（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式系统的声化学用智能化超声电源的设计.pdf

摘要 课题来源于国家自然科学基金资助项目超声水处理反应器的参数优化及机 理研究( 项目批准号：1 0 5 7 4 0 3 8 ) ，旨在研究大功率、高效率、智能化的声化学反应 器用功率超声电源。 声化学已构成化学新分支，并在开创安全、廉价及无污染的“绿色”化学工业的 探索中崭露头角。声化学工业应用进程中，声化学反应器的总体设计是决定性的步骤， 而超声电源的设计是声化学反应器设计的核心。 论文在分析功率超声电源特点的基础上，从课题需要出发，结合嵌入式技术的优 点，设计了基于嵌入式系统的声化学用智能化的超声电源。整个系统由微处理器控制 单元、信号发生器、功率放大器、频率自动跟踪、匹配网络、用户界面及通信模块组 成。具体如下： 首先，论文分析了直接数字频率合成( d d s ) 的原理，采用直接数字频率合成 ( d d s ) 技术设计了宽频带( 1 5 k h z 9 m h z ) 的信号发生器。其次，对信号的功率放 大电路进行了研究，并设计了由甲类前置放大与推挽式功率放大组成的功率放大器。 再次，对超声电源与换能器问的匹配网络进行了研究。并进行了采用传输线变压器实 现宽带阻抗匹配的研究。最后，对压电换能器的电抗特性和频率跟踪原理进行研究， 采用软件锁相环进行了频率自适应跟踪设计，提出变步进与二分法相结合的频率跟踪 算法。 在上述工作的基础上，论文还重点研究了超声电源控制中引入嵌入式系统。选用 a r m 7 t d m i 微处理器l p c 2 1 0 4 设计了一个嵌入式硬件系统。接着，论文对实时操作 系统u c o s - i i 内核进行了剖析。为了使嵌入式系统高效、可靠的运行，将, u c o s i i 移植至l p c 2 1 0 4 上。然后，论文完成了嵌入式系统应用软件的设计，构建了较完整 的嵌入式控制系统。论文在对超声电源进行智能化控制控制方面做了一些有益的探 索，完成了国家自然科学基金课题的部分内容。 关键词： 嵌入式系统、超声电源、直接数字频率合成( d d s ) 、 频率自动跟踪、匹配网络 a b s t r a c t t h es t u d yd e s c r i b e di n t h i sd i s s e r t a t i o nr o o ti nap r o j e c tw h i c hn a m ew a sp a r a m e t e r s o p t i m i z e sa n dm e c h a n i s mr e s e a r c ho nu l t r o s o u n dw a t e rd i s p o s a lm a c h i n e s t h ep r o j e c tw a s s u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n tn o 1 0 5 7 4 0 3 8 ) t h em a i n o b j e c t i v e so ft h i st h e s i sw e r et or e s e a r c ha n dd e s i g na ne f f i c i e n th i g h p o w e ra n di n t e l l i g e n t u l t r a s o n i cg e n e r a t o rt h a tw a su s e di ns o n o c h e m i c a lr e a c t o r s o n o c h e m i s t r yh a sb e c o m ean e we m b r a n c h m e n to fc h e m i s t r y , a n di sm a k i n gaf i g u r ei n e x p l o r i n go fs a f e t y , c h e a p n e s sa n dn o np o l l u t i v ec h e m i s t r yi n d u s t r y h o w e v e r , t h ed e s i g no f s o n o c h e m i s t r yr e a c t o ri sad e c i s i v ea p p r o a c ht oa p p l i c a t i o no fs o n o c h e m i c a li n d u s t r y a n d ，t h e d e s i g no fu l t r a s o n i cg e n e r a t o ri sak e ys t e pi nt h ed e s i g no fs o n o c h e m i s 仃yr e a c t o n t h ec h a r a c t e ro fu l t r a s o n i cg e n e r a t o ra n dt h em e r i to fe m b e d d e dt e c h n o l o g yw e r ea n a l y z e d i nt h et h e s i s a n da nu l t r a s o n i cg e n e r a t o rb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g yw a sd e s i g n e d t h e w h o l e s y s t e mw a s m a d eu po fm i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，s i g n a lg e n e r a t o r , p o w e ra m p l i f i e r , f r e q u e n c y a u t o t r a c k i n gu n i t ，m a t c h i n gn e t w o r k ，u s e ri n t e r f a c e ，a n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h ed e t a i l s w e r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fd i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ( d d s ) w a sa n a l y z e d a n da b r o a d b a n d ，t h ef r e q u e n c yf r o m1 5k h zt o9m h z ，s i g n a lg e n e r a t o rb a s e do nd d sw a sd e s i g n e d s e c o n d l y , a m p l i f i e rf o ru l t r a s o n i cg e n e r a t o r w a ss t u d i e d ，a n da na m p l i f i e rc o n s i s t i n go fc l a s s - a p r e a m p l i f i e ra n dp u s h p u l la m p l i f i e rw a sd e s i g n e d t h i r d l y , i m p e d a n c em a t c h i n go fu l t r a s o n i c g e n e r a t o ra n dt r a n s d u c e rw a sr e s e a r c h ，a n dt r a n s m i s s i o nl i n et r a n s f o r m e rw a su s e dt om a t c h i m p e d a n c e f i n a l l y , t h ei m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i co fp i e z o e l e c t r i c i t yt r a n s d u c e ra n dt h ep r i n c i p l e o f 丘e q u e n c yt r a c k i n gw e r es t u d i e d s o f t w a r ep h a s e - l o c k e dl o o pw a su s e dt ot r a c ks e l f - a d a p t i n g f r e q u e n c y , a n da r i t h m e t i co ff r e q u e n c yt r a c k i n gb a s e do nc h a n g es t e pa n dd i c h o t o m yw a s p r e s e n t e d b e s i d e sa b o v es t u d y , t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e do ns t u d y i n ge m b e d d e ds y s t e mu s e di n c o n t r o l l i n gu l t r a s o n i cg e n e r a t o r a ne m b e d d e dh a r d w a r ew a sd e s i g n e db a s e do nl p c 2 1 0 4 ，a n a r m 7 t d m im i c r o p r o c e s s o r ( m p u ) t h e n ，p c o s - i i ，ar e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，w a s a n a l y z e d i no r d e rt oe n s u r et h a te m b e d d e ds y s t e mw a sm o r ee f f i c i e n ta n dr e l i a b l e ，t h er t o s w a st r a n s p l a n t e dt ol p c 2 1 0 4 a ni n t e g r a t e de m b e d d e ds y s t e mw a sc o n s t r u c t e da f t e ra p p l i c a t i o n s o f t w a r ew a sd e s i g n e d t h ed i s s e r t a t i o ne x p l o r e di n t e l l i g e n t l yc o n t r o l l i n gu l t r a s o n i cg e n e r a t o r , a n da c h i e v e ds o m ea i m so ft h ep r o j e c ts u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，u l t r a s o u n dg e n e r a t o r , d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ( d d s ) ，f r e q u e n c y a u t ot r a c k i n g ，m a t c h i n gn e t w o r k 2 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。与我一同工作的同事 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。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：红丝盘 2 0 0 6 年；月矽日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ： 一缉垃! 誊 2 0 0 6 年弓月刁日 州海人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题简介 1 1 1 课题的来源 第一章绪论 本课题来源于2 0 0 5 年国家自然科学基金资助项目超声水处理反应器的参数优化 及机理研究( 项目批准号：1 0 5 7 4 0 3 8 ) 。 1 1 2 课题的背景 1 9 8 6 年在英国召开了“首届国际声化学学术会议”，标志着声化学作为- - 1 新的学科 已经形成。当时英国泰晤士报曾载文，热情讴歌了这一新的学科诞生。文中写道：“一场 新工业革命就在眼前，它将使塑料、洗涤剂、制药和农业化学的传统生产技术焕然一新， 它无以伦比的优点是安全( 不需要高温高压) 和廉价( 能耗低) ，这就是新的化学分支一 一声化学”【”。 声化学是超声学与化学紧密结合的产物，是- 1 9 新兴的交叉学科【2 4 】，在开创安全、廉 价及无污染的“绿色”化学工业的探索中崭露头角。声化学的出现引起了许多技术先进国 家( 如美国、英国、加拿大、日本、俄国等) 的重视，投入不少人力和物力加强研究。声 化学的国际学术组织( 如欧洲声化学学会等) 、学术杂志( 如u l t r a s o n i c ss o n o c h e m i s t r y ) 相继出现，相关的学术活动( 如世界超声大会等) 也十分频繁【”。国内许多科研单位也先 后开展了大量的工作并取得了成绩，如中科院、清华大学、南京大学、云南大学、中国科 技大学、同济大学、陕西师范大学、华南理工大学、四川联合大学、重庆医科大学、河海 大学等单位【，j 。 声化学被应用于众多领域之中，并取得了令人鼓舞的研究成果，受到国内外专家学者 们的广泛关注。 超声影响化学反应的范围迄今仍在继续扩展，而且新类型的作用不断显现。化学和生 物效应、纳米科学和技术【6 、基因学和生物技术【钔、食品质量和安全、环保9 删成为当前 声化学研究的主要动向埘。 1 1 3 课题研究的目的与意义 声化学的研究虽已广泛在国内外开展，并取得了不少令人瞩目的成果。但是，长期以 来，相关的声化学研究只停留在实验室阶段，一直不能在工业上得到推广。其中的瓶颈问 题即是缺少高效的、大批量处理或流水式连续运行的声学操作系统或者说声化学反应器 2 3 j 。2 0 0 5 年，我国著名声学专家、中国科学院应崇福院士对我国目前声化学所面临的问题 与发展方向做了总结。并指出声化学研究当务之急就是推动实用化2 4 1 。声化学的实用不足， 基于嵌入式系统的声化学用智能化超声电源的设计 不仅在国内是个现实问题，在国外，在近约十年来，也经常受到深切的关注。发展大处理 量( 批量或流量) 同时高能效的声化学反应器是一条促进声化学实用化的重要途径。 声化学反应器的总体设计，是声化学工业应用进展中决定性的步骤1 2 4 】。而声化学反应 器的能量之泉就是超声电源，故对超声电源的研究显得极其重要。 频率是声化学中一个重要的参数【2 5 2 7 1 ，声化学常用的声波的频率1 5 k h z 一1 0 m h z 2 8 1 。 功率超声的声强度从0 1 2 w c m 2 到几百w c a n 2 p j 。 本课题的研究目的：通过对功率超声电源的激励信号产生、大功率输出、频率自动跟 踪等方面的研究，研制出一套宽频带、大功率、智能化的声化学反应器用功率超声电源。 本课题的研究意义在于：为声化学的科研或工业应用提供稳定的、宽频带的超声激励 信号，满足了声化学对频率的参数的要求。解决传统的超声波发生器输出频率范围窄的问 题。研究软件锁相技术，拓宽了超声电源中频率自动跟踪的技术范围。通过友好的人机界 面，使得对超声电源的控制更加方便、更加人性化。本课题在研究超声电源的功率放大器 之基础上，分析了宽带线性功率放大器，丰富了超声电源中功率放大器设计的科学依据。 在整个课题研究过程中，围绕大功率、智能化这条主线，以大容量、声场分布均匀的 声化学反应器为应用背景，因此本课题在声化学工业推广的进程中能起到一定的促进作 用。 1 2 超声电源的研究现状 超声电源是一种向超声换能器提供超声电能的装置。超声电源和超声换能器构成超声 波发生器。 从能量转换角度来分，目前产生大功率超声的方法主要有两种【2 8 ，3 0 】：一种是利用电能 转换成声能的电声换能器产生超声，另一种是利用流体作动力来产生超声，如各种气哨和 液哨。目前广泛使用的是第一种方法。 根据工作原理可将超声波电源分为振荡放大型和逆变型两类。由振荡放大型超声电 源和换能器组成的超声发生器如图1 1 所示。其中超声电源主要由信号发生器、功率放大 器和匹配网络构成了。信号发生器产生一定频率的电信号，用以推动放大器。匹配网络实 现功率放大器与换能器间的阻抗匹配，并对换能器调谐。 削1 1 超声波发生器 逆变型超声电源一般采用可控硅元件作为转换器，将经整流的直流电变为超声频交流 电。按照电路巾可控硅元件的不同用法，这类发生器有单管、串联、并联及桥式多种类型。 交变电流的频率由触发信号的频率决定。可控硅元件由于其关断时间不能很短，因此其工 2 塑堡奎兰堡主兰竺丝奎童二兰堕 作频率一般在2 5 k h z 以下。我国从8 0 年代中期开始各功率超声研制单位基本上停止生产 可控硅管超声波发生器。 超声电源设计主要涉及如下方面：信号发生器、功率放大器、匹配电路、频率自动跟 踪等。 1 2 1 信号发生器 信号发生器的作用就是产生所需频率的电信号。传统的信号发生器是采用分立元件构 成的振荡器，主要有l c 振荡器、r c 振荡器等。这类电路普遍存在着控制精度低、频率稳 定性差的缺点。与此相比，基于集成芯片的波形发生器具有高频信号输出、波形稳定、控 制简便等特点。 1 2 2 功率放大器 超声电源的发展与电力电予器件发展密切相关，其功率放大器经历了电子管、模拟式 晶体管、开关式晶体管等发展阶段。电子管式功率放大器业已被淘汰，当前广泛使用的是 晶体管放大器及晶体管开关型放大器。它们之间的主要性能比较如表1 1 所示【3 l 】。 表1 1 三种类型放大器主要性能比较 类 项型 电子管型放大器晶体管模拟型放大器晶体管开关型放大器 目 电路复杂度简单 简单 可使用i c 输出功率中 小犬 体积大 由 小 功耗 大 由 小 效率 低( 4 0 ) 中( 6 0 7 0 )高( 8 0 9 0 ) 调试方法简单 一般 复杂 寿命 短高 高 重量重 由 轻 自动化程度低 m 品 保护电路简单中复杂 优缺点、现状及前景动态范围宽，但由丁线路成熟、在小功率在较人功率场合 其他缺点，现已被淘场合( 2 0 0 w 以r ) ， ( 2 0 0 w 以上) ，可以 汰成本较低，在一定范与微处理器结合，目 嗣肉麻用前用得较多。 晶体管式放大器的优点是体积小、重量轻面效率高。但它出于受反向击穿电压、最大 集电极电流和最大集电极耗散功率等的限制。要提高输出功率，除了提高器件的性能外， 基于嵌入式系统的声化学用智能化超声电源的设汁 还必须采用高效率的电路，如功率合成电路。 功率分配与合成技术广泛应用在高频大功率电路中1 3 2 _ 州。无线电通信中功率合成的方 法一般有两种类型，一种是利用电路使信号功率合成相加，再送到天线上去；另一种是利 用定向天线设备，使电磁波信号在空间叠加。 功率合成是用若干个小功放单元来进行功率放大，然后用混合网络把这些小单元的输 出叠加起来而得到大的总输出。可以用传输线变压器或高频变压器作为混合网络来进行功 率合成。用这种方法可以使功率管互相隔离，不会像多管并联电路，当其中一个管子损坏 时会导致其他管子相继损坏，而且可以提供一个很宽的工作频带，有利于制作宽频带超声 电源。 1 2 3 匹配网络和频率自动跟踪 一、匹配网络 超声电源有一最佳负载值( 有时称为输出阻抗) ，只有在此最佳负载值工作，才能向负 载输出额定功率。实际负载往往不能满足此值，故需要通过输出变压器作阻抗变换。此外， 由于超声换能器是一阻抗负载，因此需要一个与之相反性质的电抗元件来“抵消”换能器 中的电抗分量，即所谓调谐，这样才能提高超声发生器的输出声功率。为使发生器的输出 功率高效率传输给超声换能器，发生器和换能器之间必须进行匹配【3 5 3 6 1 。 二、频率自动跟踪 超声电源是超声设备的重要组成部分，担负着向超声换能器提供超声电能的任务。为 了使换能器高效率地工作，不但要求超声电源提供的电能有足够的功率，而且要求其频率 与换能器的谐振频率一致。通常，换能器的谐振频率会由于发热、负载变化、老化等原因 发生改变。这些因素都会引起换能器谐振频率的漂移。超声波电机中压电元件谐振点频率 与反谐振点频率随温度的变化约为1 4 k h z l 3 7 , 3 8 】的变化。 如果超声电源的工作频率不随之改变，则换能器工作在失谐状态，使效率降低。轻则 效率下降，重则停止振动，用手动方式调整频率不但效率低下，而且不适应自动化生产的 要求。因此，需要超声电源具有自动调节频率的性能，即频率自动跟踪【3 9 4 3 j 。实现频率跟 踪的基本方法是从换能器的电端或声端取得一个反映换能器谐振特性的信号，用这一信号 控制超声电源的频率，或者直接用这一信号激振，从而使超声电源的工作频率与换能器的 谐振频率始终保持一致。从换能器电端拾取信号的方法称为电反馈法，从声端拾取信号的 方法称为声反馈法。出于目前最主要的频率跟踪方法是电反馈法，因此论文研究采用电反 馈法实现频率跟踪。 从换能器的电端可以对其两端的电压和流过的电流分别采样，采样信号中既含有电压 和电流的幅度信息，也舍有相位信息，利用这些信息，可以构成多种频率跟踪方法。常用 的方法有如f 【3 9 , 4 4 - 4 6 】： ( 1 ) f 乜流方法：采用电流信号将换能器设定在电流最大的【：作状态 4 7 , 4 8 】。具体的实现 塑塑查兰堡：! 堂垡望塞一 一! 兰! ! 堕 电路有：差动变量器桥式电路i 矧、电流搜索式电路【5 0 1 。 ( 2 ) 相位方法：通过比较换能器的工作电流与电压间的相位来实现频率自动跟踪。 具体实现电路有：锁相环( p u 0 跟踪电路p 坫8 ， ( 3 ) 功率方法：把换能器设定在电流信号和电压信号相乘所表示电功率最大的工作 状态【5 3 1 。 电反馈信号的获取较为简单便利，所以目前大多采用这一形式的频率跟踪方法，但这 些跟踪方法都存在频率跟踪范围窄或频率跟踪速度馒等局限性。一些新的频率跟踪方案应 运而生，如粗精频率跟踪相结合1 5 4 1 、动态跟踪5 5 蝽口模糊控制【。 粗精频率跟踪相结合：粗跟踪由软件实现，采用变频搜索法；精跟踪由硬件实现，采 用传统的锁相环电路实现1 ”1 。 动态跟踪：当频率漂移时，匹配的电感跟随调节后的频率实时调节电感值i 矧。 模糊自寻优化控制：通过获取系统当前运行状态的信息，根据人工控制规则组织控制 决策，以保持系统最优运行条件【5 6 】。 自适应控制方式实现频率自动跟踪便是一个新的发展方向，一种典型的方案是：微机 系统对电压、电流、换能器振幅、电压电流信号相位差等诸多参数进行在线测量、辨识， 通过计算并按照规定的程序来改变系统参数，并输出控制电压来调节超声开关电源频率， 使脉冲发生器的频率很好地跟踪系统谐振频率。微机系统的主要任务是通过自适应系统， 棂据检测到的各个参数计算出控制量，从而达到频率控制的目的【5 7 j 引。 1 2 。4 声化学反应器对超声电源的要求 声化学常用的声波的频率为1 5 k h z i o m h z 2 ”。而目前所使用的超声电源多是超声波 清洗设备或雾化器中的。超声波清洗一般采用的频率范围是2 0 4 0 k h z 。雾化器有两种类 型：一是工作频率为低超声频( 几十k h z ) ，另一种是工作在高超声频( m h z ) 。但是，它 们的输出频率范围都比较窄，多是固定于某一值，即使可以调整也是通过手动调整一些器 件( 如电阻、电容等) 的参数来实现，不利于声化学的研究与应用，且不适应自动化生产 的要求。课题采用频率合成技术来实现宽频带信号输出这一目标。 1 3 频率合成技术 频率合成技术的理论形成于二十世纪三十年代左右，如今已有七卜多年的发展史。频 率合成的概念就是由个或几个参考频率通过一些转换，产生、个或多个频率信号的过 程。通常，频率合成器可分为三类：直接模拟合成、直接数字合成( d d s ：d i r e c td i g i t a l f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r s ) 和锁相环( p l l ：p h a s el o c k e dl o o p ) 合成【5 9 - 6 5 。如今广泛使用的 是直接数字频率合成技术以及其与锁相技术的结合。 基于嵌入式系统的声化学用智能化超声电源的设计 1 3 1 直接模拟合成 直接模拟合成中，参考频率直接通过倍频、混频、分频和滤波来输出所需频率1 6 6 7 1 。 这是最先出现的一种合成器类型的频率信号源。这种频率合成器原理简单，易于实现。其 合成方法大致可分为两种基本类型：一种是非相关合成方法，另种是相关合成方法。这 两种合成方法的主要区别在于所使用的参考频率源的数目不同。 1 3 2 锁相环频率合成 锁相式频率合成器是采用锁相环( p l l ) 进行频率合成的一种频率合成器。它是目前 频率合成器的主流，可分为整数频率合成器和分数频率合成器l 皤】。在压控振荡器与鉴相器 之间的锁相环反馈回路上增加整数分频器，就形成了一个整数频率合成器。通过改变分频 系数n ，压控振荡器就可以产生不同频率的输出信号，其频率是参考信号频率的整数倍， 因此称为整数频率合成器。输出信号之间的最小频率间隔等于参考信号的频率，而这一点 也正是整数频率合成器的局限所在【“。锁相式分数频率合成器的输出信号频率不必是参考 信号频率的整数倍，而可以是参考信号频率的小数倍，因此称为锁相式分数频率合成器。 小数频率合成器输出信号的最小频率间隔，即输出频率精度，出参考信号频率和分数频率 合成器的分辨位数决定1 7 。 1 3 3 直接数字频率合成技术 1 9 7 1 年，美国学者j t i e m c y ，c m r a d e r 和b g o l d 提出了以全数字技术，从相位概念 出发，直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。限于当时的技术和器件水平，它的性 能指标不能与已有的技术相比，故未受到重视。近2 0 年间，随着技术和器件水平的提高， 直接数字频率合成技术得到了飞速的发展，成为现代频率合成技术中的佼佼者。 d d s ( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ) 直接数字频率合成是采用数字化技术，通过查询正弦 r o m 表将查表结果经d a 转换，直接产生各种不同频率信号的一种频率合成方法 7 1 , 7 2 l 。 该技术的特点在于查表的速度是固定的，通过改变查表的步长来改变查完一个周期的时 间。查表的速度与系统的时钟相同，因而频率稳定度取决于系统时钟。查表得到的数据经 d a 转换后需进行低通滤波。由于查表的速度是固定的，就可以使用一个频率固定的低通 滤波器，这样就保证了频率快速跳变时不需改动硬件。它在相对带宽、频率转换时间、位 连续性、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面已远远超过了传统频率合 成技术。关于的详细原理请参见文献1 7 3 l 。 d d s 技术在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨率以及集成化 等一系列性能指标方面，远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平。d d s 具有频率切 换速度极快、频率分辨率极高、相位噪声低和低漂移的特点。d d s 系统中合成信号的频率 稳定度直接山参考源的频率稳定度决定，相位噪声与参考源的相位噪声相剧。近年束，超 6 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 高速数字电路的发展以及对d d s 的深入研究，d d s 的最高工作频率以及噪声性能已接近 并达到锁相频率合成器相当的水平1 7 4 , r 5 l 。 随着这种频率合成技术的发展，频率合成器在国外已经发展得比较成熟，形成了各种 类型的锁相式整数频率合成器、锁相式分数频率合成器、直接数字频率合成器、双环或多 环锁相式频率合成器、d d s 与p l l 混合式频率合成器等完整系列品种，满足了通信、数 字电视等领域的需要【6 引。 1 4 论文的主要工作 论文主要完成了如下几个方面的工作： ( 1 ) 分析了声化学用超声电源的特点，及存在的问题。 ( 2 ) 设计了以d d s 技术和嵌入式系统为核心的超声电源，其信号发生器能产生宽频 带( 0 9 m h z ) 、稳定的电信号。 ( 3 ) 对所设计的超声电源进行了详细的分析，描述了硬件系统的具体实现方法。，研 究了超声电源的功率放大器，设计了包含甲类前置放大、推挽式输出级功率放大的功率放 大器。对超声电源与换能器间匹配电路的设计进行了研究。完成了频率跟踪的硬件电路设 计。 ( 4 ) 对嵌入式系统进行了分析，设计了嵌入式系统硬件，并实现t # c o s i i 在l p c 2 1 0 4 上的移植，构建了较完整的嵌入式系统。 ( 5 ) 设计了智能化超声电源的软件系统，根据超声电源的特点，采用变步进与二分 法相结合的频率跟踪技术，并设计了相应的频率跟踪算法。实现实时自主的频率跟踪。 7 基于嵌入式系统的声化学用智能化超声电源的设计 2 1 引言 第二章总体方案设计 声化学常用的声波的频率为1 5 k h z 1 0 m h z ，一般方法难以实现符合要求的宽频带信 号输出，因此采用频率合成的方法来实现。 本基金项目的一个主要内容就是研制出基本符合大容量高效的声化学反应器。需要多 个超声换能器或换能器阵列同时进行工作。而由于换能器间参数的差异，使得它们的激励 信号不尽一致甚至差别甚大，这就要求超声电源能够提供不同频率或其它参数的超声波激 励信号。同时，需要对超声电源的统一管理，因此选用基于l p c 2 1 0 4 的嵌入式系统为控制 单元。 a d 9 8 3 3 输出的信号很小，电压值一般为3 8 6 5 0 m v 。因此需经功率放大器进行功率放 大后才能驱动换能器。 功率放大器只有在最佳匹配负载值工作时，才能向负载提供额定的功率。而实际负载 往往不能满足此值a 另一方面，由于超声换能器是一阻抗负载，因此需要一个与这相反性 质的电抗元件来“抵消”换能器中的电抗分量。这就需要在功率放大器与换能器间设计一 个匹配网络实现阻抗匹配及调谐。 课题使用锁相的方法来实现频率的自动跟踪。 2 2 系统总体框架 根据课题的实际需要并兼顾以后系统功能的扩展，整个系统设计成由以下部分组成： 控制单元、信号产生部分、功率放大部分、匹配网络、超声换能器、相位比较及人机交互 接口部分。系统原理框图如图2 1 所示。 各个部分的功能如下 频率合成器 图2 1 系统总体原理框图 器 河海大学硕士学位论文 第二章总体方案设计 由于传统的振荡器产生的信号的频率稳定性差、频率可调范围窄，为了产生符合声化 学常用频率范围( 1 5 k h z 1 0 m h z ) 的信号，频率合成器采用了直接数字频率合成技术，所 选用的芯片为a d i 公司的a d 9 8 3 3 。频率合成器在本超声电源中负责输出1 5 k h z 9 m h z 的 j e 弦波信号。 二、功率放大器 信号发生器输出信号的电压值在3 8 6 5 0 m v 之间，需经过功率放大后才能提供所要的 功率。采用前置放大与输出级功率放大构成的功率放大器对小信号进行功率放大。前景放 大使用的是甲类放大，而输出级功率放大为推挽式功率放大器。 三、匹配网络 在功率超声领域，电声转换效率一般仅在2 5 以下，为提高电声转换效率常，通过阻 抗匹配的办法使功放的输出电阻与换能器的电阻相等，达到使换能器获得最大功率传输的 目的。 另外，课题所选用的换能器为压电型换能器，为了使换能器的静态电容的电抗作用被 抵消，匹配网络还起着对换能器调谐的作用。 四、相位比较 一般来说，压电陶瓷换能器的谐振频率( 固有频率) 在制造时就已决定，但换能器在 工作一段时间后，其参数将发生变化，初始调谐正确的状态会逐渐失调，导致其工作效率 下降。频率自适应的意义在于超声波电源始终能跟踪换能器的谐振频率，让换能器始终处 于最佳工作状态。 课题采用锁相的方法进行频率跟踪。通过对换能器两端的电压和流经换能器的电流进 行采样，然后比较两者之间的相位关系。当二者同相时，说明换能器对当前的频率为最优 调谐状态。此时，换能器呈阻抗，它只有有功损耗没有无功损耗，效率最高。当电压与电 流信号不同相时，说明换能器失调，需要调整激励信号才能重新恢复调谐。 鉴相器输出反映这一失调状态的脉冲信号。平滑滤波将脉冲信号转换为直流信号，电 平的高低反映了脉宽的宽度。 五、模数转换 模拟的电压信号不能被微处理器直接读取，需将其转换为数字信号，所选用的芯片为 m a x l 8 7 。 六、微处理器 微处理器是整个系统的控制中心，负责着控制信号发生器的输出频率、读取并处理相 位差信息、处理外部发送来的控制指令。为了实时地、智能地跟踪频率，这要求微处理器 能够根槲电压与电流的相位差，判断当前换能器的工作状态，并能快速地决定频率调整方 9 茎主壁垒壅墨篓堕皇! ! 堂里塑垦些墼妻皇堡竺堡望：一一一 案。没有快速的微处理器时要实现这个功能是比较困难的。 此外，课题所来源的国家自然科学基金项目的其中一个重要的研究目标就是研究 大容量、声场均匀分布的声化学反应器。为实现此目标，多个换能器能够同时工作是实际 需要的，因此要求有多路超声波激励信号分别驱动相应的换能器。要实现多个超声电源的 统一管理，微处理器能够实现多任务处理。 由上面的分析可得知，课题对微处理器的性能提出了较高的要求。而普通的5 1 单片 机是8 位的c p u ，时钟频率在1 2 m h z 1 2 m h z ，它的控制精度、处理速度很难满足课题的 要求。因此课题选择了微处理器l p c 2 1 0 4 。l p c 2 1 0 4 是p h i l i p s 公司生产的a r m 7 t d m l 核的嵌入式微处理器，具有多种串行通信接口，多达9 个外部中断、c p u 的操作频率最大 可达6 0 m l t z 。它的各项性能指标都胜于普通单片机，能够满足课题的需要。 l p c 2 1 0 4 往a d 9 8 3 3 写入频率字以产生相应频率的正弦波信号。并可实现人机交互及 与上位机进行通信。 七、l c d 显示器、键盘 l c d 显示器及键盘构成人机交互接口，为整个系统提供友好的人机界面，便于操作。 八、串口通信 通过r s 2 3 2 串口即可实现p c 机与电源系统的通信。 2 3 嵌入式系统的确定 对个系统的控制，可以通过把程序设计成前后台切换的方式来实现。应用程序是一 个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为。中断 服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为。时间相关性很强的关键操作一定是靠 中断服务来保证的。因为中断服务提供的信息一直要等到后台程序走到该处理这个信息这 一步时才能得到处理，这种系统在处理信息的及时性上，比实际可以做到的要差。最坏情 况下的任务级响应时间取决于整个循环的执行时问。因为循环的执行时间不是常数，程序 经过某一特定部分的准确时间也是不能确定的。进而，如果程序修改了，循环的时序也会 受到影响。而且只能是用于不复杂的小系统。 解决这些问题的最好方法就是采用实时操作系统。实时操作系统也称为实时内核或 r t o s 。它的使用使得实时应用程序的设计和扩展变得容易，不需要大的改动就可以增加 新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的任务，r t o s 使得应用程序的设计过程大为 减化。使用可剥夺性内核时，所有时间要求苛刻的事件都得到，尽可能快捷、有效的处理。 通过有效的服务，如信号量、邮箱、队列、延时、超时等，r t o s 使得资源得到更好的利 用。 本课题选用具有a r m 7 t d m l 内核的l p c 2 1 0 4 为嵌入式系统的微处理器，州时以实时 操作系统z c o s i i 为嵌入式系统的操作系统，构建了嵌入式系统。实现埘这个电源系统的 1 f l ! ! 查查兰塑土堂垡堡塞苎三童堑堑墅! 鲨l 管理，且有利于同时对多个超声电源的统一管理。嵌入式系统的整体结构图2 2 所示。 控制对象 硬件层 图2 2 嵌入式系统结构 在软件层中包括y 芦c l o s i i 在l p c 2 1 0 4 上的移植、编写相应的实时多任务操作系统启 动程序、任务管理等模块。基于c o s i i 的实时多任务操作系统是嵌入式应用软件的基础 开发平台。它实际上是一段嵌入式目标代码中的程序，系统复位后首先执行，相当于用户 的主程序，用户的其它程序都是建立在该系统之上的。本嵌入式系统各功能模块如下： 一、硬件层 硬件层包括微处理器和系统外围设备，微处理器选用的是具有a r m 核的l p c 2 1 0 4 ， 系统外围设备主要包括：液晶显示屏( l c d ) 、键盘、u a r t 、s p i 及g p i o 口等等。硬件 层是保证系统实现指定任务的最底层的部件。 二、中间层 中问层主要是包括外围设备的驱动程序，它是连接底层的硬件和上层的a p i 函数的纽 带。有了驱动程序模块，就可以把操作系统的a p i 函数和底层的硬件分离开来。任何一个 硬件的改变、删除或者添加，只需要随之改变、删除或者添加供给操作系统的相应的驱动 程序就可以了，并不会影响到a p i 函数的功能，更不会影响到用户的应用程序。 本系统中主要有如下驱动程序模块：l c d 驱动程序模块、键盘驱动程序模块、u a r t 串口程序、s p i 程序模块。 三、软件层 软件层是由操作系统“c 0 s i i 内核和任务管理构成。它负责着系统任务和应用程序的 j 1 兰主塞垒垫墨竺塑主竺兰望童! ! 堡望兰皇翌堕墼堕一 管理，并完成多任务之间的调度和同步。 四、功能层 功能层有用户的应用程序组成，应用程序建立在系统的主任务基础之上。主要包括 反应器工作时间的控制任务和频率跟踪任务。 五、控制对象 本嵌入式系统要负责向d d s 器件a d 9 8 3 3 写入频率字，控制其输出信号的频率，并通 过模数转换器件m a x l 8 7 中读取相位差的信息。 2 4 本章小结 本章设计了系统的总体框架。整个超声电源主要包括控制单元、信号发生器、功率放 大器、匹配网络、相位比较及人机交互接口等部分。 在信号产生部分采用的是直接数字频率合成技术( d d s ) ，为整个超声电源系统提供 一个频率范围广( 0 9 m h z ) 且输出信号稳定的信号源，能够满足在科研与工业应用中声化 学对超声波频率的不同需要。论文设计了所需的功率放大器。 为了获得最大的功率传输，提高电声转换效率，保证压电陶瓷换能器的工作效率，论 文对功率放大器与换能器间的匹配网络进行了设计。 超声电源对频率要求比较高，因为超声波换能器的谐振频率点比较窄。为提高频率精 度常采用锁相环技术。课题中为了使用软件实现锁相，故将相位差信息转换为数字量，由 微处理器l p c 2 1 0 4 读取并据此调整a d 9 8 3 3 的输出频率，实现了频率的自动跟踪。 为了使整个系统的控制更加可靠与方便，课题将嵌入式系统引入超声电源中。论文论 述了该嵌入式系统的主要构成，并分析了各个功能模块的作用。 河海大学硕士学位论文 第三章超声电源硬件系统设计 3 1 引言 第三章超声电源硬件系统设计 由第二章的论述可知，课题所设计的超声电源主要由信号发生器、功率放大器、匹配 网络、相位比较、模数转换及以l p c 2 1 0 4 为嵌入式微处理器的嵌入式系统组成。本章将对 各个功能模块进行详细设计。 3 2 信号发生器设计 为了产生宽频带超声波激励信号，课题选用了频率合成的技术。所需正弦波信号直接 由频率合成器( d d s ) 产生。d d s 具有超高速频率转换时间，极高的频率分辨率，较低的相 位噪声，在频率改变与调频时能保持相位连续，容易实现频率、相位、幅度调制。此外， 还具有可编程控制的优点。因此，d d s 被广泛应用于现代电子系统及设备的频率源中。 课题选用a d i 公司生产的频率合成器a d 9 8 3 3 。a d 9 8 3 3 是一款完整的、低功耗的、可 编程的波形产生器，可产生正弦波、三角波及方波。其输出频率和相位可通过软件编程方 便调整，时钟频率为2 5 m h z 时，输出频率的精度可达0 1 h z 。 3 2 1a d 9 8 3 3 的工作原理 a d 9 8 3 3 主要由数控振荡器( n c 0 ) 和相位调制器、正弦查询表以及一个1 0 位数模转 换器( d a c ) 组成。其中数控振荡器和相位调制器部分包含两个2 8 位的频率寄存器、一个 2 8 位的相位累加器、两个1 2 位的相位寄存器和一个相位偏移加法器。 相位字 写选通 频率控制字 写选通 相位控制宁 n c o ( 数控振荡器) l 相位累相位s i n f 加器 调制r o m 表 篱眦换剐啪t 警黻 翮姒馓燃换严叫l 言一 参考时 钟输入 图3 1a d 9 8 3 3 功率合成原