基于ARM的數字調壓控制系統設計與實現

摘要：隨著電子信息技術和半導體技術的深入發展，嵌入式系統的應用日趨廣泛，在控制領域之中更多的使用了高性能微處理器，以滿足各方面越來越多的控制應用需求?；?a class="contentlabel" href="http://www.104case.com/news/listbylabel/label/ARM">ARM嵌入式平臺的數字調壓控制系統，克服了傳統上以旋鈕或滑變式變阻器對交流電壓進行模擬控制的弊端。本系統以嵌入式技術為基礎，在嵌入式平臺上利用ARM微處理器實時控制數模信號的轉換，以控制正弦波調壓模塊對交流電壓的大小調節。本文中通過對本系統的實際測試，驗證了數字調壓控制系統的功能特性，并且定量測試得出了本系統可以實現對交流電壓進行線性調節的結論。數字調壓控制系統可作為對電壓的智能調節裝置應用于家庭、醫療及工業自動化等領域，并且具有調節精度高、調節線性度好，易于操作等特性。

調壓控制系統作為對電壓的智能調節管理裝置常用于家庭、醫療和工業自動化控制等領域。以往對交流電壓的控制調節通常使用滑動式或旋鈕式變阻器串接入電壓回路中實現，旋鈕的長時間旋轉會導致調節不靈敏甚至失效，調節的精度降低，誤差較大。隨著電子科技和嵌入式技術的迅猛發展，嵌入式系統越來越多的應用于控制領域之中，在嵌入式平臺上實現數字智能控制的調壓系統有著重要的意義。文中選用ARM Cotrex—A8微處理器搭建硬件控制平臺，使用Linux作為嵌入式操作系統，實時性強，易于開發。

1 ARM數字調壓控制系統的總體設計

ARM數字調壓控制系統的硬件設計主要包括硬件的總體設計、處理器的選型以及硬件的詳細設計。ARM數字調壓控制系統總體設計階段主要任務是依照嵌入式系統的設計流程，明確系統需要實現的功能，對系統進行硬件模塊劃分，系統硬件結構框架確定之后選定處理器型號，搭建開發環境已完成本系統的設計目標。

1.1 ARM數字調壓控制系統的結構

系統的硬件總體設計是以系統的功能需求為基礎的。本系統的研究目標是ARM數字調壓控制系統，需要實現通過數字信號控制來完成對交流電壓的智能調節。一個完整的數字式調壓控制系統包括了核心控制模塊、數模信號轉換模塊、輸入輸出模塊和正弦波調壓模塊四個部分組成。系統結構框圖如圖1所示。用戶從輸入輸出模塊輸入指令給控制模塊，控制模塊收到指令后控制數模轉換模塊執行數字信號到模擬信號的轉換，轉換結果輸出給正弦波調壓模塊。

核心控制模塊主要包括ARM處理器、內存、NANDFlash、電源管理模塊等，數字調壓控制系統的所有控制操作均由處理器來完成。處理器配有512MB的DDR2內存，SD卡用來存儲Linux系統內核鏡像、文件系統、驅動程序和應用程序，系統上電后Bootloader將引導操作系統的啟動，并將應用程序裝載到內存中運行。

數模信號轉換模塊主要包括高精度數模轉換芯片，選用DAC7311來實現數字控制信號到模擬控制信號的轉換工作，其轉換精度高達12位，通過串行同步接口與處理器相連接。

輸入輸出模塊作為用戶與系統的交互接口，主要包括一塊LCD觸摸屏、用戶按鍵，用來顯示系統相關信息、應用程序界面和控制程序的運行等。

正弦波調壓模塊與數模信號轉換模塊相連接，經過數模轉換后輸出的模擬控制信號輸出到正弦波調壓模塊上，來實現對交流電壓的大小調制。

1.2 微處理器選型

本系統中核心控制模塊的主要器件是嵌入式微處理器。在嵌入式微處理器選型時依次要考慮微處理器的性能、技術指標、功耗及所支持的開發工具等。在PCB設計時主要考慮到處理器的封裝和Layout設計時布局、布線的難易程度和制版時的費用等問題。依據本系統的設計目標和功能需求，并綜合了設計過程中的相關因素，本次設計選擇了德州儀器推出的ARM嵌入式微處理器AM3354。AM3354外設資源豐富，處理性能優越，并且功耗小，成本低。AM3354提供兩種形式封裝，298個引腳ZCE封裝，焊球間距0.65 mm;324個引腳ZCZ封裝，焊球間距0.80 mm。依據PCB設計原則本設計中選用324個引腳ZCZ封裝芯片。

2 ARM數字調壓控制系統的硬件設計

系統的硬件設計主要描述硬件系統的實現方法。嵌入式硬件設計的思想是以實際應用為中心，硬件系統可裁剪，根據實際應用可進行功能的擴展，以滿足成本、功耗及產品體積的綜合需求。系統基本實現方法為系統上電啟動后Bootloader從SD卡中將Linux操作系統和應用程序文件讀入內存中，并運行操作系統。系統內存使用了兩片256M的MT74H256M8，總共內存512M。當用戶控制應用程序發出指令后，處理器通過配置GPIO接口模擬串行同步接口來控制數模轉換模塊進行數字信號到模擬信號的轉換。

2.1 核心板設計

本系統中核心板采用6層板設計。在硬件設計中，多層板主要用來降低硬件設計成本，縮小電路板的面積。由于核心板上擁有DDR2內存，屬于高速電路，因此內存電路是核心板設計的重點和難點。核心板的硬件結構如圖2所示。由圖可見，處理器外掛兩條內存，兩條內存共享處理器的時鐘線、數據線和地址線，為了保證系統穩定性，兩條內存到處理器的走線采用T型連接設計，并且等長布線。為了避免對高速電路的影響，晶振應避開高速電路，盡可能的靠近處理器的時鐘引腳。電源管理模塊負責對核心板上所有器件的供電管理。

2.2 底板設計

本設計中底板采用2層板設計，底板上主要包括了外圍設備接口、數模信號轉換模塊和插槽，外圍接口電路包括系統復位電路、串口電路、SD卡接口電路、LCD觸摸屏接口電路、USB接口電路、電源開關電路和用戶自定義按鍵，底板上的接插槽作為接口與核心板連接，底板的系統結構框圖如圖3所示。數模轉換模塊主要由高精度數模轉換芯片組成，使用串行接口連接。底板上所有部件接口引腳均連接至接插槽上，通過插槽與核心板連接，這樣有利于后期功能的擴展和系統的裁剪，同時有效的降低了開發成本。