基于CPLD的数字PWM信号发生器的设计-

1、技术创新中文核心期刊微计算机信息(嵌入式与SOC2007年第23卷第7-2期PLD CPLD FPGA应用基于CPLD的数字PWM信号发生器的设计A Design of Digital PWM Signal Generator Based on CPLD Devices(1.上海工程技术大学;2.中国酒泉卫星发射中心;3.四川大学滕旭东1王弘辉2傅友登3TENG XUDONG WANG HONGHUI FU YOUDENG摘要:提出一种基于CPLD(复杂可编程逻辑器件的数字脉宽调制波形发生器的设计。文中详细介绍以计数器为中心的PWM 波形产生原理和设计过程,并给出数字PWM信号发生器的应用实例

2、。测试结果表明,基于CPLD的数字脉宽调制波形具有频率稳定性好、死区时间可控,结构简单和调整灵活等特点,易于实现智能控制。关键词:逆变电源;数字脉冲宽度调制信号;CPLD;计数器中图分类号:TN787文献标识码:AAbstract:A new design of digital PWM signal based on CPLD devices is introduced in this paper.By means of good performance of CPLD devices,The design scheme and working principles of digital PW

3、M generator are analyzed in detail.The testing results show that PWM signal realized by CPLD is more stable and easily be controlled.So it is possible that adjusting and monitoring systems by feedback signal.Key words:welding inverter,digital Pulse Wide Modulator,CPLD,Counter文章编号:1008-0570(200707-2-

4、0178-02引言逆变电源,在弧焊机和超声波清洗设备等方面应用很广,其技术核心就是产生PWM(脉冲宽度调制信号,通过改变PWM信号的频率和占空比,调节和控制功率开关器件的开通以及关断时间,实现电源频率和功率输出的调节,形成逆变电源。目前,逆变电源常使用模拟/数字混合设计的专用芯片如TL494、SG3525等来产生PWM信号,这类芯片最大缺点是波形不稳定,会受到电磁场和工作环境温度的影响,漂移现象严重,而且不易用微处理器控制,动态调节频率和功率困难。考虑到CPLD(复杂可编程逻辑器件具有高可靠性,通用性好,在线可编程等特点,已有研究者开始采用CPLD来设计PWM波形发生器,然而这些设计过程较为复

5、杂,调整不灵活,需要资源数较多的可编程逻辑器件,从而带来使用不便和成本较高等缺点。本文提出一种基于CPLD的PWM波形发生器设计原理,具备智能控制及死区调整功能,芯片资源占用少,能较好地解决设计功能实现和开发成本的矛盾。1PWM信号产生原理采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。以该结论为理论基础,可以利用计数器和触发器设计PWM信号产生电路,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的两路脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则改变计数器的数值,就可以调整脉冲的宽度,从而实现逆变电源输出功率和频率的调整。在控制大功率电路

6、时,PWM信号发生电路产生的两路脉冲要求有一定的死区时间tp,即为了保证大功率器件不同时导通而设置的所有大功率器件同时处于截止状态的时间,如图1所示。图1两路对称PWM信号及死区tpFig.Waveforms of PWM pulse and Dead time tp2数字PWM信号发生器的设计复杂可编程芯片可以用VHDL语言(硬件电路描述语言或者电路原理图方式进行自顶向下的设计开发,实现相应的电路功能。根据上节介绍的PWM波形产生原理,设计框图如图2所示。图中主要由周期预置计数器、减一计数器、零值/中值检测器、死区控制器、RS触发器和控制信号产生电路等部分组成,实现数字PWM信号的产生。图2

7、数字PWM信号发生器的原理图2.1PWM信号的产生滕旭东:硕士基金项目:上海高校培养优秀青年教师科研专项基金资助(05XPYQ05技术创新PLD CPLD FPGA 应用您的论文得到两院院士关注调用16位计数器模块作为周期预置计数器和减一计数器。周期预置计数器先向减一计数器预置初始值N ,接着减一计数器在分频后的时钟信号CLK1作用下,实现二进制数N 的减一运算。减一过程中,变化的计数值与N/2做中值检测,二者相等时产生高电平信号Half_Flag ,同时计数器继续减一操作;当计数值减到零值时,由全零检测器产生高电平信号Zero_Flag ,并重新赋减一计数器初值N ,下一个时钟重新计数。随着

8、计数器周而复始的减一操作,于是产生周期为T=N/fclk1的两路触发脉冲信号Half_Sig 和Zero_Sig 。如图3所示。图3减一计数器产生的两路触发脉冲flg.3Dual-Pulses Producing by Down-Counter两路触发脉冲信号经脉冲电路整形后,分别送入RS 触发器FF0和FF1的输入控制端。由于触发脉冲信号周期为T ,所以触发器FF0和FF1的输出端Q 每隔周期T 才翻转一次且翻转方向相反,从而形成的周期为2T 的数字脉冲波形信号,即无死区的PWM 波形,见图4。可见两路触发脉冲信号的周期T 决定了PWM 信号的频率值,如果要改变PWM 波形输出频率f ,调整

9、周期预置计数器的初值N 就可实现,计算公式如下:(1(2图4两路对称PWM 信号Fig.4Waveforms of PWM pulse其中:f os 为晶振频率;f 为频率精度;式(1(2表明晶振基准频率越高,计数器位数越多,频率精度就会越高。例如晶振频率f os 为40M 时,频率精度为1020Hz ,而晶振频率f os 为60M 时,频率精度可达15Hz 。2.2死区设计上述PWM 信号产生以后,利用死区控制器产生控制信号形成和调整死区tp 。死区控制器内部有延时预置计数器和两个减一计数器。控制过程为:延时预置计数器先向两个减一计数器置数,由触发脉冲Half_Flag 和Zero_Flag

10、 分别启动两个减一计数器,实现交叉控制触发器FF0和FF1的翻转,如图5所示。当脉冲Half_Flag 送入触发器R 端后,FF0触发器立刻进行翻转,同时启动内部减一计数器,使FF1触发器延时后翻转,两个触发器的翻转时刻正好相差了一个延时预置计数器的计数时间,即死区时间tp ,这样形成了一个死区;当脉冲Zero_Flag 送入RS 触发器R 端后,FF1触发器立刻翻转,内部另一个减一计数器开始工作,使FF0触发器延时相同时间tp 后翻转,这样又形成了一个死区。随着两路触发脉冲的周期重复,于是产生两路PWM 波形。图5死区延时器延民主党波形翻转示意图Fig.5Diagram of PWM Wav

11、eforms overturning2.3脉宽控制PWM 信号的死区时间越长,其有效宽度越窄,反之就越宽。所以我们可以通过控制预置计数器的计数值来改变死区时间,达到调整PWM 信号宽度的目的。当采用数字PI 或PID 调节器时,反馈信号经过A/D 转换后送给死区延时预置计数器,在计数器减到0时自动预置成为下一次的死区时间,从而实现脉宽调整功能。2.4控制信号产生电路控制信号产生电路由T 触发器、比较器、译码器等数字逻辑电路组成。主要功能产生各种触发信号控制计数器置数、运算操作和启动时刻,包括周期预置计数器、减一计数器和死区延时预置计数器等;其次控制外部总线访问CPLD 内部的数据缓存器或地址锁

12、存器,实现智能控制和自适应调节。3基于CPLD 的PWM 波形发生器的应用示例基于CPLD 设计的PWM 波形发生器与微处理器接口简单,可以通过数字化的控制方法设置和调整参数,满足各种工况要求。此外容易实现过流、过压和过热等保护功能。图6为数字超声波电源的PWM 波形发生器设计电路。该设计采用单片机AT89C2051控制基于CPLD 的PWM 波形发生器的工作,CPLD 芯片采用EPM 7128SLC84-15。电路中用四个按键来设置CPLD 的工作模式和控制参数,其中键Fre_Up 和Fre_Down 来调整PWM 信号频率;键M ulti_single 设置单频/跳频工作方式;键Start

13、_Key 启动/停止PWM 波形发生器。图6智通PWM 信号发生器的电路原理图Fig .6CircuitConfigurationoftheintrelligentPWM WaveformsGenerator开机后,单片机根据键盘操作,通过A0.2总线向CPLD 送入访问地址,译码后D0.3上的数据写入选中计数器,实现对PWM 波形发生器的设置,按下Start_Key 键启动CPLD 开始独立工作。(下转第219页技术创新机器人技术您的论文得到两院院士关注/异步合成,此函数立即退出jTTS_PlayToFile(pszText,pszDestFile,FORM AT_WAV,NULL,PLAY

14、M ODE_ASYNC,CallBackProc,0;jTTS_PlayToFile (pszTextFile,pszDestFile,FORM AT_WAV,NULL,PLAYCONTENT_TEXTFILE,NULL,0;用户可以指定合成语音数据的格式,并可以指定是否增加WAV 文件头。在本文中,大量使用以上的文件合成,回调函数以及WAV 语音格式,使语音合成跨过平台更容易、更简单、更准确。5结束语本文讨论了多Agent 通信机制的机器人控制系统结构及协调机制,着重讨论了在不同Agent 下的通信语言选择,并实现了TTSAgent 播报系统方式,在多Agent 通信机制上考虑到Ontolo

15、-gy 一致性来提高Agent 之间的协作效率。实验证明在机器人控制系统中,在Web Service 中生成合成语音,将机器人动作转化为逻辑程序设计中的形式语音,是一种有效的多Agent 通信协调机制方法。本文作者的创新点:通过在多Agent 通信中引入通信本体和KQM L 语言,实现了机器人控制系统中信息之间的理解和沟通;通过使用SSM L 、S3M L 语言和TTS ,实现了人类使用中文语音与机器人进行对话、交流和控制的目的。本文的研究为机器人智能控制和工业控制系统的语音远程控制提供了一种新的解决方法。参考文献1薛宏涛等.多智能体系统体系结构及协调机制研究综述J.机器人,2001,23(1

16、:201-2072陈卫东等.基于开放式多智能体结构的分布式自主机器人系统J.机器人,2001,23(1:56-603S Carpn,LE Parker.Coopesaline leader following in a Dis-tributed Multi -Robot System C.In:Proc.2002IEEE Int.Conf.Robot and Automat.,2002,2994-3001.4Huang Haiping ,Wang Ruchuan,Xu Xiaolong.esearch on Appli-cations of Cryptography for Multi -Mo

17、bile Agents System.TheJournal of China University of Posts and Telecommunications,2004,11(4:34-375魏春梅,宋庭新.基于Web Service 的机器人远程控制系统设计J微计算机信息,2006,6-2:258-259。作者简介:刘么和(1954-,男,湖北武汉人,湖北工业大学机械工程学院教授,留美归国学者,主要从事计算机应用,语音识别,机器人技术和信号处理方面的研究。Email:yaohe_;何东付(1982-,男,湖北工业大学计算机学院研究生,研究方向为计算机软件。宋庭

18、新(1972-,男,湖北工业大学机械工程学院副教授,主要从事测控技术及仪器方面的研究。谭保华(1978-,男,湖北工业大学理学院讲师,主要从事语音识别方面的研究。Biography:Yao-He Liu (1954-,male,born in Wuhan,Hubei Province,he is a professor in School of Mechanical Engineer-ing,Hubei University of Technology,his research interests in-clude computer applications,voice technology

19、and robot controltechnology.(430068湖北湖北武汉湖北工业大学机械工程学院刘么和何东付宋庭新谭保华(Mechanical Engineering School,Hubei University of Tech-nology,Wuhan 430068,ChinaLiu Yaohe He,Dongfu Song Tingxin Tan Baohua通讯地址:(430068湖北湖北武汉湖北工业大学机械工程学院刘么和(收稿日期:2007.5.23(修稿日期:2007.6.25(上接第179页在工作过程中,电流采样反馈信号Feedback 送入A/D 转换器形成四位二进制

20、数值PD0.PD3,用该数据来调整PWM 脉冲信号的死区延时预置计数器即占空比,从而可以跟踪谐振点的变化,稳定输出功率。如果外部电路电路出现异常,用保护信号Protect 停止PWM 信号的产生。4结论本文提出的基于CPLD 的全数字化PWM 发生器设计,结构简单,工作可靠,不仅克服了专用模拟芯片带来的温度漂移,同时实现死区的智能控制和功(频率在线调节,且具备软启动功能,从而扩展了功率器件的选择范围。以该方案设计的数字超声波电源,经生产厂家测试,频率稳定且功率控制精度高,调整方便,成本低。本文创新点在于提出一种基于CPLD 的数字PWM 信号发生器的设计,该设计解决了目前数字PWM 波形发生器的死区时间不可控制和功率跟踪困难等缺点,推进了数字PWM 发生器的实用化。参考文献