涡流在工件上的流动产生热量，使工件的温度升高，达到加热的目的。感应加热具有加热速度快、热效率高和无空气污染等优点，广泛应用于金属 北京工业大学工学硕

7、士学位论文冶炼、金属表面热处理、金属的焊接、加热水等领域。用于加热水的主要有 工频感应加热、中频感应加热和高频感应加热。变频技术是指通过改变交流电频率的方式实现交流电控制的技术，是应交流 电机无级调速的需要而诞生的。世纪年代后，随着电力电子技术和控制技 术的飞速发展，使得以变频调速为主的交流调速得到了长足进步，开始逐步 取代直流调速。交流异步电机的变频调速发展到现在已经广泛用于工艺调速传动 和节能调速传动屮。年代以后,利用了变频技术的脉宽调传被广泛应用于工业功率控制的逆变系统中，不仅有效地改善和提高了品质性能，还能将直 流电压变换成电压和频率均可调的交流电压。脉宽调制在两类工业功率控制装置 中

8、应用最广泛:一是用于调速传动装置中，尤其广泛用于交流调速中，二是用于精 密功率电源中。超变频电磁感应加热是感应加热技术与变频技术相结合的一种新技术， 它根据电磁感应加热理论，充分利用了圆环、邻近与集服三效应的叠加原理,过锅炉结构和电源的频率选择机制，使两个磁场或多个磁场同时存在一个单位空间中，相互撞击、相吸、相斥产生一个强大封闭且交变的电磁场。当置于其 屮的锅炉处于变化的磁场中时，其内部就会产生岀很大强度的涡流，涡流也即超 频电流，在锅炉的内、外磁热交换器的壁内流动时产生大量的热能,接着传递给在 其中高速流动着的水，使水迅速加热。传统工频电磁感应锅炉电源是指将、工频电源直接输入锅炉感应线圈，对

9、置于其中的水进行加热。这种方法廉价可靠，但是频率低且不可调 整，功率因数小，无功损耗大;传统高频电磁感应锅炉电源由于其高频电流透入 深度小，趋肤效应太强,对现有电力电子器件而言不能驱动大功率设备;传统中频 电磁感应电源受主控器件晶闸管在生产工艺和器件性能方面影响，需要设计特殊逆变电路,而且工作频段在声波范围内，工作时严重影响人们的休息, 必须在锅炉房内设计隔音层。针对上述传统电磁感应锅炉电源的不足，越来越 多厂家加入到新型超变频电磁感应锅炉电源的研究屮来【x。国内外研究现状电磁感应加热电源是感应加热的关键设备，其发展与电力电子学及电力半导 体器件的发展密切相关。第一台晶闸管感应加热电源使用晶闸

10、管，工作频率 较低。随着电力电子器件的飞速发展，、等新型自关断器件不断涌现，其质量不断提高，为屮高频感应加热电源的推广普及提供 了条件,。晶闸管加热电源由于节能显著、综合技术指标较好，是一种比较理想的感应 第苹绪论加热设备。但传统的晶闸管中频电源，存在焊点多、连线和接插件多、调试 复杂以及不宜维修等问题。另外，大功率晶闸管设备在运行过程中产生的谐波是 不容忽视的，对电力系统造成严重的公害，已经为国内外普遍关注的问题,从晶闸 筲设备的控制系统方面，通常考虑釆用高精度触发电路来加以抑制，而这是模 拟系统难以完美解决的。，自从年代后期以来，在感应加热电源方面,变频技 术得到了迅速发展。它具有驱动功率

11、小、开关速度快、通态压降小、载流能 力强、体积小、效率高和易于控制等优点，并成为现代电力电子技术的主导器件。随着新技术、新材料的运用，功率模块在电流、电压等参数方面都有大幅度提高，特别是器件可工作在谐振状态。全固态超咅频电源与晶闸管屮频电源 相比，具有明显的节能、节水等优点，是感应加热发展的必然趋势】。自年美国公司发明功率器件后，己经成为众多加热电源首选器件。年西班牙报道了一/的感应加热电源：年r本采用器件研制了 /的并联逆变感应加热电源。比利时公司生产的电流型感应加热电源可达兆瓦级别。国外最大容量已达几十兆瓦。应用于高频电源的另一功率器件为静电感应晶 体管，主要以日本为主，电源水平在年代末达

12、到/。国内在“八五”计划开始加快了研究全固态的感应加热电源步伐。年天津高频设备厂和天津大学联合研制开发岀/的感应加热电源。同年，浙江大学，电流型并联逆变感应加热电源通过鉴定。年浙江大学三伊公司研制成功/的固体电源。和国外相比，国内还有不少差距。国内的大容量全固态感应加热电源十分缺乏,大多数用户直接从国外进口超咅频感应加热电源，因而国内发展超咅频感应加热电源的前 景十分看好。在控制技术上，国外大量采用集成电路，数字显示，微机控制。国内大部分采用分立元件和继电器，电路大都采用模拟电子电路，实现模拟控制。因而,决微机的频率跟踪以及系统的微机化设计具有实用意义。在生产上，国外一般采用标准化大规模生产，

13、国内仍处于手工业作坊阶段。因此国内电磁感应加热电源在频段范圉与功率等级上与发达国家相比，差距 逐渐缩小但是要赶上发达国家的感应加热的应用水平，还有许多工作要做。比如 元器件质量、寿命与无故障吋间、出厂的测试标准等。目前，国内外感应加热电源的发展有如下趋势：第一逐渐取代晶闸管成为大功率中频感应加热电源的主流功率器件。由于属于全控型器件，关断时间很短,不存在换相失败问题，对谐振电路属性没有严格要求,故设备的故障率极低。加之应用技术不断成熟，北京 工业大学工学硕士学位论文价格不断下降，特别是一些专为低频高功率场合设计的的出现使得其在大 功率应用场合逐渐取代晶闸管、等器件。第二感应加热电源控制的数字化

14、，智能化。近年来随着数字信号处理器技术的发展,使逆变电源的全数字控制成 为现实。能够实吋地读取逆变电源的输岀，并实吋地讣算岀输岀值， 使得一些先进的控制策略应用于逆变电源控制成为可能。徳国公司于 上海分公司推出全球首款采用的系列新一代的中频感应加热 电源产品。最高的输出功率可达。随着电子电力新器件出现，新控制方法的发展和计算机辅助设计软件的发展，感应加热电源技术正朝高频化、大容量化、智能控制、高功率因素、低 谐波电源的方向发展【综合上述几个因素，木课题研制一种基于控制的超变频电磁感应锅炉电源。该电源具有以下特点：第一工作频率在超音频范围内，无噪音污染。第二工作频带宽，电源功率输出与工作频率能够

15、同步。第三电源的整流部分采用不可控整流桥进行整流，谐波对网侧电源的影响 小。本课题的研究内容本课题来自北京市华威锅炉有限公司。项目要求设计一款超变频电磁感应锅炉电源，该电源功率，工作频率可调，能够显示及设置各种相应参数。功能要求见表。表超变频电磁感应锅炉电源功能要求9 功能要求组成部分所选芯片要求直流斩波脉冲宽度%.%。调功部分频率范围，输岀两路互补逆变部分波，能调节死区时间。显示部分 液晶显示模块 电流、电压、频率显示。时间控制，电压、电流保护，能手动调节上下自动控制或单片机限。部分根据以上要求，本课题主要的内容具体包括硬件电路设计、高速电磁干扰仿真研究分析和软件三部分：第一在电磁感应加热理

16、论基础上，综合考虑系统功能要求，设计系统总体第 章绪论方案。第二硕件部分:根据功能要求进行整个系统方案的设计和研究;主要电子及其外围硬件电路的设计。元器件的选择;研究和设计。第三高速第四软件部分:及其外围硬件电路的驱动程序编写，调试整套系统，使其稳定工作。北京工业大学工学硕士学位论文第章系统总体设计电磁感应加热原理电磁感应加热技术简称为技术,是在法拉第感应定律的基础上发展起来的，是法拉第感应定律的一种应用形式。年法拉第发现:线圈内磁场的变化会产生感应电流，感应电流的大小和线圈内磁场变化的速率成正比。这就是法拉第电磁感应定律。最初,法拉第 定律引起了电动机、发电机、变压器和无线通信系统的发展。然

17、而，在应用过程 中人们发现，感应过程中会产生热损耗，这成为破坏系统整体功能的令人最为头 痛的问题之一。于是，人们想到了利用这种热损耗来加热的方法，电磁感应加热的 概念便从此产生。电磁感应加热是利用电磁感应现象对金属做加热的方法，如图.所示，根据法拉第电磁感应定律和楞次定律，给感应线圈通交变电流,线圈当中将产 牛交变磁场，若工件放在加热线圈的交变磁场内，由于磁力线的切割，将在不同的浅层面产生感应电流涡流,并因工件的阻抗性质及涡流在工件上的流动产生 热量，使工件的温度升高，达到加热的目的，此即感应加热电源的基本原理。 图?感应加热原理的示意图如图所示是最简单的一种变压器电路模型,其初级线圈和次级线

18、圈间功率、电压和电流关系分别见式、式和式。忽略漏磁电流的影响，初级线圈与次级线圈的损耗均由绕组的电阻引起，当次级绕组为且短路时，由 于负载电流次级绕组的电流增大而产生热损耗，如图所示。由能量守恒定律可知，电源提供的能量与初级线圈和次级线圈的总损耗相等。第章系统总 体设计图一般形式变压器图次级短路的变压器尸木？9iv9iv,iv9iv式中？?总功率；?初级线圈电压;?初级线圈电流;?初级线圈匝数；?次级线圈电流；?次级线圈电压；?次级线圈匝数由于电磁感应加热的基木目的是使次级线圈产牛的热量最大，因此，感应加热线圈与负载z间的缝隙要设计的足够小，次级要有低阻抗且高渗透性特性 的材料制成。非铁金属或

19、不含铁的金属由于其高阻抗和低渗透性会破坏能量的功 效，通常不被釆用。因此，对于电磁感应加热系统,铸铁、不锈钢等材料能满足上 述要求，而陶瓷、玻璃、铝、铜等材料则不能满足要求。下面从能量的转换角 度来看整个系统的原理。如图所示第一个电能表示电源，第二个电能表示用于发 热的感应电流和涡流，只所以要经磁场转变,是为了提高发热效率。北京工业 大学丁学硕十学位论文电能电能热能磁能图能量转换图当交变电流过线圈时，根据安培定律,在线圈周围就会产生交变的磁场。见式?,见式。>/ ?式中一磁场强度；?截面积；?电流；一匝数；ii ?磁导率导体放在磁场中时,磁场运动的速率会发生变化，并且，导体越接近磁场中心

20、,磁场密度越低，根据法拉第定律，导体表面所产生的电流与感应的电流成比，见式导体表面的电流产生涡流。9占一矽/衍式中一磁感应强度由感应电流和涡流引起的电能就转变为热能,见式：兰2,其中由导体的电阻率和渗透性决定，电流由磁场强度决定。电磁感应加热在家电、淬火、焊接等领域得到广泛的应用，具有如下优点。加热温度高，而且是非接触式加热;加热效率高，可以节能；加热速度快，被加热物的表面氧化少：温度容易控制，可以局部加热且加热均匀，产品质量稳定；容易实现自动控制，使用方便；作业环境好，几乎没有热、噪声和灰尘；作业占地少，生产效率蒯z-o第章系统总体设计系统总体设计本电源工作示意图如图所示:超变频电磁感应锅炉

21、电源驱动锅炉正常工作，并接收锅炉实时反馈参数。利用键盘调节超变频电磁感应锅炉电源各种参数，利用显示模块显示各种参数,利用和计算机通讯。图结构示意图九9 为了实现感应加热，电源都是带有功率控制功能频率转换器。它的主电路拓扑中必然包含两种功能的电路，即调功电路和逆变电路。常见的感应加热电 源的拓扑结构主要有三种如图所示：感应线圈工件图逆变侧调功的感应加热电源.?感应线圈工件/图可控整流调功的感应加热电源感应线圈工件/图?直流斩波调功的感应加热电源.?逆变侧调功的感应加热方案把调功部分集成在了逆变电路部分，成木成倍的 提高，并且会产生高次谐波;可控整流调功方案:三相整流技术可以使功 率因数得到有效的

22、提高，但由于高频整流同样使交流侧的高次谐波含量 大，目前使用软开关技术的三相整流技术正在研究阶段，并不成熟。直流 斩波调功方案是指在采用不控整流得到直流电压，然后在直流母线侧采用 斩波电路，通过改变占空比的大小来调节直流输出电压，实现对输击功率的 节。直流斩波调功方案具有电路简单、功率因数高，输出波形好，动态响应快, 保护容易的优点，成本也比较低。超变频电磁感应锅炉电源的主电路由三相不控整流桥、软开关斩波器、逆变器和负载匹配电路四部分组成。三相交流输入经桥式不控整流桥整成动的直流电压，在经过电容对直流电压平滑滤波后，该电压被斩波器进行斩波功率调节。全桥逆变器输岀形成频率可调的方波电流，在锅炉的

23、内、外磁 热交换器的壁内流动从而产生大量的热能，高效迅速加热其中流动的水。全桥逆 变器工作频带宽，能够很好兀配锅炉的工作频率至xi,保持同步。主第章系统总体 设计电路图如图所示。?【/图主电路图.本章小结本章节综合介绍了电磁感应原理及其应用;在此基础上介绍了超变频电磁感应锅炉电源总体设计方案,包括逆变侧调功方案，可控整流调功方案，宜 斩波调功方案，最后比较三种方案优缺点，综合考虑项目要求，选择直流斩波 功方案作为本系统的设计方案。第章硕件电路设计硬件设计概述在总体方案的设计思想下，围绕构建各种功能接口模块。第一进行控制和信号处理;第二利用模块实现产生，从而驱动全桥以及斩波电路;第三利用模块实现

24、电压电流的反馈；第四利用字符型液晶模块显示电压电流以及频率值；第五利用进行计算机通信。功能框图如图?所示。液晶部图？功能框图.在实现模块的设计需要以下几个步骤：首先，进行主要元器件的选择。在选择的过程中，要综合考虑元器件的功能特性、成木、稳定性以及设计开发难度等方面。，这是一其次，选择设计工具。本系统的设计过程中选用了款设计功能强大，操作方便并口比较通用的设计软件。再次,对核心器件的外围电路进行原理图，图的设计。最后，根据图进行制板,编写测试程序，进行调试和修改，最终确定o硬件电路的设计【。元器件的选择元器件的选择是硬件设计的重要一步，选择搭配合理的元器件对于系统的性 能有着非常重要的作用。在

25、选择元器件时,要对其性能、成本等各方面进行综合考虑。本系统的主要元器件包括、电源芯片、芯片等。芯片的选择芯片也称数字信号处理嚣，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理。可分为定点运算和浮点运算两种。定点的特点是主频高、速度快、低,成木低、功耗小，主要用于计算复杂度不高的控制、通信、语音/图像等领域。 通常用定点器件可以解决的问题，尽量用定点器件，因为它的速度快、成本功耗小。浮点的速度一般比定点处理速度低，其成本和功耗都比定点高，但是由于其采用了浮点数据格式，因而处理精度,动态范围都远高于定 点,适合于运算复杂度高，精度要求高的应用场合，由于所

26、设计系统的计算 速度要求比较高，所以系统选择公司的型号作为核心控制器件。是公司推岀的定点芯片。最高主频可达的的，通道，支持/。由于内部集成了通道的'故无须再外扩，可使硕件电路简洁。封装如图所示。;:图引脚封装顶视图仃北京工业大学工学硕上学位论文如图所示为芯片的功能框图，其中阴影部分为代码保护模块。图功能框图的主要性能为：高性能静态技术;时钟周期.；低功耗核心电压.；/口电压.vi;编程电压。边界扫描支持。高性能的位屮央处理器;位位和位位乘和累加操作;哈佛总线结构；强大的操作能力;迅速的中断响应和处理;统一的寄存器编程模式;可达字的线性程序地址;可达字的数据地址;代码采用/或者汇编语言;

27、与/,处理器的源代码兼容。片内存储器:位的存储器;位的型只读存储器；和两块位的单口随机存储器;一块位的单口随机第章硬件电路设计存储器;和两块位的单口随机存储器。根只读存储器位，带有软件的模式，标准的数字表。外部存储器接口，有多达的存储器，可编程等待状态数，可编程读/写选通计数器，三个独立的片选端。时钟与系统控制支持动态的改变锁相环的频率。三个外部屮断。个外部中外部中断扩展模块，可支持个外部中断，当前仅用了断。位密钥，保护/和/，防止中的程序被盗个位的定时器。两个事件管理器、。串口外围设备；串行外围接口；两个串行通信接口，标准的;改进的局域网络;多通道缓冲串行接口和串行外围接口模式。通道的位，包

28、含两个采样保持器。个可独立编程、多用途通用输入/输出引脚等。与其它的嵌入式处理器相比，唯一的重要的区别在于支持单时钟周期.的“乘一加”运算。这一显著特点使得使用的时候灵活性很强，有很好的。 数据处理能力和实事性。以为平台实现开关电镀电源数字化主要包括以下 三个优点:第一能够实现电信号及过程参数的实时检测、显示及动作控制功 能；第二能够根据检测信号采用合理的智能控制算法确保电源具有较高的动态 性能指标，达到节能增效的目的;第三能够实现数字化触发信号的输岀，进一步提高电源装置的多方面性能指标。 电源芯片的选择芯片采用双电源供电，的核内电压和/接口电压分别为和，本系统需要三种电源，电压为、和。因此系

29、统是一个多电源系统，需耍电源芯片产生合适的工作电压。公司专门为设计的电 源芯片，的双电源解决方案采用实现，输入的电源电压为，输出电压分别为.和.,每路电源的最大输出电流为,并且配备了专门的复位芯片。具有如下特性：；双路电源;独立可控输出；一路可调;有效复位输出;小尺寸封装。封装如图所示。北京工业大学工学硕士学位论文/9“图.封装顶视图芯片的选择芯片内部包括的和的，其中的用来存储系统软件程序已经足够，但是在实际使用中，考虑到在工作过程中需要处理大量的数据，仅依靠芯片内部的存储空间远 远不够，所以考虑外扩一片存储器。是一种高速异步静态的，其读写周期为，与之间可以无需插入等待周期便可以进行读写操作，

30、并可以直接映射到 外部存储接口的或者区域。封装如图?所示。封装顶视图图.？第章硬件电路设计 显示芯片的选择液晶显示的原理是利用液晶的物理特性,通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大 规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便 携式电脑、数字摄像机、移动通信工具等众多领域。显示部分采用液晶模块显示温度、电流、电压、频率信息。字符型液晶屏是用点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为行个字、行个字、行个字等。在系统中应用液晶显示器作为输出器件有以下优点:显示质量高，数字式接口，体积小、重量轻，功耗低。

31、行个字的液晶模块采用标准的脚无背光或脚带背光接口。液晶显示工作原理：线段的显示点阵图形式液晶由x个显示单元组成,假设显示屏有行，每行有列，每列对应字节的位，即每行由字节，共x个点组成，屏上x个显示单元与显示区字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由区的叫的字节的内容决定，当时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为个点;当吋,则屏幕的右下,，角显示一条短亮线；当，,时，则在屏幕的顶部显示一条由段亮线和条暗线组成的虚线。这就是显示的基本原理。字符的显示用显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由x或x点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示区的字节，还要

32、使每字节的不同位为“ ”，其它的为“”，为“'的点亮，为“ ” 的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说, 显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文木方式,根据在上开始显示的 行列号及每行的列数找出显示对应的地址，设立光标，在此送上该字符对 应的代码即可。汉字的显示汉字的显示一般采用图形的方式,事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码一般用字模提取软件，每个汉字占，分左右两半，各占，左边为、？?右边为、？?根据在上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直到 显示完

33、就可以上得到一个完整汉字。液品模块是一个慢显示器件，在执行每条指令之前耍确认模块的北京工业大 学工学硕士学位论文忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时先输入显示字符 地址，即告诉模块在哪里显示字符，如图所示是的内部显示地址。掌纤/ '图内部显不地址在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式,在液晶模块显示字符时光标 自动右移，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的 状态。液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了个不同的点阵字符图形，如图所示，这些字符有:阿拉伯数字、英文字母的大小 写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。、x x x x

34、旬，日手'式'，试静x 丁芒x事工卜，盆乞、笼才于】习力，1串x x ,车，xxxx 冰、，苹xxx，才寸匕口舅'串一一，乞工小暑°c乖，一习图字符代码与图形对应图.第章硬件电路设计 采用标准的脚无背光或脚带背光接口，各引脚接 口说明见表.:表.引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明电源地数据电源正极数据液晶显示偏压数据数据/命令选择数据/读/写选择数据使能信号数据数据背光源正极数据背光源负极第脚:为地电源。第脚:接正电源。第脚:为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时。对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个的电位 器

35、调整对比度。第脚:为寄存器选择，高电平吋选择数据寄存器、低电平吋选择指令寄存器。第脚:/为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作童。 当和共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当为低电平/ 为高电平时可以读忙信号，当为高电平/为低电平时可以写入数据。 第脚:端为使能端，当端由高电平跳变成低电平吋，液晶模块执行命 令。第脚:一为位双向数据线。第脚:背光源正极。第脚:背光源负极。外围电路设计电源电路系统需要三种电源电压,分别为、和。的双电源解决方案釆用公司专门为设计的电源芯片实现，输入的北京工业大学工学 硕士学位论文电源电压为，输出电压分别为.和.设计时注意滤波电容要大小搭配使用。这

36、是因为电容的阻抗特性是形 的，并不是理想的“”形,也就是说并不是高于导通频率的信号都能通过。因 为电容都存在谐振频率谐振是指当频率高达一定程度时，阻抗反而大于其容 抗，电容值越大的电容谐振频率越低，其高频特性比较差，而小电容的高频特 性比较好,所以要用人小搭配来兼顾高低频的滤波。频率越高的能量越容易 在更短的线路上感应传导，高频耦合电容要更靠近管脚。电源电路如图.所示。xn口，9?兰口'髓冒、口阿一。斛?可.mi., 旦撕,.】m蔓攀咿o ii印?o ?烬厂一一智图和.电源电路时钟电路吋钟对于整个系统非常的重要，它决定了系统的工作频率的高低，并且可以通过对时钟频率的调整使得不同频率的芯

37、片之间信号的传输达到同步。时钟电路主要有三种类型：晶体电路、晶振电路、可编程时钟芯片电路。晶体电路优点最为简单，只需晶体和两个电容，价格便宜，体积小,能满足时钟信号电平要求,但驱动能力差，不可提供多个器件使用，频率范围,使用时还须注意配置正确的负载电容，使输出时钟频率精确、稳定。芯片除、等外，大都内部含有振荡电路，可使用晶体电路产牛所需的时钟信号。也可不使用片内振荡电路,直接由外部提 供时第章硬件电路设计钟信号。晶振电路优点电路简单、体积小、频率范围宽、驱动能力强，可为多个器件使用。但由于晶振频率不能改变，多个独立的时钟 需要多个晶振。另外在使用晶振时，要注意时钟信号电平,一般晶振输出信号电

38、平为或.，对于要求输入吋钟信号电平为的器件，不能选用晶振来提供时钟信号如、和等。可编程时钟芯片电路其电路较简单，一般由可编程时钟芯片、晶体和两个外部电容构成。有多个时钟输出，可产生特殊频率值，适于多个时钟源 的系统，驱动能力强，频宽最高可达，输岀信号电平一般为或.，常用器件为。处理器片上有基于的时钟模块，为器件及各种外设提供时钟信号。锁相环有位倍频设置位,可以为处理器提供各种速度的时钟信号。时钟模块提供两种操作模式，如图所示。内部振荡器如果使用内部振荡器，则必须在/和两个引脚之间连接一个石英晶体。外部时钟源如果采用外部时钟源，可以将输入的时钟信号直接接到/引脚上，而引脚悬空。在这种情况下，不使

39、用内部振荡器。螂”图时钟模块功能框图9 外部引脚可以选择系统的时钟源。当为低电平时，系统直接采用外部时钟或晶振作为系统时钟;当为高电平时，外部时钟经 过倍频后，为系统提供时钟。系统可以通过锁相环控制寄存器来选择锁相 环的工作模式和倍频系数。本系统引脚通过.电阻和.电源相连接，外部时钟经过北京工业大学工学硕士 学位论文倍频后为系统提供时钟。木系统选用晶体时钟电路，晶体选用频率，便于锁相环倍频。时钟电 路如图所示。图.时钟电路 复位电路设计复位电路，当系统运行中出现故障时可方便地人工复位。复位电路一方 面应确保复位低电平时间足够长，保证可靠复位;另一方面应保证稳定性良好,防止误复位。复位电路如图所

40、示。图复位电路仿真口电路是年制定的检测和芯片的.。通过这个标准，年被修改后成为的一个标准，即个标准，可对具有口芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测。第章硬件电 路设计具有口的芯片都有如下引脚定义：?测试时钟输入。?测试数据输入，数据通过输入口。卜测试数据输岀，数据通过从口输岀。?测试模式选择，用来设置处于某种特定的测试模式。可选引脚卜测试复位，输入引脚,低电平有效。接口用于连接最小系统板和仿真器，实现仿真器对的访问，接口的连接需要和仿真器上的接口一致。不论什么型号的仿真器,其接口都满足国际标准。一般情况下,最小系统板需要引岀双排脚插针，引脚间隔为英寸，引脚宽度为英寸，引脚长度英寸。在多数情况下

41、，如果目标板和仿真器之间的连接电缆不超过英寸。应注意的和引脚都需要上拉电阻,一般阻值为.或者与仿真器连接的接口设计如图所示【。图.接口电路电路的是位于其中的一段程序。当器件为微机模式时,它将在复位后执行。用于在系统上电后将外部的代码转移到内部或外部接口】存储器。这允许先把代码放在外部慢速的非易失性存储器中，然后转移到内 部高速存储器中执行。为了适应不同的系统要求，提供了多种方式来装载代码。这些模式仅当处理器处于微机模式时才可以使用。使用不同的引脚信北京工业大学 工学硕士学位论文号来决定采用何种引导模式【。引导模式配置如图所示，接口电路设计如图所示。删镐撕一矶幻。协？图引导模式配置9 图.接口电

42、路设计芯片屯路存储器接口负责将访问存储器逻辑控制单元同存储器、外设以及其它的接口连接起来。存储器接口包含独立的数据和程序总线，因此在一个周期 内能同时访问程序存储器和数据存储器。该接口还包含存储器访问需要的各.第苹駛件电路设计种控制信号，通过这些信号控制存储器或外设的数据传输。处理器的外部接口映射到个独立的存储空间，当访问相应的存储空间时，会产生一个片选信号；不过有的存储空间公用一 个片选信号，使用时采用统一的编址方式。每个空间都可以独立地设置访问等待、 选择、建立以及保持时间，同时还可以使用信号来控制外设的访问。外部接口的访问时钟频率由内部的提供，可以等于或/。连接到的空间，几口电路设计图如

43、图.所示。瑚了耻00乃00/洲月由/压。:彰影影影一、】/影影，ix,舰蹦猶瑚黜图.接口电路设计 串行通讯电路串行通信接口是采用双线通信的异步串行通信接口，即通常所说的ii 口。为减少串口通信时候的开销，的串口支持级接收和发送。模块采用标准非归零屹数据格式，可以与或其它通信数据格式兼容的异步外设进行数字通信。当不使用时，接收 器和发送器采用双级缓冲传送数据。接收器和发送器有自己的独立使能和中 断位，可以独立操作,在双全工模式下还可以同时操作。为了保证数据完整，模块对接收到的数据进行间断、极性、超限和帧错北京工业大学工学硕士学位论文误检测。通过对位的波特率控制寄存器进行编稈，配置不同的通信速率。

44、其功能框图如图所示。图.功能框图通信接口主要特点如下：两个外部引脚：:数据发送引脚。:数据接收引脚。两引脚为多功能复用引脚，可以作为数字量/使用。种通信速率。数据格式:一个开始位广个数据位，奇校验/偶校验/无校验可选，或个停止位。第章硬件电路设计个错误检测标志位:奇偶错误，超时错误,帧错误，间断检测。两种多处理器唤醒方式:空闲线唤醒或地址位唤醒。全/半双工通信。双缓冲接收和发送功能。发送和接收可以采用中断和查询两种方式。独立的发送和接收中断使能控制砌除外。非归零通信模式。个模块控制寄存器,起始地址为。自动通信速率检测。级发送/接收。由于端串口采用电平标准,其高低电平分别为与。而 的高低电平分别

45、为与。因此与通信需要电平转 换,这里系统选用了公司兼容标准的电平转换芯片。内部有两个电荷泵,每个电荷泵需要一个快速充电电容和一个储能电 容器。手册推荐电容值为。的数据发送引脚和数据接收引脚分别与的数据输入引脚和数据输出引脚连 接。电路如图所示。§ :型;亿姒勉8 8 一虫曲图.接口电路设计？.外扩电路的模块有个通道，可配置为两个独立的通道模块，方便为事件管理器和事件管理器服务。两个独立的通道模块可以级连成为一个通道的模块。虽然具有丰富的输入通道和两个排序器，但是，模北京工 业大学工学硕士学位论文块中只有一个转换器。两个通道模块能够自动排序一系列的转换，每个模块可以通过多路开关，选择其

46、具有的个通道屮的任何一个。在级连模式下自动排序器作为一个通 道的排序器使用。每个排序器一旦转换完成，就将所选择通道的值存储在其 各自的寄存器屮。自动排序功能允许对同一个通道进行多次转换，允许用户使用过采样算法，相对纯铜单次采样转换，这将提高结果的精度引。为了获得制定的精度，须采用正确的电路板布局。为了获得最佳效果， 引脚引出的引线要尽量远离数字信号线。这将最大程度地消除数字电 路中开关噪声与输入之间的耦合；同时,模块的电源引脚与数字电源z间需要间隔适当的距离。接口电路设计图如图所示。:?盎iii，亡?幻:啪:科:匕？如 舖四;?印 "f99擎弦图接口电路设计电路脉冲宽度调制是英文“”

47、的缩写，简称脉宽调制。脉冲宽度调制是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号 的电平进行编码。信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻,满幅值的直流 供电要么完全有,要么完全无。电压或电流源是以种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候,断的吋候即是供电被断开的吋候。只要带宽足够,任何模拟值都 可以使用进行编码。的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足 以将逻辑改变为逻辑或将逻辑改变为逻辑时，也才能对数字信号

48、产生影响。对噪声抵抗能力的增强是相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将用于通信的主要原因。从模拟信号转向可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的或网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。接口屯路如图所示。:凹iii愠第章硕件电路设计臣爨母虽瞬嬲篓伊口黜匪罗图接口电路设计.显示接口电路显示接口电路负责与液晶模块连接通信,其电路 图如图?所示。'：'日零、'、'图.显示接口电路设计9 键盘电路本设计使用键盘电路调节输出波形参数和液晶模块显示内容。其电路图如图所示。北京工业大学工学硕士学位论文键盘图键盘电路设计？木设计使用到了按键阵列，所以按

49、键消抖部分不可缺少的。实际的按键确认都需要考虑到按键消抖问题。通常按键的开关为机械弹性触点开关,它是利 用机械触点解除和分离实现电路的通、断。由于机械触点的弹性作用，加上人们 按键时的力度、方向的不同，按键开关从按下到解除稳定要经过数毫秒的弹跳抖 动，即在按下的几十毫秒时间里会连续产生多个脉冲；而释放按键时，电路也不 会一下子断开，同样会产生抖动如图所示的按键操作波形。这两次抖动的时间 分别为左右，而按键的稳定闭合期通常大于。因此,为了确保对一次按键动作只确认一次，在确认按键是否闭合时,必须要进行消抖处理;否则由于热按键执行的速度很快,非常可能将抖动产生的多个脉冲误认为多次的按键。第章硬件电路

50、设计图按键抖动时的电压信号按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的，一般为零点 几秒至数秒。键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保对键的一次闭合仅作一次处理，必须去除键抖动。在键闭合稳定时读取键的状态,并且必须判别 到键释放稳定后再作处理。按键的抖动,可用硬件或软件两种方法。使用硕件消抖的方式，需要在按键链接的硕件设计上增加硕件消抖电路，例 如采用触发器或积分电路等。采用硬件消抖方式增加了系统的成木，而 利用软件方式消抖则是比较经济的做法，但增加了软件设计的复杂性。软件消抖的基本原理是在软件中对按键进行两次测试确认，即在第一次检测到按键按下后，间隔左右再次检测该按键是否按下，只有在两次都检测到 按键按下时才最终确认有键按下，从而消除了抖动的影响。当检测到按键释 放后,也要给、的延时,待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。总体电路原理图如图所示。本章小结本章着重介绍了芯片外围硕件电路的设计，包括电子元器件的选择，各种外围接口的工作原理以及在此基础