S3C4480在高精度直流開關電源設計中的應用

介紹了嵌入式ARM處理器S3C44BO的系統結構,并將其應用到開關電源控制系統的軟硬件設計中,詳細給出了系統的硬件架構和軟件主程序流程圖。

關鍵詞：ARM;開關電源;PID

引言

近年來,嵌入式技術發展極為迅速,出現了以單片機、專用嵌入式ARM為核心的高集成度處理器,并在通信、自動化、電力電子等領域得到了廣泛應用。電源行業也開始采用內部集成資源豐富的嵌入式控制器來構成大型開關電源的控制系統。開關電源是效率較高的一種電源,是由占空比可凋的脈寬調制波(PWM)來控制M0S管、IGBT等開關器件的開通與關閉,從而實現電壓電流穩定輸出,其性能的優劣直接關系到整個電子系統的工作性能指標。將SAMSUNC公司的嵌入式ARM處理器S3C44BOX芯片,應用到開關電源的控制系統的設計中,采用C語言和少量匯編語言,就可以實現一種以嵌入式ARM處理器為核心、具有智能PID控制器以及觸摸屏、液晶顯示器等功能的開關電源控制系統。

l 系統硬件架構

隨著數字電路和半導體工藝日趨完善成熟,數字信號、數字電路在應用中所占比例越來越大,同時顯現出越來越多的優點：便于計算機處理控制、減小信號的干擾、提高抗干擾能力、便于調試,也便于自診斷、容錯等技術的植入。隨著嵌入式處理器主頻的提升,片內控制功能的增強,PWM波形頻率與精度的進一步提高,使得電源控制系統的集成度與精度得以提高。

本電源對輸出的電壓電流信號進行采樣,進行PID控制,最后輸出PWM驅動波形調節輸出電壓。輸出電壓通過對大容量鉭電容充放電,給負載提供穩定的高電壓大電流輸出,供工廠進行電鍍使用。電源的控制系統硬件架構如圖1所示。

本系統包括PID控制器,PWM輸出,AD采樣,構成單閉環系統。前端三相交流電源輸入到開關電源整流模塊,經整流濾波后輸出平穩的直流電壓。該直流電壓直接輸出至IGBT模塊。高精度AD轉換器將后端輸出的電壓電流信號由模擬信號量變為數字量供給S3C44BO進行數字PlD運算,經過PID控制運算后,由S3C4480輸出PWM至IGBT從而構成一個閉環系統,控制電壓電流穩定輸出,從而實現開關電源控制系統。

對于PID運算和PWM波輸出模塊,要求較高。通過計算和考查,我們選取了,SAMSUNC公司的S3C4480,這是一款32位基于ARM7TDtMI架構的CPU,擁有高達59MIPS的運算速度,其具體功能特性如下：

運算速度高達59 MIPS,完全滿足復雜PID控制器運算的實時性要求;
16位的定時器,可實現精度高達0．03 μs的PWM脈沖波,并且有防死區(DEADZONE)功能;
外部中斷源多達8個,可以對系統外部故障信息進行實時響應;
內部嵌入了LCD)控制器,并擁有DMA通道,使得電壓電流值可以實時顯示在LCD上;
多達71個通用10口線,可以方便地擴展外部接口;
內嵌的lIC接口控制器可以將系統信息保存在EEPROM中,為系統操作員提供參考;
內部的看門狗功能可使系統在軟件或硬件出錯的情況下自動復位,保證了系統的安全正常運行;
2個異步串行接口(UART)可以方便地實現和上位機的通信;
外擴的大容量存儲器為軟件提供j,充足的空間。

首先系統采用觸摸屏和LCD作為人機接口。S3C44BO內部集成了LCD控制器,可支持高達320×240分辨率,256色sTN—LCD),并通過DMA通道與CPU相連,可以快速動態地顯示彩色圖形,替代了廠家傳統的5l系列單片機與LED數碼管組成的人機接口,使工人操作更加方便。S3C44BO外部GPIO接口,町以提供多種外部信號如表1所列。

8個外部中斷,滿足對過流,過壓,缺相,超溫等特殊情況的即時停機響應。S3C44BO帶有外部存儲器接口,通過外擴FLAsH SST39VF160和SDRAM HY641620保證了本數字控制系統有足夠的空間保存和運行程序。由于設計精度要求千分之一,未選用S3C4480片內IOBIT—ADC,而是選用了AD7705這款雙通道、168IT△一∑的ADC,并通過SIO同步端口與CPU連接。AD7705的配置可見參考文獻[7],這里不再說明。