基于邊沿處理的相位差測量系統設計

唐軍

摘要：近年來，功率超聲技術的應用在各行業得到了極大發展，功率超聲技術的關鍵功率超聲電源。功率超聲電源最核心的工作是控制好電源信號與超聲換能器的匹配，匹配的依據就是加上換能器兩端的電壓與換能器回路上的電流信號相位差的大小。本文對功率超聲電源中，電壓信號與電流信號的相位差的測量進行了研究，設計了一套基于邊沿處理的相位差測量系統。本系統采用CPLD（EPM1270）和ARM（STM32）為核心，將邊沿處理的相位差測量測量算法放到CPLD中進行，ARM配合CPLD工作，產生控制信號，并對采集出的原始相位時間信號進行換算，得到真實的相位差大小信號，本設計可以為超聲電源的調諧工作提供高速、可靠的依據。

關鍵詞：相位差測量 功率超聲 邊沿處理

中圖分類號：TM933.312 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0141-02

近年來，功率超聲技術的發展開拓了其在化學、化工、食品、生物、制糖、醫藥等學科的應用研究。在功率超聲技術中，超聲換能器在超聲電源的控制下，將電信號轉換為超聲信號。大功率的超聲換能器通常埋在管道內，而管道內介質的溫度、壓強經常發生變化從而導致換能器的狀態也要隨之改變，這種變化反應在電路參數上，會影響換能器的電壓與電流的相位差，而此相位差又是超聲電源控制換能器的主要參數之一，因此，設計出一套能及時測量換能器與超聲電源之間工作狀態的相位差測量系統是十分有必要的。

1 相位差測量系統系統設計

相位差測量系統要解決的問題是測量換能器上的電壓和電流的相位差，而這個相位差包含兩方面的信息，即以電壓信號為基準，電流是超前還是滯后及超前滯后大小量的關系。為了解決這個問題，我們設計了含CPLD和ARM兩個核心處理單元的相位差測量系統如圖1所示。

在這個系統中，CPLD和STM32共同完成邊沿處理的相位差測量，測量工作在CPLD中完成，STM32在中斷觸發信號Interrupt的作用下，發送數據發送信號Send和計數器清零信號RST完成CPLD控制。同時，STM32取出CPLD傳送在端口D和Phase_Data端口上的相位差數據信號，并通過LCD12864完成顯示。CPLD依據邊沿處理算法，在STM32發送的控制信號Send和RST作用下，完成相位差測量，并依據測量出的相位差信號，產生MOSFET驅動信號。

2 邊沿處理的相位差測量算法設計

邊沿處理的相位差測量算法，是在CPLD完成的，STM32發出控制信號Send和RST，并取走相位差數據D與Phase_Data如圖2所示。

在此算法中，Volatage、ample為來自于取樣模塊轉換后的電壓與電流信號，clk為50MHz的時鐘信號。系統上電正常工作，將電壓信號Volatage和電流信號anple送到CPLD中，CPLD中，在每一個電壓信號Volatage 的上升沿讀取電流信號ample的值賦值給q（q_bar為取反），則：q=1時，表示的是電流超前的情況；q=0時，表示的是電流滯后的情況。至此，還需要解決第二個問題：超前滯后量的大小問題。為此，設計了一個計數器：Counternumber，其使能信號為CPLD輸出信號endcount_out，來自于U、I異或取反。當endcount_out為低電平時，中間變量countnumber開始計數，為高電平時停止計數。同時，ARM將endcount_out配置為上升沿觸發中斷信號，一旦ARM中斷被觸發，則發送一個send脈沖信號給CPLD，在send的上升沿，將countnumber里的數據發送到data端口，CPLD將data里的數據發送給ARM單片機，這時，ARM單片機向CPLD2發送一個rst信號，當rst信號為低電平時，把中間變量countnumber里的數據清零，為下一次的工作做準備。

3 STM32軟件設計

在STM32的軟件設計，分成兩個部分進行，首先是完成系統的初始化，然后設計STM32的中斷服務函數，在中斷服務函數中，還需要完成對測量數據相位的修正。

3.1 STM32系統初始化設計

在STM32系統初始化中，主要完成以下功能：

（1）RCC系統時鐘配置；

（2）GPIO端口配置；

（3）NVIC和EXTI配置；

在RCC系統時鐘配置中，將外圍8M時鐘經過PLL倍頻成72MHz；GPIO端口配置中，由于PA0端口配置成中斷端口，故在此將其配置成下拉輸入，其余端口，依據其輸入輸出屬性完成配置，其中，輸入端口配置成下拉輸入，而輸出端口配置成推挽輸出；在NVIC和EXTI配置中，選擇優先級分組為0，并在最后使能中斷。

3.2 STM32中斷服務函數設計

在STM32中斷服務函數服務函數中，首先發送出send脈沖，其脈寬通過設計為1us，然后取出q和Phase_Data的值，最后發出清零信號RST，完成此動作后，還需要注意完成相位的數據修正。其中，Phase_Data和頻率數據Counter_Design為16位的值，來自于CPLD，均需要用一個完整端口去接收。

3.3 相位數據計算

在STM32的中斷服務函數中，接收到的相位大小Phase_Data，為CPLD中對相位差計數得到的時間信號，它與相位有關，但并在此時，并不能與相位的值劃上等號。原因在于，測量出的實際上是一個時間信號，要想轉化成相位信號，還必須得到實時的頻率數據。由于電壓驅動信號在CPLD中產生，因此，可以非常方便的將頻率數據Counter_Design實時的傳送出來。

3.3.1 相位時間數據Phase_Data與真實角度的關系

為了方便說明，首先我們假設接收到的相位時間數據Phase_

Data=35，由于功率超聲電源工作的頻率通常為15KHz到30KHz之間，我們通過Matlab進行數據仿真，得到了相位時間數據Phase_Data在不同頻率下所代表的相位差角度，如圖3所示。

從圖上可以看出，固定相位時間數據Phase_Data=35，在不同頻率下，其所代表的真實相位角度是不一樣的，并隨著頻率的升高而升高。在最低的15KHz，相位時間數據Phase_Data=35代表的真實角度為3.7°，而在30KHz處，就變成了約7.5°。從上圖可以得出結論，同一個相位時間數據，在不同的頻率下，所代表的角度是不一樣的。

3.3.2 頻率數據Counter_Design的物理含義

現在已經有的數據為相位時間數據Phase_Data和頻率數據Counter_Design，我們將推導出真實角度與他們之間的關系，在此之前，首先對頻率數據Counter_Design的物理含義進行說明。

由于電壓驅動信號在CPLD中產生，CPLD的基準時鐘通常選擇為50MHz，通常是通過CPLD進行分頻得到我們所需的信號。舉個例子，如果我們需要得到一個20KHz的信號，那么，應該用50MHz/20KHz得到在一個20KHz的周期內，能夠跑過的50MHz脈沖個數為2500，在依據這個數據2500設計一個計數器，讓這個計數器的值在2500的時候歸0，而要得到的20HKz信號在計數器小于1250的時候為脈沖的高電平，在大于1250的時候為低電平，而Counter_Design的含義就在于這個計數器歸零點的值2500，換句話說，Counter_Design

就代表了在50MHz計數脈沖下，目標頻率信號的周期。

3.3.3 相位角度的算法

我們對原來的Phase_Data進行修正，具體公式為：

式中為具體角度。在上式中，Counter_Design代表的一個周期的時間，對應的角度為360°，而Phase_Data是相位差的時間數據，對應的實際角度為，由此，得到的計算公式為：

4 電壓電流信號采集

電壓信號采集與變壓器，后邊利用光耦6N137進行隔離，比較簡單，在此重點介紹電流信號采集。

圖4為電流信號采樣設計圖，首先在主回路里邊加入一個采樣電阻，取出電流波形，為正弦信號，后邊利用LM7171BIN運放構建的電壓跟隨進行數據采集，然后送給比較器LM393進行數據比較，將正弦信號變成方波信號。

5 實驗數據分析

按上述方法，我們制作了相位差測量系統，并利用示波器進行了測試。

在測試中，為方便調試，我們用一個獨立的CPLD產生兩路方波，方波的相位差固定為預設為30（phase_Data），然后改變頻率參數，選擇了20KHz、25KHz、10Khz等幾個不同頻率進行測試，得到了如下表1數據。

表格第一列為Counter_Design，第二列為由信號發生器產生信號頻率，第三列為固定的的相位時間值脈沖個數30，在STM32中斷服務函數內，我們按公式編程，得到了真實的相位差數據Phase_Data_amend，這個與我們在示波器上觀測的結果一致。

隨后，我們將該測量系統用到了新型功率超聲電源的研制中實際測試，也得到了較好的結果。

6 結語

本文設計了一種邊沿處理的相位差測量系統，在該系統中，測量出相位時間數據后，引入實時頻率數據對相位時間數據進行處理，得到了實時的相位差值數據，實驗表明，該系統工作快速穩定，結果正確。

參考文獻

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