（电力电子与电力传动专业论文）基于pc104的可程控功率信号源设计.pdfVIP

堕! ! 三、业生堂堕主兰竺丝苎! ! 里 a b s t r a c t i t si n t r o d u c e dt h ed e s i g nm e t h o do fp r o g r a m e dc o n t r o lp o w e rs i g n a lb a s e do n p c 10 4 i t sa d o p tt h el a t e s tt e c h n i co f d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e ( d d s ) ，a tt h es a m et i m e i t sl i n kt h ek o n w l e d g eo fe l e c t r i cp o w e r , c o m p u t e ，a u t o m a t i o nt o g e t h e r , i no r d e rt o m e e t st ot h ep o w e ro f s p e c i a lt e s t i n g i nt h ep r o c e s so f d e s i g n ，t h ew i d e l y r e s e a r c hi sd o n ei nt h eh o m ea n do v e r s e a i t s g i v ep c 1 0 4a sd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a n dd e s i g n e sd d s s i n g a lb o a r d 0 np c 1 0 4a n d m u l t i f u n t i o na db o a r do np c 10 4 i t sa l s ou s e db yt h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo f m a t l a bt oe s t a b l i s hm o d e lo fe l e c t r i cp o w e ri n v e r t e rs y s t e m ，b ys i m u l a t i n ga l lk i n d s o fs t a t ei nt h ea c t u a ls y s t e m ，t h ep a r a m e t e r sa n dc h a r a c t e r i s t i co fs y s t e mi sg e t t e dt h a t b e n e f i tt os e tp a r a m e t e r si nt h ea c t u a ls y s t e m t h em a t u r ed e s i g nm e t h o da n dt h e c p l d c h i pa p p l i e di nt h ea c t u a lc i r c u i td e s i g n i t sg o o d f o rr e d u c i i n gb o a r dv o l u m e a n di n c r e a s i n gd e s i g ns p e e d t h er e s u l to f a c t u a lp r o d u c tt e l l si tc a ns a t i s f yd e m a n dp r a c t i c a l l y k e y _ w o r d s ：d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e ( d d s ) e l e c t r i c i n v e r t e rp c 10 4 e m b e d d i n go p e r a t i o ns y s t e m u c o s i is i m u l a t i o n 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 系统的研制背景和特点 随着航空工业的飞速发展，为了提高航空用电设备的质量水平和可靠性，需 要对航空电气设备进行大量的一系列测试，如欠压、过压、欠频、过频等，因此 需要特种测试电源来满足要求。但现在航空用的特种测试电源存在体积大，精度 低，可靠性差等问题。同时为适应不同的用电设备环境，可程控的电源需求也不 断增加。在一些航空电气电子装备检测仪中，往往需要频率、幅度都能由计算机 自动调节的信号源。本系统正是在上述背景下，设计的新型可程控正弦波信号源。 采用双环控制的逆变系统，就可得到满足要求的程控电压源。所以本系统既可作 为通用程控电源系统的功率信号源，又可作为特种测试电源供电气设备测试。 本系统的研制目的具有以下特点： l 、该系统设计体积要小，可靠性要求严格： 2 、符合电磁兼容性要求； 3 、三相电压、频率可调：同时满足特种调试需要，如过压和过频： 4 、可按用户要求精确设定过调的时间： 5 、人机界面友好，操作简单；扩展性好，可满足今后网络应用功能。 因此设计一个基于p c 1 0 4 的嵌入式功率信号源，是一个比较理想的解决方 案。本方案能够充分满足需求，并有良好的扩展功能；本课题为国防工业提高现 代测试仪器的现代化提供了一种新思路，是综合多学科的崭新设计途径。 1 2 国内外现状 国外关于可程控功率信号源的产品主要是a g l i e n t $ 口福禄克两家公司的产品 为主，且大多价格昂贵，扩展性不佳；而国内相应的产品也不多见，同时它们均 不能满足特种调试需要。 1 2 1 关键技术信号源生成方式1 9 1 现在国内外采用的正弦波信号源产生电路通常由以下几种。 1 、d a c 和v c o 以及波形转换电路构成正弦波信号发生器 利用数模转换( d a c ) 将数字量转换成模拟电压来控制压控振荡器( v c o ) 两北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 输出，经波形变换可得到所需的j 下弦波，它具有结构简单，实现容易的特点。但 同时它是开环系统，可靠性差，频率不稳定，分辨率差等缺点，由于v c o 的f 线性范围有限，频率变换范围小。 2 、采用数据存储器和数模转换器( d a c ) 构成的正弦波信号发生器 通常采用一个双端 r a m 或f i f o 、计数器和d a c 构成，计算机将数据写入 f i f o 的同时，d a c 同时循环取数，在频率调节时，处理量大，频率转化时可能 存在断点。 3 、锁相环频率合成技术 现在应用最广的是锁相环( p l l ) 频率合成技术，它是通过变化p l l 中的分频 比n 来实现输出频率的变化的，但无法避免缩短环路锁定时间与提高频率分辨率 的矛盾，因此很难同时满足高速和高精确度的要求。 4 、直接数字频率合成技术( d d s ) 直接数字式频率合成( d d s ) 是近年发展起来的一种新的频率合成技术。它将 先进的数字处理理论与方法引入频率合成领域，是继直接频率合成( d s ) 和间接频 率合成( i s ) 之后的第三代频率合成技术。d d s 的优点是：相对带宽很宽，频率转 换时间极短( n s 级) ，频率分辨率很高( 可达u h z ) ，全数字化结构便于集成，输出 连续，频率、相位和幅度均可实现程控。因此能够与计算机紧密结合在起，充 分发挥软件的作用。 1 3 系统总体简介和研究内容 1 3 1 系统各部分的功能和组成 本系统主要分为两大部分：p c 1 0 4 信号源及监控系统，逆变主电路及控制电 路。它们又分别包括以下部分：c p u 模块，d d s 模块，a d 模块；控制电路，逆 变主电路。各部分的主要功能框图如下： 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 3 1 系统功能框图 整个系统的显示和输入数据通过p c i 0 4 系统来处理，同时通过d d s 模块和 a d 模块对逆变系统进行监控，实现过压、欠压、过频、欠频等功能。逆变系统 的主要功能是把直流电转化为所需的交流电，但实际电路是采用交一直一交，即现 将交流电转化为直流电，再将直流电转化为交流电；前者采用大功率二极管的不 控整流，后者是采用瞬时值控制型逆变电路，实现逆变。从成本、进度角度考虑， 硬件方面主要针对p c 1 0 4 的模块板卡和逆变电路设计。 软件主要是对p c i 0 4 的嵌入式软件的移植和开发。 1 3 2 作者所作的主要工作和研究内容 对课题设计任务进行深入细致的需求分析后，提出切实可行的设计方案； 1 、充分了解p c i 0 4s y s c e n t r e m o d u l e s u p e r d xc p u 模块特性和p c i 0 4 总线规 范； 2 、设计了基于p c i 0 4 总线的d d s 信号模块和多功能a d 模块； 3 、仿真和设计基于滞环控制的逆变电路： 4 、设计基于u c o s 的控制软件，提高系统的可靠性和响应时间。 1 3 3 任务章节的安排 在上述的探讨和实践基础上，撰写了本文。章节安排如下： 第一章主要介绍本课题的背景和意义，以及国内外相关的现状、总体设计思 3 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 路、章节安排等。 第二章主要介绍相关技术背景和原理。 第三章主要是系统的方案设计和仿真。 第四章介绍了硬件平台的设计，包括基于p c 1 0 4 的d d s 信号模块的设计、多 功能a d 信号模块的设计、基于滞环控制的逆变电路。 第五章主要介绍了软件设计的方案，主要介绍了相应的u c o s 移植问题以及 系统软件的设计方案。 最后对论文工作做了总结。 西北工业大学硕士学位论文 第二章相关技术概述和设计选型 第二章相关技术概述和设计选型 本文所需知识涉及多个学科，既有计算机硬件原理和开发，也有嵌入式软件 的开发设计，还有电力电子等技术，所以接下来讲述相关技术背景知识。 2 1 锁相环矛h d d s 比较 2 1 1 锁相环原理 9 1 锁相环作为比较普遍的解决方案，它的基本定义：能够实现两个电信号的相 位同步的自动控制系统称为锁相环路( p h a s el o c k e dl o o p p l l ) 。锁相环作为 一个闭合的自动跟踪环路，能够使环路内振荡器产生的输出信号的频率和相位锁 定到参考信号的频率和相位。 锁相环的基本组成部分构成：鉴相器( p d ) 、环路滤波器( l f ) 和压控振荡器 ( v c o ) 。原理图如下： 图2 1 - 1 基本锁相环框图 鉴相器是一种行为比较装置。其作用是鉴别两个信号的相位差。它分为模拟 和数字两种类型，模拟鉴相器通常是一个乘法器。设输入信号是u ( t ) ，压控振 荡器输出反馈信号为u 2 ( t ) 。现设 “l ( f ) = u 1s i n ( w t t + 0 1 ) “2 ( f ) = s i n ( w = t + 岛) 式中鼠和岛为两者的初始相位差。 则鉴相器输出为两者的乘积 蚴( f ) = 如删坞( f ) = 堡警丝陋( o l 0 0 + s i n ( 2w l + q + 岛) 】 通过环路滤波器滤除交流成分后，只剩下直流成分 u d ：k , u 1 u 2s i n ( o l 一岛) 西北1 二业大学硕士学位论文 第二章相关技术概述和设计选型 数字鉴相器最简单的是异或门。不管是模拟或数字，它的基本功能就是往输 出平均电压与相位差成线性比例关系。 滤波器的功能主要是滤除鉴相器输出电压中的交流成分和噪声，保证环路的 稳定性。压控振荡器就是输出频率随输入电压变化而变化。 整个工作原理如下：输入参考信号p ) 的角频率为w 0 ，而w o 为v c o 的中心 频率，即控制电压“，( f ) = 0 时的频率。当相位差为0 时，鉴相器输出也为o ，环路 滤波器输出也必为0 。因此，v c o 的频率必然为其中心频率。 如果相位差不为0 ，及输入频率不等于，那么鉴相器会产生非零的输出， 环路滤波器的输出信号为“。( ，) ，使v c o 的输出频率朝相位差消失的方向变化。 2 1 2 直接频率合成( d o s ) 原理“1 d d s 技术对参考正弦时钟进行抽样和数字化，然后通过数字计算技术进行频 率合成。与其它频率合成方法相比，它的优点是：相位连续，频率分辨率高，频 率转换速度快。另外还具有价格低廉和良好的可再调制性能。 假设正弦波的幅值的公式为u ( t ) = s i n ( w t ) ，由于它是个非线性量，所以除了 精确的拼凑以外很难生成。在另一方面，角度在本质上是个线性量。就是说，在 单位时间内，相位角旋转个固定的角度。角频率是依靠信号的频率，通过如下 公式转化w = 2 x f 。已知正弦波的相位是线性的，而且给定参考中断( 时钟周期) ， 则相位旋转周期可以定为 2 x p h a s e = w 8 t w = a p h a s e 舀2 2 矿( 1 厶c “= 6 t ) f = a p h a s e x f m c 2 x d d s 的输出就是建立在上面的简单公式上，通常的d d s 主要由三部分组成， 数控晶振十相位调节器、正弦波查找表( l u t ) 、d a 变换。现在以a d 9 8 3 0 芯片 为例，n c o 的主要部件是3 2b i t 的相位累加器，连续正弦波时域信号的相位范围 是0 2 万，超过这个范围，可以通过周期函数的特性得到，所以对于数字运算是 没有区别的。现在相位累加器是3 2 b i t ，所以2 石2 ”，即一个相位周期分为2 ”， 因此0 z x p h a s e 2 ”一1 。所以输出的信号频率为： f = a p h a s e x 厶c 2 ”0 a p h a s e o s t c b s t k p t r 指向的是任务堆栈的顶端。 o s c t x s w ( ) 是一个任务级的任务切换函数( 在任务中调用，区别于在中断程 序中调用的o s i m c m s w 0 ) 。在8 0 x 8 6 系统上，它通过执行一条软中断的指令来实 现任务切换。软中断向量指o s c t x s w ( ) 。在i i c o s i i e o ，如果任务调用了某个 函数，而该函数的执行结果可能造成系统任务重新调度( 例如试图唤醒了一个优 先级更高的任务) ，则在函数的末尾会调用o s s c h e d 0 ，如果o s s c h e d ( ) ) e l j 断需要进 行任务调度，会找到该任务控制块o s 的地址，并将该地址拷贝到_tcb o s t c b h i g h r d y ，然后通过宏o s _ 1 a s k _ s w 0 执行软中断进行任务切换。注意到 在此过程中，变量o s t c b c u r 始终包含一个指向当前运行任务o st c b 的指针。 在l a c o s i i 中，由于中断的产生可能会引起任务切换，在中断服务程序的最 后会调用o s i m e x i t o i 函数检查任务就绪状态，如果需要进行任务切换，将调用 o s i n t c t x s w ( ) 。所以o s i n t c t x s w 0 又称为中断级的任务切换函数。由于在调用 o s i n t c t x s w 0 之前已经发生了中断，o s i n t c t x s w ( ) 将默认c p u 寄存器已经保存。 需要注意的是在运行o s i n t c t x s w ( ) 和用户定义的o s t a s k s w h o o k ( ) 函数期间， 中断是禁止的。 实时系统中时钟节拍发生频率的问题，应该在1 0 至r j l 0 0 h z 之间。但由于p c 环 境的特殊性，时钟节拍由硬件产生，间隔5 4 9 3 m s ( 1 8 2 0 6 4 8 h z ) 。我们将时钟节 拍频率设为2 0 0 h z 。p c 时钟节拍的中断向量为0 x 0 8 ，i t c o s i i 将此向量截取，指 向t c o s 的中断服务函数0 s t i c l d s r 0 ，而原先的中断向量保存在中断1 2 9 ( 0 x 8 1 ) 中。为满足d o s 的需要，原先的中断服务还是每隔5 4 9 3 m s ( 实际上还要短些) 调用一次。 在u c o s i i 中，当调用o s s t a r t o n 动多任务环境后，时钟中断的作用是非常 西北工业大学硕士学位论文 第五章系统软件设计 重要的。但在p c 环境下，启动u c o s i i 之前就已经有时钟中断发生了，实际上我 们希望在u c o s i i 初始化完成之后再发生时钟中断，调用o s t i c k l s r ( ) 。与此相关 的有下述过程 u c o s i i 的利用8 2 5 4 定时器产生系统8 型中断，它的中断源为系统8 2 5 4 的0 号 计数器，初始化之后，每隔5 5 m s 向i r 0 提出申请，c p u 响应后转入服务子程序； u c o s i i 通过修改8 2 5 4 定时器和置换中断服务程序，达到修改响应时间和调度程 序的目的。 5 2 2 u c l o s - i i 的任务调度机制 u c o s i i 总是运行进入就绪态任务中优先级最高的那一个。它的调度基于优 先级的抢占式调度机制，通过测试不会发生优先级翻转的情况。 实时内核确定哪个任务优先级最高，下面该哪个任务运行了的工作是由调度 器( s c h e d u l e r ) 完成的。任务级的调度是由函数o s s c h e d 0 完成的。中断级的调 度是由另一个函数o s l m t e x t 0 完成的。 5 3 软件设计流程 软件的设计流程主要如下： 在进入d o s 的初始环境下，可以利用a u t o e x e c b a t 启动已经编译好的基于 u c o s 应用程序。本程序最大任务可扩展为1 0 个，已能满足要求；如果有近一步 的需要，可很方便的扩展n 5 6 个。其中中断程序是a d 转化完毕中断服务子程序， 任务程序现在有数据处理程序( 优先级为3 ) ，主要负责a d 数据的处理；发送处 理任务，主要是接收操作代码，对d d s 、a d 以及数字i o 的操作；指令接收任务， 主要是接收外部指令( 键盘) 的操作。起始任务和自检查设定任务主要建立其他 任务、时钟节拍设定和自检查任务，最后启动多任务调度。 西i l t _ 业大学硕士学位论文 第五章系统软件设计 图5 3 - 1 软件流程主程序图 5 3 1 初始化程序 u c o s 的初始化程序主要包括三部分：界面的初始化、硬件板卡的初始化以 及u c o s 的初始化。界面的初始化，主要是如何产生相应的人机界面。硬件板卡 的设置主要包括对d d s 配置，i o e l ，定时器等。u c o s 的初始化包括保存d o s 环 境和返回设置，在初期编写过程中存在，一旦调试完毕，可以删除，以减少空间。 具体如框图所示： 界面设置初fid d s 初始化i 始化 f 广1 置和自检测 硬i t 熊黪卜h 燎韶蓦初始化广广1 化和自检测 u c o s 初始化 ( d o s 环境创 保存) 输出 i 0 初始化 图5 3 - 2 初始化流程图 5 3 2 任务设定 本程序的最大任务数暂定为1 0 个。设置的任务分别是空闲任务s 招no n 0 、显 4 4 堕! ! 三些查堂堡圭兰垡丝苎 兰至兰墨竺塾堡堡生 示任务s h o 、y j e n d ( ) 、键盘接受任务k e y _ r e c e i v e ( ) 、软启动任务s o 虹s t a r t ( ) 、电压 调制任务v o l t a g e m o d u l a t e ( ) 、频率调制任务f r e q _ m o d u l a t e ( ) 、数据处理任务 d a t a _ d e a l 0 ：i o 发送程序1 0 - s e n d ( ) ；中断任务主要是a d 采样和硬件定时钟中断。 图5 3 3 任务优先级和相互消息图 任务间消息的传送采用信号量，本程序的信号量采用两种8 位整型量和布尔 量。如图5 3 3 所示，s i n g a l _ s 和s i g a n l s l 为整型量，s i g n a l _ b 和s i g n a l _ b 1 为布尔量。 上述任务的优先级已经标注，空闲任务s t a r to n 0 的任务是建立其它的任务以及修 改时钟频率等。 键盘接受任务k e yr e c e i v e o 是根据接受的键盘号，发出相应的信号量和其他 的动作指令，如启动板卡硬件定时嚣等。s h o w 是根据信号量刷新显示，send() 如电压、频率值等a 1 0 一s e n d ( ) 通过板卡控制外部接触器等。d a t a _ d e a l 0 是数据转 化和处理。s o f t _ s t a r t 0 主要是启动时防止冲击过大损坏器件，而人为设置。但在 f r e q _ m o d u l a t e 0 定时改变频率，v 0 i t a g e m o d u l a t e 0 中则定时改变输出给a d 7 5 4 1 的数字量。达到对电压的调制。 其中对d d s 芯片a d 9 8 3 0 的基本操作流程如下图所示。 西北工业大学硕士学位论文 第五章系统软件设计 图5 3 4a d 9 8 3 1 的基本操作流程 5 4 软件抗干扰1 4 l 系统内部信号毛刺和噪声，外界的电磁干扰，可能会造成存储单元或程序计 数器内容变化的软件故障。必须采取某些措施，当程序不能正常运行( 跑飞或死 循环时) 能够及时恢复正常。常用的软件抗干扰措施有： 1 、指令冗余 当c p u 受到干扰以后，往往会将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混 乱。在某些指令之后插入两条n o p 指令，可以保护其后的指令不被拆散。 2 使用m 盯c h d o g 在本c p u 模块中有一个1 6 位的计数器监视定时器，w d t w a t c h d o g t i m e r 它被启动后，每个状态周期加l 需要经常有指令对它清零，若没有对它清 零，它计满后会溢出将使系统复位，重新初始化。这样w a t c h d o g 就提供了一 种使系统瞬时故障中自动恢复的能力。本系统中采用了w a = r c h d o g 即使程序意 外跑飞，系统也能回复到初始状态。 3 、软件陷阱技术 在无用的存储单元中填n n o p 指令，并周期地写入一条跳转到出错子程序的 指令或者填入r s t 指令，在程序跑飞时使系统复位，以免系统完全瘫痪。 柬语 西北工业大学硕士学位论文 结束语 以p c t 0 4 为基础的可程控功率信号源，是在充分汲取了多学科的理论和知识 之后，设计的新型电子仪器。 经过长时间的资料分析和调查，确立了设计思路和方向。主要是对采用的平 台以及p c 1 0 4 体系的分析、正弦波生成方案和d d s 芯片分析、现有电力电子逆变 电路分析等。 系统的硬件电路设计和仿真。根据系统的需要设计了基于p c i 0 4 的d d s 板 卡、多功能a d 板卡和控制电路等；并对相关设计原理进行了仿真，确定了相关 参数和设计要点，减少了设计失误。 系统软件的编程和调试。移植了基于p c i 0 4 系统的u c o s 实时多任务操作系 统，提高了系统的响应和可靠性。 事实上，本论文的研究工作基本实现了要求的功能，所以下一步的工作是功 能的扩充和改进，迸一步提高可靠性和可操作性。 针对论文的不足，今后的研究和改进方向主要是以下几个方面： 硬件电路逆变系统和整流部分的设计提高，减少开关功耗和对电网的污染； 同时改进板卡的设计思路，迸一步减少体积和功耗，提升可靠性。 软件上设计板卡的底层驱动，方便板卡的移植。 系统功能上增加软件串口通讯和网络功能：增加计算机的远程控制功能。 4 7 西北t 业大学硕士学位论文 致谢 致谢 在论文即将结束之际，我要特别感谢我的导师张晓斌老师。张老师渊博的学 识、严谨的治学态度和丰富的实践经验使我受益匪浅。无论是在课程的学习阶段， 还是在做科研课题和论文阶段，张老师都给予了精心的指导，让我终生难忘。 再一次感谢张老师，在我上研期间，张老师还在生活上无微不至地关心着我 及我的家人。 感谢吴小华老师这三年对我的关怀与厚爱。在平时的学习、生活当中，吴老 师是我们的良师益友，给了我们很多的关心和帮助。而在学术研究上，吴老师一 丝不苟的工作作风和高超的科研水平也给我留下了深刻的印象。 感谢同一实验室的郑先成老师，从他的身上我学到了许多知识。另外还要感 谢我的同学韩涛、秦攀、席代迪、王卫国，他们在我的论文过程中也给予了很大 的帮助。 感谢所有给予我关怀和帮助的师长、同学和朋友。 西北工业入学硕士学位论文 参考文献 参考文献： 【i 】电力半导体应用指南。墩公司，1 9 9 4 。 【2 】魏克新。m a t l a b 语言与自动控制系统。北京机械工业出版社，1 9 9 7 。 【3 】周建民。可编