（电磁场与微波技术专业论文）新型oadm的电压智能控制模块研究.pdf

中文摘要 随着光传输网向超高速、超大容量的方向发展，网络的生存能力、保护倒换 和恢复问题成为光网络的关键问题，而基于光开关、可调滤波器等有源光器件的 可重构o a d m 在光层的保护倒换对业务的保护和恢复起到了更为重要的作用。 新型的基于钛扩散铌酸锂波导电光效应的r o a d m 具有超高调谐速度、波长动 态连续可调、调谐范围宽、插入损耗小、尺寸小等特点。其中偏振转换部分( p c s ) 是关键部分，改变其叉指电压v c i 和调谐电压v t 即可实现光波的偏振转换和波 长调谐。 本论文根据p c s 对v 。i 和v t 电压的特殊要求，提出了对电压的智能控制的 设计方案。针对叉指电压v c i 的需求，提出了一种能够同时输出6 4 跟1 0 v 电压 的电压控制模块的设计方案：只使用一片d a 芯片，在8 2 7 9 芯片的控制下，可 进行1 6 路电压输出，用单片机实现对4 片8 2 7 9 的片选和控制即可实现6 4 路电 压的输出。这种方法使8 2 7 9 与c p u 的接口规范，连接简单，占用c p u 的工作 时间少，同时由于对各路d a 输出的定时刷新过程由硬件自动完成，因此编程 方便，输出稳定，具有一定的实用性。针对调谐电压v t 输出+ 4 0 0 v 的需求，提 出了一种高速的高压输出设计方案，设计了一种高压放大电路以实现v t 电压的 宽范围和双极性输出，并通过对超高速d a 转换器的控制实现对输出高压的可 调谐。 本论文首先介绍了电压控制模块的整体设计方案，详细论述了各个部分的设 计原理。然后根据系统的使用要求，完成了对v 。i 电压的单片机接口控制电路、 d a 转换电路、电压放大电路和模拟开关控制电路的设计，并对v 。j 电路进行了 仿真、调试和测量；完成了v t 电压的d a 转换电路和高压放大电路的设计；用 汇编语言编写了v c i 电压控制部分的软件，实现了对8 2 7 9 的初始化程序和显示子 程序的设计。 关键词：o a d m8 2 7 9 键盘显示芯片数模转换器高压放大电路 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eo p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r kd e v e l o pt oan e ws t a g eo fs u p e r h i g hs p e e d ，s u p e rl a r g ec a p a c i t y , t h ev i a b il i t yo fo p t i c a ln e t w o r k ，t h er e v e r s eo f p r o t e c t i o na n dt h er e c o v e r i n gp r o b l e m sh a v eb e c o m et h em a j o rp r o b l e m so ft h e o p t i c a ln e t w o r k m e a n w h i l et h er e v e r s ep r o t e c t i o nf u n c t i o no ft h er e c o n f i g u r a b l e o a d m ( r o a d m ) i no p t i c a ll a y e rc a np r o t e c ta n dr e c o v e rt h es e r v i c eo f t h en e t w o r k ， i t se f f e c ti sm o r ei m p o r t a n tf o rt h eo p t i c a ln e t w o r kt h a na n yo t h e re l e m e n t s ，t h i s f u n c t i o no fo a d mb a s e so nt h ea c t i v eo p t i c a ld e v i c e ss u c ha s ：o p t i c a ls w i t c h ， a d ju s t a b l eo p t i c a lf il t e ra n ds oo n an e wt y p eo fr o a d mw h i c hb a s e so nt h e e l e c t r i c a l - o p t i c a le f f e c to ft i ：l i n b 0 3w a v ec o n d u c t o rh a ss u p e rh i g ht u n a b l es p e e d i t sw o r k i n gw a v el e n g t hi sd y n a m i ca n dt u n a b l e ；t h et u n a b l er a n g ei sb r o a d ；t h e i n s e r t i o nl o s si ss m a l l ；i t ss i z ei sc o n c i s e i t sp o l a r i z a t i o nc o n v e r s i o ns e c t i o n ( p c s ) h a s t h em o s ti m p o r t a n c e w ec a nr e a l i z et h ep o l a r i z a t i o nc o n v e r s i o na n dt h ew a v el e n g t h t u n a b l ef u n c t i o nb yc h a n g i n gt h ev o l t a g ew h i c hs u p p l i e db yt h ei n t e r d i g i t a le l e c t r o d e s ， t h i sv o l t a g ei sa l s oc a nb et u n e d r e f e rt ot h er e q u i r e m e n to fp c st ot h ev o l t a g e ：v c la n dv t ，t h ep a p e rp r e s e n ta p r e c e p to fi n t e l l i g e n tc o n t r o lt ot h ev o l t a g e ，a n dt h e nb r i n gf o r w a r dad e s i g no fv o l t a g e s e c t i o n t h i sd e s i g nc a ng i v e6 4c h a n n e l s v o l t a g eo u t p u t i tu s e so n l yo n ed ac h i p u n d e rt h ec o n t r o lo fo n e8 2 7 9c h i pw h i c hc a ng i v e16c h a n n e l s v o l t a g eo u t p u t s ow e c a ng e t6 4c h a n n e l s v o l t a g eo u t p u ta tt h es a m et i m eb yu s eas i n g l ec h i pt oc h o o s e a n dc o n t r o l4c h i p so f8 2 7 9 i nt h i sm e t h o da l lt h ec h i p sc a nd ec o n n e c tt ot h ec p u a n du n d e rt h ec o n t r o lo fi t ，t h ec o n n e c t i o ni sv e r yc o n c i s ea n do n l yo c c u p i e sal i t t l eo f c p u sr e s o u r c e ，i nt h em e a nt i m eb e c a u s ee v e r yc h a n n e l so u t p u tc a nb eg i v e nb yt h e h a r d w a r ea u t o m a t i c a l l y , s ow ec a np r o g r a mw i t hi te a s i l y ，i th a si t so w nm e r i ta n d p r a c t i c a b i l i t y g i v e nt h er e q u i r e m e n to ft u n a b l eo u t p u tv o l t a g e sr a n g eo f 4 0 0 v w e p r e s e n tad e s i g no fs u p e rh i g hs p e e d ，s u p e rh i g hv o l t a g e so u t p u t t h i sd e s i g ni s a c t u a l l yah i g hv o l t a g ea m p l i f yc i r c u i tw h i c hh a sab r o a dv o l t a g eo u t p u tr a n g e ，t h i s v o l t a g ei sb i o p o l a r i t ya n dt u n a b l eb yc o n t r o l l i n gt h es u p e rh i g hs p e e dd ac o n v e r t e r i nt h ep a p e r ，f i r s t l yw ei n t r o d u c et h ew h o l ed e s i g np r e c e p to ft h ev o l t a g es e c t i o n a n dt h e nd i s c u s se v e r yp a r ti nd e t a i l s e c o n d l yw ec o m p l e t et h ed e s i g no fv c ic o n t r o l s e c t i o n ，s i n g l ec h i pc i r c u i t ，v o l t a g ea m p l i f yc i r c u i t ，a n a l o gs w i t c hc i r c u i t ，a n dw eu s e e w bs o f t w a r et os t i m u l a t ev c ic i r c u i ta n dg e tt h ec o r r e c tr e s u l t ；t h e nw er e a l i z et h e d e s i g no fv t sd ac o n v e r t e rc i r c u i ta n dt h eh i g hv o l t a g ea m p l i f i e rc i r c u i t ；a tt h e s a m et i m e , w ec o m p i l et h ep r o g r a mo fv c ic o n t r o lu n i tw i t ht h ea s s e m b l yl a n g u a g e t h i sp r o g r a mc a nm a k et h e8 2 7 9c h i pi n i t i a l i z ea n dd i s p l a yi t ss u b p r o g r a ma c c u r a t e l y k e yw o r d s ：o a d m ，8 2 7 9k e y b o a r d c o n v e r t e lh i g h - v o l t a g ea m p l i f yc i r c u i t i n p u t d i s p l a yc h i p ，d i g i t a l - t o 。a n a l o g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 学位论文作者签名：张根 签字日期：上伊d g 年月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：我根 签字日期：溉g 年 舌月s 日 导师繇冷之 签字日期：瑚年月f 日 第一章绪论 1 1 光分插复用设备概述 1 1 1o a d m 的发展与前景 第一章绪论 在光通信领域，通常而言，新器件的问世会使整个系统的性能获得极大改善 甚至淘汰旧系统。全光智能网络是当今光通信的最高形式，它的普及关键在器件， 目前正在研制或已经研制出的全光网器件包括：全波光纤、拉曼放大器、掺铒光 纤放大器e d f a 、密集波分复用d w d m 光源、光波长转换单元o u t 、光开关o s w 、 光路由器和光分插复用器o a d m 【l 】。 全光节点是全光智能网的基础，而o a d m 是实现光联网和构成光节点的关 键技术。o a d m 位于多节点光纤通信网络的中间节点处，其作用是按要求在中 间节点且下一个或多个复用通道的光波长信号，其余的光波长信号继续传送直 通，且不受其影响。它不需要对光信号进行光一电一光转换，而是直接对光信号 进行分插和直通等，基本功能如图1 1 所示【2 】o 干路信 下路端口 上路端c i 复用，解复用o a d m 图1 1o a d m 功能图 号 实现o a d m 的方案根据上下路波长信道是否固定，可以分为两类：非重构 型和可重构型。非重构型o a d m 主要使用光波分复用器和固定波长的光滤波器 等光无源器件，在节点处固定地上下一个或一组波长光信号。非重构o a d m 结 第一章绪论 构简单，性能稳定，但不适甩于未来光通信网络。而可重构型o a d m 采用光开 关、可调滤波器等有源光器件，不仅可以实现节点处灵活的波长上下路，还可以 决定o a d m 节点的开放兼容、网络自愈、性能监测和网络管理等多种功能。所 以可重构o a d m 是未来全光通信网必然的发展方向【3 。 随着光传输网技术的发展，原有的光开关、可调滤波器等有源器件的技术性 能不断的改进，而新型的光开关、可调滤波器技术不断出现；随着光传输网向超 高速、超大容量的方向发展，网络的生存能力、保护倒换和恢复问题成为光网络 的关键问题，而基于光开关、可调滤波器等有源光器件的可重构o a d m 在光层 的保护倒换对业务的保护和恢复起到了更为重要的作用。未来的光传输网是能支 持多业务的透明光传输平台，要求对各种速率的业务都能透明传送；同时，随着 业务要求的急剧增长，骨干网业务交换容量也急剧增长。因此，o a d m 的容量 大小也要不断提高。由于i p 业务的急剧增长，要求未来的光传输网能支持光分 组交换业务，未来的核心路由器能在光层交换。这样，对o a d m 的交换速度提 出了更高的要求。总之，o a d m 的总体发展趋势是向着低损耗、高可靠性、低 功率、小型化和集成化的方向发展。具有大容量、高速交换、透明、低损耗和高 可靠性的可重构o a d m 将在光网络发展中起到更为重要的作用【4 1 。 1 1 2 引入o a d m 技术的意义 随着越来越多的光传输系统升级为波分复用w d m 或密集波分复用d w d m 系统，以及在d w d m 技术逐渐从骨干网向城域网渗透的过程中，人们发现 d w d m 技术在提高传输能力的同时还具有无可比拟的联网优势。在网络传输容 量已不成问题的时候，另一个显而易见的能提高网络效率和灵活性的选择是在网 络节点中使用全光分插复用器。w d m 自愈环网以其独有的优点成为组成w d m 城域网的基本形式。城域全光网、w d m 网络中小型商用接入环网和小型局际环 形网络对基本波长的节点在结构上的灵活性和可重构性提出了迫切的要求。要实 现全光通信网络，其节点至少应该具有对少则如商用网络中1 8 个波长信道多则 如局际网络中4 0 个甚至更多波长信道的灵活分配与管理能力【5 o 由此可见，o a d m 是实现光联网和建立d w d m 全光网的核心节点技术之 一，而o a d m 和d w d m 技术的结合因为其简单、灵活的结构和相对较低的成 本以及灵活的组网方式构成了最佳的全光城域网解决方案。由于大型光网络在波 长分配、波长路由、波长管理等方面的复杂性，在城域网、商用网、局际网等小 型网络上构造基于o a d m 的全光网技术是各类通信提供商都感兴趣的组网形 式，也成为近来研究的热点。 在未来的全光网络中，光交换再也不需要通过光一电一光转换的过程，而是 第一章绪论 实现全光交换，这就要求未来的交换网络中的关键交换元件是全光交换器件，而 且具有在线的、不间断的等众多优越性能。因此对网络节点的关键器件o a d m 提出更高的性能要求 6 1 。 1 2 新型o a d m 简介 在o a d m 的众多调谐手段中，以电光可调谐滤波器( e o t f ) 实现的o a d m 是唯一一种可在亚微秒量级完成某一w d m 信道到另一w d m 信道转换的方案。 新型的基于钛扩散铌酸锂( t i ：l i n b 0 3 啵导电光效应的四端口光分插复用器，具 有纳秒量级的超高调谐速度、波长动态连续可调、调谐范围宽、插入损耗小、尺 寸小等特点。通过合理设计电极电压的分布可实现邻道串扰小，通带宽度可调【。7 1 。 基于l i n b o ，电光效应的光分插复用器主要由三部分组成，偏振分束器 ( p b s ) 、偏振转换部分( p c s ) 及电压控制单元( v c u ) ，如图1 2 所示。 图1 2 器件结构简图 其中p b s i 的作用是将输入光波分成t e 模和t m 模，分别在耦合臂和直通 臂输出，实现偏振分离。p c s 可有选择的将某一波长光波的偏振态旋转9 0 。，使 t e 模转变为t m 模，t m 模转变为t e 模。p b s 2 是p b s l 的逆向应用，仍然遵 循t m 模和t e 模分别从直通臂和耦合臂输出的规律。由于此时已经有某一波长 的光的t e 模和t m 模发生了互换，所以该波长的光波从端口d 输出，从而实现 了下载功能；而其他波长的光波从端口c 输出。类似的，当光波从端口b 输入 时，在p b s l 末端发生偏振分离，经p c s 后偏振态旋转9 0 0 ，最后通过p b s 2 ， 由端口c 输出，从而实现了某一波长光波的上载功能。p b s i 、p c s 及p b s 2 通 过在x 切y 传的铌酸锂基底上进行钛扩散制作完成光波导整个光路，光路采用 m z 型结构设计。 p c s 是其关键部分，通过电压控制单元的控制来实现光波的偏振转换和波长 调谐。 第一章绪论 电压控制单元v c u 的主要作用是： i 改变p c sz 方向电场，从而改变上广f 载光波的中心波长，达到对调谐范 围内任意波长的上厂f 载的目的。 2 改变p c s 各y 方向的分立电场可灵活控制上厂f 载光波的幅一频响应曲 线的形状，如对通带宽度的改变、对旁瓣的抑制等。 偏振转换部分的结构简图如图1 3 所示。其中a 电极接地( v o - 0 ) ，b 电极 电压为v t ，c 电极电压为2 v ，两端电压差为v 1 。叉指电极d i 的电压为v 。，( i = l ， 2 ，n ) 。 r ； b 圈1 - 3 偏振转换单元结构简图 本课题要设计的电压控制模块就是要实现满足v c u 要求的电压输出，包括 输出电压的路数和幅度范围。 1 3 课题相关技术简介及需要解决的主要问题 本课题要设计的电压智能控制模块实际上是对直流稳压电源的改进，传统的 直流稳压电源并不能满足p c s 系统的电压要求，主要是输出路数相对较少。因 此先对直流稳压电源进行简单的介绍。 1 3 1 直流稳压电源简介 许多科学实验都离不开电源，并且在这些实验中经常会对通电时间、电压高 低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求。如果直流稳压电源不仅具有良好的 输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化，以精确的微机控制取代许多不精 确的人为操作，在实验开始之前就对一些参数进行预设这将会给各个领域中的 实验研究带来不同程度的便捷与高效。因此，直流稳压电源今后的发展目标之一 就是不仅要在性能上做到效率高、噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境， 还要在功能上力求实现数控化、多功能化、智能化、网络化”一。 第一章绪论 1 3 1 1 直流稳压电源发展方向 1 智能化 目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采 用微处理器的。以微处理器为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，将计算机 技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表”。智 能仪器解决了许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还能简化系统电路，提 高系统的可靠性，加快产品的开发速度。直流稳压电源一方面为仪器仪表提供电 能量，是仪器仪表的“动力源”，另一面它本身就是仪器仪表，因此，它有可能而 且应当智能化。具体地说，智能化的直流稳压电源电源应当具有以下功能特点： ( 1 ) 操作自动化。系统的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭 合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用微控制器来控制操作，实现测 量过程的全部自动化。 ( 2 ) 具有自检测功能，包括自动调零、自动故障检测与状态检验、自动校准、 自诊断及量程自动转换等。系统能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种 自测试可以在系统启动时运行，同时也可在系统工作中运行，极大地方便了系统 的维护。 ( 3 ) 具有友好的人机对话能力。智能化的直流稳压电源使用键盘代替传统直 流稳压电源中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量 功能。与此同时，智能直流稳压电源还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态 以及测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使系统的操作更加方便直观。 ( 4 ) i n 络管理能力。随着互联网技术应用日益普及和信息处理技术的不断发 展，直流稳压电源通过r s 2 3 2 接口实现与上位p c 机通信，从而使网络技术人员可 以随时监视电源设备运行状态、各项技术参数；网络技术人员可通过网络定时开 关电源，实现远程开关机等功能【9 】。 2 数字化 在传统直流稳压电源中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七 十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字式信号、 数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的 优点：便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰( 提 高抗干扰能力) 、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术 的植入。所以，在八、九十年代，对于各类电路和系统的设计来说，模拟技术还 是有用的，特别是：诸如印制版的布图、电磁兼容( e m c ) 问题以及功率因数 修正( p f c ) 等问题的解决，离不开模拟技术的知识，但是对于智能化的直流稳 压电源电源，需要用计算机控制时，数字化技术就离不开了。 第一章绪论 3 模块化 电源的模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化：其二是指电源 单元的模块化。我们常见的器件模块含有一单元、两单元、六单元直至七单元， 包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块 ( s p m ) 。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构 成了“智能化”功率模块( i p m ) ，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计 制造。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加 严重，对器件造成更大的电应力( 表现为过电压、过电流毛刺) 。为了提高系统的 可靠性，有些制造商开发了“用户专用”功率模块( a s p m ) ，它把一台整机的几 乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线 连接，这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计，达到优化完美的 境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路( a s i c ) 。只要把控制软件写入 该模块中的微处理器芯片，再把整个模块固定在相应的散热器上，就构成一台新 型的电源装置。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更 重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最 低，提高系统的可靠性。另外，大功率的电源，由于器件容量的限制和增加冗余 提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块单元并联工作，采用均流技术， 所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其它模块再平均分担负载 电流。这样，不但提高了功率容量，在有限的器件容量的情况下满足了大电流输 出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，极大的提 高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为 修复提供充分的时间【l o 】。 4 绿色化 电源系统的绿色化有两层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约， 而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这 些电源不能( 或少) 对电网产生污染，国际电工委员会( i e c ) 对此制定了一系 列标准，如i e c 5 5 5 、i e c 9 1 7 、i e c l 0 0 0 等。事实上，许多功率电子节电设备，往 往会变成对电网的污染源：向电网注入严重的高次谐波电流，使电网电压耦合许 多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。2 0 世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的 方案诞生，为2 1 世纪批量生产各种绿色直流稳压电源产品奠定了基础。 1 3 2 课题需要解决的主要问题 本课题要设计的电压智能控制模块的输出电压要满足p c s 器件的设计要求， 既能够输出多路可控的稳定电压。其中要求v 。i 电压输出范围- l o v 计1 0 v ，能同 第一章绪论 时输出6 4 路并且满足步长0 1 v 的精度要求；v t 电压输出范围为4 0 0 v , , + 4 0 0 v ， 且要求有较高的转换速率。本课题需要解决的主要问题是： 1 如何实现对电源的输出控制 系统设计的目的是要用微处理器替代传统直流稳压电源中手动旋转电位器， 实现对输出电压的控制。 2 如何实现电压的多路输出 可以采用单片机控制多路d a 转换器的模拟输出，或者用其它更有效的方 法，因此如何选择简单有效的方法实现多路电压的输出是本课题需要解决的首要 问题。 3 如何实现高电压的输出 由于v t 的电压输出范围高达+ 4 0 0 v ，因此升压电路的设计也是本课题需要 解决的主要问题。 4 如何实现高速的电压转换速率 由于v 千对电压转换速率的要求，因此在电路设计时应着重注意选择高速甚 至超高速的器件。 1 3 3 论文的总体结构 第一章简要介绍课题的背景，综述课题研究的目的、技术，介绍本课题的主 要研究内容及相关技术。 第二章介绍电源的设计原则和电压智能控制模块的总体设计方案。 第三章对v 。i 电路进行设计，阐述相关原理和介绍主要芯片资料，给出分块 电路图。并对硬件电路进行仿真及测试。 第四章对v t 电路进行设计，详细介绍各组成部分电路，并给出完整电路图。 第五章电压控制模块的软件程序设计，完成对8 2 7 9 芯片的初始化程序和显示 子程序的编写。 第六章课题总结及展望。 第二章电压智能控制模块方案论证 第二章电压智能控制模块方案论证 2 1 驱动电源的设计原则 2 1 1 电源的可靠性设计原则 可靠性是产品在规定条件和规定时间内完成所规定功能的能力。可靠性的关 键在于搞好产品的可靠性设计。可控电源的可靠性设计的最关键的问题是保证电 源的稳定性。产品设计决定了产品的固有可靠性，因此设计阶段应充分考虑可靠 性问题，在产品设计方案、器件选择、布线及软件编制等方面予以尽可能全面地 考虑，采用成熟的设计和行之有效的可靠性分析与实验技术，提高产品的固有可 靠性。 电源的设计过程包括硬件设计和软件设计。二者均关系到电源的可靠性。在 硬件设计阶段对于可靠性设计必须遵循以下几个原则： 1 简洁化设计原则。 电源设计应注意简化电源电路。在满足电源性能要求的基础上，简化电路设 计可以提高电源的可靠性，而且有利于降低电源的功耗。 2 f 氐功耗设计原则。 应根据电源的使用条件，充分考虑电源供电的负载能力和连续工作时间，并 采用低功耗器件，降低电路的直流消耗，延长使用寿命。 3 抗干扰设计原则。 由于电源要求的分辨率比较高，所以在设计时必须考虑在使用过程中可能遭 遇的各种干扰，采取必要的抗干扰措施。 4 元器件选用原则。 为提高电源的可靠性和经济性，电源设计应选用性能稳定、可靠性高、技术 成熟、采购方便的元器件。电路设计应充分考虑温度影响及干扰因素，保证一定 的工作余量和可靠性范围。 2 1 2 电源设计的经济性原则 产品的经济性是指产品的设计、制造、使用等各方面所付出或所消耗成本的 程度。同时，亦包含其可获得经济利益的能力，既投入与产出的效益能力。产品 的竞争力基本上取决于产品的质量和成本，产品的功能性、可靠性、可维修性等 第二章电压智能控制模块方案论证 既是确保产品的质量的几个主要因素。产品的成本则是由经济性决定的，产品的 设计过程中，应充分考虑各种不同的使用要求。 2 2 总体设计方案 v c j 与v t 两种电源在设计上都是采用d a 转换来实现模拟电压的输出，但 由于v c i 与v t 电压输出特性有较大的差别：v c j 的电压输出范围为士i o v ，同时输 出6 4 路电压；v t 的电压输出范围为士4 0 0 v ，并对转换时间有较高的要求。故两 种电源应分开设计。 2 2 1v 。i 结构框图 本课题要求用一台微机控制多路d a 转换以满足系统多路模拟电压输出的 要求，对输出电压的要求除可靠性高、满足一定的精度外，还必须对输出电压予 以保持，使之在新的电压值到来之前，本次电压值保持不变。保持的方法通常有 两种，即数字保持和模拟保持，它们决定了模拟量输出通道的基本结构形式。 采用数字保持方法时，单片机通过缓冲器与d a 转换器接口。这种方法的 优点是通道之间相互独立，程序设计人员不必考虑模拟量保持问题，编程方便。 但若系统中有n 路模拟量输出通道，就要有n 个缓冲器，接n 个d a 转换芯片。 随着通道数的增加，接口电路就变得臃肿庞杂，硬件费用也随之增加。 采用模拟保持方法时，多个通道共用一个d a 转换器，结构简单，但c p u 必须定时地顺序访问每一个模拟量输出通道。即使输出量不作改动，也要每隔一 定时间将各个通道的模拟量输出一遍，因为它是靠电容来保持模拟信号的。因此， 为维持模拟输出量不变，一个采样周期中c p u 要多次访问模拟输出通道，程序 中必须定时地安排刷新操作。这不仅增添了程序工作人员的麻烦，也使c p u 在 模拟输出通道上耗费大量的时间【j 川。 本课题针对这一问题提出了一种只使用一片d a 芯片，在8 2 7 9 芯片的控制 下，可进行十六路模拟输出量的方法，使用这种方法在单片机的控制下只要使用 4 片d a 芯片和8 2 7 9 芯片就可以实现6 4 路模拟电压的输出。这种方法既克服了 以往对多路d a 转换每路均使用一片d a 芯片造成芯片过多、成本高的缺点， 又克服了采用多路保持器而需定时扫描刷新程序支持的缺点。该方法与c p u 的 接口规范，连接简单，占用c p u 的工作时间少，同时由于对各路d a 输出的定 时刷新过程由硬件自动完成，因此编程方便，输出稳定，具有一定的实用性3 l 。 8 2 7 9 是一种通用的可编程键盘与显示接口器件，但这里只用到了它的显示 功能部分。其实也确实象显示那样，c p u 只需把要进行d a 转换的数据写入8 2 7 9 第二章电压智能控制模块方案论证 显示r a m 的相应单元，8 2 7 9 就会自动地、循环不断的把数据送入d a 转换器， 加上扫描线选通模拟开关的配合，就可以实现多路d a 转换了。 为达到系统同时输出6 4 路电压的要求，需要采用四片8 2 7 9 与单片机接口。 结构框图如图2 1 。 2 2 2v t 结构框图 图2 1v c i 系统框图 v j 的电压输出范围为+ 4 0 0 v ，可以使用的集成稳压芯片的工作电压远不能满 足要求，因此需要设计高压升压电路。高压放大通常采用高耐压器件构成的功率 放大器来实现，也可采用高压运算放大器电路实现，但高压输出要求器件具有很 高的耐压性能，放大器的制作成本较高。本课题采用改进的线性电源来实现高压 放大，它具有宽范围的电压输出，降低了对器件耐压得要求。结构框图如图2 2 。 图2 - 2 v t 系统框图 第三章v 。，硬件电路设计 第三章v 。i 硬件电路设计 v c i 的电路总体框图在第二章中已经介绍了，现将各部分电路分开详细说明。 主要分为8 2 7 9 与单片机接口电路、d a 转换电路、电压放大电路和模拟开关控 制电路。 3 18 2 7 9 与单片机接口电路设计 3 1 18 2 7 9 芯片介绍 3 1 1 18 2 7 9 功能介绍 8 2 7 9 是可编程的键盘、显示接口芯片。它既具有按键处理功能，又具有自 动显示功能，在单片机系统中应用很广泛。8 2 7 9 内部有键盘f i f o ( 先进先出堆 栈) 4 # 感器，双重功能的8 8 = 6 4 br a m ，键盘控制部分可控制8 * 8 = 6 4 个按键 或8 * 8 阵列方式的传感器。该芯片能自动消抖并具有双键锁定保护功能。显示 r a m 容量为l6 * 8 ，即显示器最大配置可达1 6 位l e d 数码显示。其逻辑结构和 引脚图如图3 1 i j4 。 r d w 爱 i u 洛e t c l k c s 山 v c c ll g 惩) 网 l 显示l l 蝴| i 一j 冈 l f i f o l i r a ml _ j o l y ri k - b j o u r 旷 o b d 缸旷 骱i 酗 s h l f t a m 。塔 图3 - l ( a ) 8 2 7 9 逻辑结构图图3 一l ( b ) 8 2 7 9 引脚图 螨叮 叭盼”旺舫 附眦姘甜淞射善|哪哪哪哪哪哪哪叫一嘶一岱从m毗弧帅叭帖眦舯型蠹i咖懈蛳眦啪州吣附晰鲫 第三章v 。硬件电路设计 其中各引脚功能： 1 数据线 d b o - - - d b 7 是双向三态数据总线，在接口电路中与系统数据总线相连，用以 传送c p u 和8 2 7 9 之间的数据和命令。 2 地址线 c s = 0 选中8 2 7 9 ，当a 0 = i 时，为命令字及状态字地址；当a 0 = 0 时，为片内 数据地址，故8 2 7 9 芯片占用2 个端口地址。 3 控制线 c l k - 8 2 7 9 的时钟输入线。 i r q ：中断请求输出线，高电平有效。 r d 、w r ：读、写输入控制线。 s l 卜s l 3 ：扫描输出线，用来作为扫描键盘和显示的代码输出或直接输出 线。 i u 卜i u 7 ：回复输入线，它们是键盘或传感器矩阵的信号输入线。 s h i f t ：来自外部键盘或传感器矩阵的输入信号，它是8 2 7 9 键盘数据的次高 位即d 啦的状态，该位状态控制键盘上下档功能。在传感器方式和选通方式中， 该引脚无用。 c n t l s ：控制选通输入线，高电平有效。键盘方式时，键盘数据最高位( d 7 ) 的信号输入到该引脚，以扩充键功能；选通方式时，当该引脚信号上升沿到时， 把r l 卜i u 7 的数据存入f i f or a m 中。 o u t a o _ - o u t a 3 ：通常作为显示信号的高4 位输出线。 o u t b o _ o u t b 3 ：通常作为显示信号的低4 位输出线。 b d ：显示熄灭输出线，低电平有效。当b d = 0 时将显示全熄灭。 3 1 1 28 2 7 9 的工作方式 8 2 7 9 有三种工作方式：键盘方式、显示方式和传感器方式。 1 键盘工作方式 8 2 7 9 在键盘工作方式时，可设置为双键互锁方式和n 键循回方式。 双键互锁方式：若有两个或多个键同时按下时，不管按键先后顺序如何，只 能识别最后一个被释放的键，并把该键值送入f i f or a m 中。 n 键循回方式：一次按下任意个键均可被识别，按键值按扫描次序被送入 f i f or a m 中。 2 显示方式 8 2 7 9 的显示方式又可分为左端入口和右端入口方式。 第三章v 。，硬件电路设计 显示数据只要写入显示r a m ，则可由显示器显示出来，因此显示数据写入 显示r a m 的顺序，决定了显示的次序。 左端入口方式即显示位置从显示器最左端1 位( 最高位) 开始，以后显示的 字符逐个向右顺序排列；右端入口方式即显示位置从显示器最右端1 位( 最低位) 开始，已显示酩字符逐个向左移位。但无论左右入口，后输入的总是显示在最右 边。 3 传感器方式 传感器方式是把传感器的开关状态送入传感器r a m 中。当c p u 对传感器阵 列扫描时，一旦发现传感器状态发生变化就发出中断请求( i r q 置1 ) ，中断响 应后转入中断处理程序。 3 1 1 38 2 7 9 的命令字及其格式 8 2 7 9 的各种工作方式都要通过对命令寄存器的设置来实现。8 2 7 9 共有8 种 命令，通过这些命令设置工作寄存器，来选择各种工作方式。命令寄存器共8 位， 格式为： 命令类型 命令内容 如上所示，8 2 7 9 的一条命令由两大部分组成，一部分表征命令类型，为命 令特征位，由命令寄存器高3 位d 7 一d 5 决定。d 7 一d 5 三位的状态可组合出8 种形式，对应8 类命令。另一部分为命令的具体内容，由d 4 _ d o 决定。每种特 征所代表的命令如表3 1 所示。 表3 18 2 7 9 命令特征表 d 7d 6 d 5 代表的命令类型 0o0 键盘显示命令 001 时钟编程命令 010 读f i f o 传感器r a m 命令 011读显示器r a m 命令 100 写显示命令 l01 显示禁止熄灭命令 l10 清除命令 1l1 结束中断出错方式设置命令 第三章v 。，硬件电路设计 1 键盘显示命令 特征位d 7d 6d 5 = 0 0 0 d 4 、d 3 两位用来设定4 种显示方式，d 2 一d o 三位用以设定8 种键盘显示 扫描方式，分别如表3 2 和表3 3 所示。 表3 - 2 显示方式 d 4d 3 显示方式 00 8 个字符显示，左端入口方式 0l 1 6 个字符显示，左端入口方式 10 8 个字符显示，右端入口方式 11 1 6 个字符显示，右端入口方式 表3 - 3 键盘显示扫描方式 d 2d ld 0 键盘、显示扫描方式 000 编码扫描键盘，双键锁定 o0l 译码扫描键盘，双键锁定 010编码扫描键盘，n 键轮回 011 译码扫描键盘，n 键轮回 1o0 编码扫描传感器矩阵 l01 译码扫描传感器矩阵 110 选通输入，编码显示扫描 ll1 选通输入，译码显示扫描 表3 3 中所谓译码扫描指扫描代码直接由扫描线s l 0 一s l 3 输出，每次只有 1 位是低电平( 4 选1 ) 。所谓编码扫描是指扫描代码经s l 0 一s l 3 外接译码器输 出。 表3 1 、表3 2 、表3 3 三个表相互组合可得到各种键盘显示命令。 2 时钟编程命令 特征位d 7d 6d 5 - - - 0 0 1 d 仁d 0 用来设定分频系数，分频系数范围在旺3 1 之间。 有的设计会用单片机的a l e 端接8 2 7 9 的c l k 端，但a l e 端输出的脉冲频率比 8 2 7 9 所需工作时钟频率( 10 0 k h z ) 高出很多，通过设置分频系数就可使8 2 7 9 得 到所需的时钟频率。 3 读f i f o 传感器r a m 命令 特征位d 7d 6d 5 = 0 1 0 第三章v 。；硬件电路设计 d 2 - _ d o 为8 2 7 9 中f i f o 及传感器r a m 的首地址。 d 3 无效位。 ， d 4 控制r a m 地址自动加1 位：d 4 = l 时，c p u 读完一个数据，r a m 地址自动 加1 ，准备读下一个单元数据；d 4 = 0 时，c p u 读完一个数据，地址不变。 4 读显示r a m 命令 特征位d 7d 6d 5 = 0 1 1 d 4 = ir a m 地址自动加l ，d 4 = 0 不加1 。 d 卜d 0 为显示r a m 中的地址。 5 写显示r a m 命令 特征位d 7d 6d 5 = 1 0 0 d 4 是地址自动加1 控制，d 4 = l ，地址自动加l ；d 4 = 0 ，地址不加1 。d 3 一d o 是欲写入的r a m 地址，若连续写入则表示r a m 首地址。命令格式同读显示r a m 。 6 显示器禁止写入熄灭命令 特征位d 7d 6d 5 = 1 0 1 d 4 ：无用位。 d 3 ：禁止a 组显示r a m 写入，d 3 = l ，禁止。 d 2 ：禁止b 组显示r a m 写入，d 2 = l ，禁止。 d 1 ：a 组显示熄灭控制。d 1 = 1 ，熄灭；d 1 = 0 ，恢