第9章 嵌入式系统工程开发实战

第9章嵌入式系统工程开发实战教师：姓名嵌入式系统原理与接口技术本章以基于STM32和FPGA的可编程电液比例控制器为例，系统介绍工程开发的每一个具体环节。需求分析方案设计具体的软硬件设计系统整合本章概要嵌入式系统原理与接口技术29.1需求分析需求背景电液比例控制技术是连接微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁，具备了电气和液压的双重优势，形成了颇具特色的技术分支，成为了现代控制工程的基本技术构成之一。电液比例控制器是整个比例控制系统的控制中枢，直接影响整个系统的控制性能。发展趋势高速、高精、高性能化一体化和集成化通用化智能化网络化和模块化嵌入式系统原理与接口技术3主要功能多通道的比例电磁铁功率驱动多通道比例电磁铁电流闭环控制控制参数自整定多路电压电流量检测以及模拟量输出和常用的通讯单元同时对多达6个通道同时进行比例电磁铁闭环PID电流控制具备16路电压/电流采样通道12路开关量输入与8路开关量输出2路模拟电压量输出与2路模拟电流量输出3路CAN通信接口，以及1路RS232参数配置与通信接口9.1需求分析

嵌入式系统原理与接口技术4主要参数9.2详细说明嵌入式系统原理与接口技术5接口类型主要参数供电电源24VDC比例电磁铁驱动2路，闭环电流控制，电流0～6A单向，响应时间<10ms开关量输出8路

24/1.3AMax光隔，用于继电器驱动开关量输入12路24V光隔模拟量输入0(4)~20mA/8路、0~5(10)V/8路、隔离、12bit采样2k/s模拟量输出4~20mA/2路、0~5V/2路、隔离RS2321路、隔离、波特率9600～115200CAN3路，1路主通信、1路副通信、1路故障备份通信外部供电非隔离5VDC200mAMax系统架构设计综合考虑采用ARM+FPGA的基本组合形式ARM完成控制器的主要控制、参数配置、数据通信、基本输入输出等FPGA主要完成对实时性要求较高的闭环电流控制部分，完成电流采样，PWM控制以及闭环PID控制算法9.3结构设计嵌入式系统原理与接口技术6主控制器的选择STM32F103ZET6为主控芯片STM32F103XX增强型系列中性能最高的一款芯片FPGA选择Altera公司CycloneII系列EP2C5T144A/D、D/A芯片的选择高速A/D芯片选用ADS8364四度A/D多通道芯片选用TLC2543D/A芯片选用TLV56149.3结构设计嵌入式系统原理与接口技术73路CAN通信电路方案选择STM32芯片STM32F103C8T6用作CAN控制器开发平台的选择主控制器芯片采用KeilMDK开发平台FPGA采用Altera的QuartusII平台进行开发9.3结构设计嵌入式系统原理与接口技术8控制器电气隔离部分总体设计速度较慢的数字量输入输出端口使用最为常见的TLP-521进行电气隔离通信部分的隔离中选用ADuM141X系列隔离芯片ARM与FPGA的连接利用STM32的FSMC接口，将FPGA设计成为一个虚拟SRAM，利用地址和数据总线进行通信其他功能模块的连接CAN通信的STM32F103C8T6与主控制器STM32F103ZET6之间采用USART连接TLC2543与TLV5614通过Adum隔离芯片与主控制器STM32F103C8T6连接，采用串行方式连接9.3结构设计嵌入式系统原理与接口技术9控制器最终结构STM32F103ZET6为主控制，负责系统的主要通信、输入输出以及部分算法处理等功能EP2C5T144完成高速A/D的采样，PWM控制以及闭环PID控制STM32F103C8T6作为通信控制芯片，专门负责两路CAN通信ADS8364为6通道16位高速AD采样芯片,主要负责电流的高速采样TLC2543为11通道12位AD，负责控制器的低速模拟量采样TLV5614为4通道12位DA，负责控制器的模拟控制量输出9.3结构设计嵌入式系统原理与接口技术10硬件电路的设计电源部分电路设计STM32的外围电路设计FPGA外围电路设计控制器通信部分电路设计低速AD信号采集部分电路设计DA部分的电路设计电流量输出部分电路设计功率驱动部分电路设计可编程增益放大器的设计9.4组件设计嵌入式系统原理与接口技术11硬件结构图嵌入式系统原理与接口技术12本课题中需要的电源如下系统电源输入：24VDC隔离数字电源部分：+3.3V：用于STM32、FPGA、ADS8364等供电；+5V：ADS8364等供电；±12V：双电源运放LM324等供电；±5V：增益切换开关ADG1612供电非隔离电源部分：+24V：电磁铁供电，24V开关量输出；+15V：MOSFET驱动电压，此电压可调；+5V：TLC2543、TLV5614、MAX232等供电±12V：双电源运放LM324等供电9.4组件设计嵌入式系统原理与接口技术13基于LM2596的开关型稳压电源设计9.4组件设计嵌入式系统原理与接口技术14基于AOZ1014的小型开关型稳压电源设计9.4组件设计嵌入式系统原理与接口技术15FPGA外围供电电路设计9.4组件设计嵌入式系统原理与接口技术16CAN通信电路设计9.4组件设计嵌入式系统原理与接口技术17RS-232通信电路设计9.4组件设计嵌入式系统原理与接口技术18电流量输出部分电路设计使用AM462设计电压转电流输出电路功率驱动部分电路设计使用TLP250设计功率驱动电路可编程增益放大器的设计采用具有最优共模抑制性能的可变增益仪表放大器AD8221进行信号放大采用一个四通道单刀单掷开关（ADG1612）和一个电阻可编程仪表放大器（AD8221）来实现可编程增益功能9.4组件设计嵌入式系统原理与接口技术19软件部分的设计主控制器STM32F103ZET6的程序开发，主要涉及TLC2543、TLV5614的驱动，与FPGA、STM32F103C8T6的通信，CAN、RS232通信以及参数配置和部分计算。STM32F103C8T6主要包括CAN、RS232通信程序以及部分数据的处理。FPGA程序包括并行A/D的数据读取与处理，PWM波的产生，闭环控制算法等9.4组件设计嵌入式系统原理与接口技术209.4组件设计读操作时序写操作时序嵌入式系统原理与接口技术21思考参考STM32FSMC接口一节，比较各种模式的信号异同。基于FPGA的高速AD数据采集程序设计ADS8364的读取时序图与测量信号9.4组件设计嵌入式系统原理与接口技术22基于状态机的ADS8364读写程序设计9.4组件设计嵌入式系统原理与接口技术23练习根据以上学习内容，使用VHDL或者Verilog语言编写ADS8364读写程序仿真。TLC2543低速AD采样模块程序设计TLC2543时序图9.4组件设计嵌入式系统原理与接口技术24TLV5614DA输出模块程序设计TLV5614时序图9.4组件设计嵌入式系统原理与接口技术25TLV5614程序的逻辑分析仪测试9.4组件设计嵌入式系统原理与接口技术26控制器的PCB设计PCB的设计与主要分为三个阶段第一阶段是部分硬件功能模块的调试与验证,针对部分尚未确定或者实际参数表现并不明确的功能模块，可以单独设计PCB进行调试和验证

。第二阶段是系统的初步集成设计，将最终的功能模块组合，设计在一个PCB板上。第三阶段是在前两个阶段的基础上修改发现的错误，对发现的部分设计进行优化，最终完成软硬件设计。9.4组件设计嵌入式系统原理与接口技术27子功能模块之间的集成系统的集成是一个循序渐进的过程，在工程的开发过程中所有功能都不是一步到位的，而是