基于嵌入式系統(tǒng)的電力電子系統(tǒng)集成方法的探討

重慶市三峽水利電力學校 李先成

1.引言

隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，大量學者在電力電子功率變換器的控制策略以及拓撲結構等方面的研究，具有較高的應用價值。但是，由于傳統(tǒng)的系統(tǒng)在設計上的滯后，嚴重阻礙了控制策略和拓撲結構在整體系統(tǒng)當中的應用，也導致一些復雜的、高性能的電力電子設備出現(xiàn)大量問題。而設計者只有在軟、硬件設計完成、測試后才能找到問題的根源，并加以修正，這樣所付出的代價非常巨大。迫切需要引入新的系統(tǒng)設計理念和方法，來適應市場化的需求。而嵌入式系統(tǒng)先進的設計方法，大大減少了傳統(tǒng)系統(tǒng)設計方法帶來的缺陷，還可以極大節(jié)約成本和設計開發(fā)周期，為電力電子系統(tǒng)集成的發(fā)展提供了新的設計思路。

2.嵌入式系統(tǒng)國內外研究現(xiàn)狀

嵌入式系統(tǒng)以其獨有的系統(tǒng)設計方法，被廣泛運用到現(xiàn)代信息產業(yè)的各個領域。如：數(shù)字電視的推廣、電視機頂盒、手寫文字輸入以及語音撥號上網(wǎng)等。根據(jù)英國電機工程師協(xié)會對嵌入式系統(tǒng)的定義為：嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設備、機器甚至工廠操作的裝置[1]，早在1993年，美國國防部糾集全美20多所頂級高校和研發(fā)部門實施的“RASSP”計劃[1]，其目的就是通過研究嵌入式系統(tǒng)的設計新方法來降低軍用芯片的設計周期和成本。在1998年在美國舉辦的世界嵌入式系統(tǒng)大會上提出的許多新技術成為引領世界信息產業(yè)發(fā)展的方向，在國內，嵌入式系統(tǒng)的應用時非常廣泛，但是在嵌入式系統(tǒng)的技術方法研究方面，只有中科院推出了“Hopen”嵌入式操作系統(tǒng)和兩三家國內研究院研究該領域。今年來隨著計算機技術以及大規(guī)模集成技術的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)將再次走在IT應用領域的前沿。

3.嵌入式系統(tǒng)與電力電子系統(tǒng)的內在聯(lián)系

根據(jù)文獻[2]可知，嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎的，并能適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗等嚴格要求的計算機系統(tǒng)[2]。一般可將嵌入式系統(tǒng)分為硬件和軟件兩大部分。如圖1(a),(b)所示：

圖1 嵌入式系統(tǒng)

圖1(a)所示為嵌入式系統(tǒng)模塊；圖1(b)所示為一個標準的電力電子模塊，兩個模塊對比可以看出來：電力電子模塊同樣具有嵌入式系統(tǒng)模塊的特點，也由硬件和和軟件兩大部分組成。而硬件部分的功率變換器通常采用單片機或者DSP作為控制核心，并加以相應的控制策略，再根據(jù)相應的負載變化，對輸入、輸出的電流和電壓進行有效控制。故我們可以認為，電力電子模塊是對電能進行變換的嵌入式系統(tǒng)[3]。

隨著，SOC(System On Chip)的發(fā)展，將整個系統(tǒng)集成在一個芯片上面已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實，這就使得整個系統(tǒng)變得更加輕巧、更加節(jié)能、可靠性能更強。這種發(fā)展的方向是與電力電子系統(tǒng)集成發(fā)展方向是相同的，所以我們可以用嵌入式系統(tǒng)的設計方法與理念應用到電力電子的系統(tǒng)集成上，這將對電力電子產業(yè)的發(fā)展起到很重要的推動作用[2]。

4.嵌入式系統(tǒng)設計方法

目前，許多國家為了能夠縮短產品的設計周期和成品，并提高產品的設計水平，都非常重視嵌入式系統(tǒng)設計方法的研究。但從當前的研究情況來看，研究的主要內容集中在設計自動化和計算機輔助設計等方面。從理論上來講可以將它們歸納為：系統(tǒng)描述、系統(tǒng)測評和樣機實現(xiàn)等[4]。

針對傳統(tǒng)系統(tǒng)的設計方法所帶來的種種缺陷，根據(jù)Y-chart[3]抽象理論來描述的嵌入式系統(tǒng)分為三個不同領域如：行為、結構和物理實現(xiàn)。這種理論由行為概況來具體描述，逐步向結構層面進行描述，最后在結構層面張的物理構件實體，再通過上述循環(huán)、疊加最終實現(xiàn)具體的電路和系統(tǒng)。由此，出現(xiàn)了新的嵌入式系統(tǒng)設計方法，即：軟/硬件協(xié)同設計的方法。

該方法的研究是近年來的研究熱點。美國的普林斯頓大學等高等學府專門成立了研究小組來對該方法進行更深入的研究，DAC(Design Automation Conference)會議上有大量篇幅涉及該系統(tǒng)設計方法。具體設計流程如圖2所示：

圖2 嵌入式系統(tǒng)軟/硬件協(xié)同設計流程圖

由圖2可以看出，軟/硬件協(xié)同設計的主要任務集中在以下幾個方面：

(1)系統(tǒng)行為描述：系統(tǒng)行為描述主要是指用描述語言(如：System C語言)描述待設計系統(tǒng)的功能以及約束條件等，使得設計人員對系統(tǒng)有一個整體的認識并進行早期的可行性的驗證。此種方法避免了傳統(tǒng)的軟、硬件分開描述所帶來的缺陷。

(2)體系結構和軟硬件劃分：通過上述的系統(tǒng)行為描述語言建立的模型，根據(jù)系統(tǒng)在滿足成本、設計周期和功耗等方面的要求，進行體系結構的選定，并通過反復循環(huán)和迭代來實現(xiàn)軟、硬件的劃分。

(3)軟硬件協(xié)同模擬和驗證：這一步主要是在軟硬件在進行獨立的詳細設計之前，對系統(tǒng)進行的一種集成模擬測試?，F(xiàn)階段較為成熟的方法是：低層次的模擬研究，如ISS(Instruction Set Simulator)模型以及軟件調試環(huán)境等。

對電力電子系統(tǒng)的設計也要完成這三個主要任務。伴隨著科學技術的飛速發(fā)展和交叉應用，電力電子系統(tǒng)集成在一個芯片上是其發(fā)展的必然趨勢和方向。但是，單純地追求系統(tǒng)集成會造成可測試性和可靠性的缺陷，而在電力電子系統(tǒng)集成的過程中引入先進的嵌入式軟、硬件協(xié)同設計的理念和方法，將會使得電力電子系統(tǒng)集成不僅是單獨的功能和物理的集成，而且是現(xiàn)代電子信息產業(yè)工程設計新的起航點。

5.結束語

本文通過對比嵌入式系統(tǒng)和電力電子系統(tǒng)的內在關系，發(fā)現(xiàn)二者具有一定的相似性。通過對最新的嵌入式軟/硬件協(xié)同設計流程的闡述，得出將嵌入式系統(tǒng)設計理念和方法應用在電力電子系統(tǒng)當中是可行的，對推動電力電子在系統(tǒng)集成方面的發(fā)展具有借鑒意義。在怎樣用描述語言對電力電子系統(tǒng)進行描述和怎樣對軟/硬件劃分的算法研究是下一步工作重心。

[1]MALLEYJHM.RASSP:ChangingtheParadigmofelectronic systemdesign[J].In:IEEEDesign&TestofComPuters.1996,13(3),Page(s):23-31.

[2]探矽工作室.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)圣經(jīng)[M].北京:中國青年出版社,2002.

[3]International Technology Roadmap for Semieonduetors1999.ITRS Website,httP://Public.itrs.net/fi les/1999-_SIA_Roadma.

[4]SGROI.M,LAVAGNO.L,SANGIOVANNI-VINCENTELLIA.FormalModelsforEmbeddedSystemDesign[J].In:IEEE Design&Test of Computers,June2000,17(2),Page(s):14-27.