嵌入式測試系統(tǒng)用高精度數(shù)控恒壓恒流源*

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(中國計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，杭州 310018)

引 言

隨著電子技術(shù)和數(shù)字電路的高速發(fā)展，電源被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、儀器調(diào)試、自動(dòng)化檢測通信及航天等領(lǐng)域。電源的性能指標(biāo)、應(yīng)用范圍及發(fā)展空間備受人們關(guān)注，尤其在電源的穩(wěn)定度和精度等方面。因?yàn)殡娫锤€(wěn)定，精度越高，紋波系數(shù)越低，電子產(chǎn)品就能越穩(wěn)定的工作，使用壽命才能延長[1]。

電源分為恒壓源和恒流源兩種[2]。傳統(tǒng)的穩(wěn)壓源通常只具備穩(wěn)壓功能，廣泛應(yīng)用在各種電子線路中，但其卻不具備恒流源功能?，F(xiàn)有的獨(dú)立恒流源多為線性電源，不具備恒壓源功能。目前，電源已朝著數(shù)控化方向發(fā)展，多采用模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化控制，具有高精度、高穩(wěn)定性、拓寬性強(qiáng)的特點(diǎn)[3-4]。

在技術(shù)方面，數(shù)控恒壓恒流源起步較晚，發(fā)展仍不夠成熟，現(xiàn)有的數(shù)控恒壓恒流源性價(jià)比都不高，產(chǎn)品種類也不豐富，因此性能優(yōu)質(zhì)的數(shù)控恒流源具有重大的理論價(jià)值和應(yīng)用前景[5]。

盡管現(xiàn)在的數(shù)控電源很多，如ITEC、KEITHLEY等專業(yè)的數(shù)控電源，但是由于其體積大、重量大，不利于攜帶，同時(shí)還需要重新學(xué)習(xí)其編程語言才能操縱等諸多因素，不便用于在工業(yè)上的測試。因此文中設(shè)計(jì)了以DSPIC33EV128GM106為內(nèi)核的數(shù)控恒壓恒流源，其具有體積小、重量輕、響應(yīng)快并且能夠運(yùn)用C語言編程的特點(diǎn)，利于攜帶而且滿足工業(yè)上快速測試比例閥的需求。該電源在最終測試中可以調(diào)節(jié)MSM-GRFY035F20E67液壓線圈。

1 系統(tǒng)方案

圖1 系統(tǒng)方案圖

系統(tǒng)主要由輔助供電電源、電流檢測、電壓檢測、模式控制、參數(shù)設(shè)定、串口通信、OLED顯示等電路環(huán)節(jié)組成，以DSPIC33EV128GM106為核心控制器件，控制各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)恒壓/恒流的目的。系統(tǒng)控制方法有兩種方式：一種是板載電位器控制，通過調(diào)節(jié)電位器改變輸入電壓從而改變輸出電壓和電流，不同A/D通道反饋的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流會(huì)顯示在OLED屏幕上；另一種是PC模式，通過在上位機(jī)界面設(shè)置輸出電壓或輸出電流從而獲得輸出的電壓或輸出的電流，并能在上位機(jī)界面中顯示電壓-時(shí)間、電流-時(shí)間曲線，從而檢測PI閉環(huán)調(diào)節(jié)是否穩(wěn)定。系統(tǒng)方案如圖1所示。

2 硬件電路

2.1 系統(tǒng)核心控制以及顯示電路

采用DSPIC33EV128GM106的6個(gè)A/D通道，分別是AN0、AN1、AN2、AN3、AN6、AN7口[4]，其中AN0、AN1為手動(dòng)設(shè)置電壓，手動(dòng)設(shè)置電流模式A/D反饋輸入通道；AN2、AN3為外部設(shè)定電壓、電流模式A/D反饋通道；AN6、AN7為輸出電壓、輸出電流模式A/D反饋通道。RC4、RC5、RB5、RB6為OLED顯示屏的接口，采用SPI通信的方式。最終，上述6個(gè)A/D通道的值都會(huì)顯示在OLED屏上，效果見圖2。

2.2 輔助電源穩(wěn)壓電路

多數(shù)工業(yè)前級(jí)輸入電壓為24 V，因此為了滿足工業(yè)需求，該系統(tǒng)供電電壓選擇24 V。但是，由于系統(tǒng)內(nèi)部單片機(jī)及其他芯片不需要24 V的電壓作為電源供電，因此需要本模塊將24 V供電電壓降為其他芯片所需的供電電壓。

圖2 樣機(jī)圖

所選用的芯片是TPS5430，這是一款電源轉(zhuǎn)換芯片，可以以24 V電壓作為它的輸入電壓，根據(jù)芯片手冊(cè)搭建出輸出12 V的電路，之后通過LM317芯片將12 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓，作為單片機(jī)的供電電壓。輔助電源電路如圖3所示。

圖3 輔助電源電路

2.3 主要電路設(shè)計(jì)

圖4電路是以MCP6002芯片為核心的電壓反饋電路。VOUT的輸出電壓通過R4、R5、R1分壓，最終R1上的電壓將進(jìn)入芯片緩沖跟隨輸出，實(shí)現(xiàn)了將大電壓轉(zhuǎn)換成小電壓的功能，兩者之間存在線性關(guān)系，適用于單片機(jī)采集。

圖5的電路繼電器部分是為了防止實(shí)驗(yàn)時(shí)整定PI參數(shù)時(shí)引起電路的崩潰，以及瞬時(shí)電流過大導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)紊亂，通過繼電器控制輸出使能。繼電器通過單片機(jī)的AN51I/O口控制，硬件設(shè)計(jì)為一個(gè)按鍵，當(dāng)按鍵按下，輸出使能，該位置高電平，繼電器中電磁鐵上拉，有電壓電流輸出；再次按下，該位置低電平，電磁鐵復(fù)位，但是內(nèi)部程序仍在運(yùn)行。

圖5電路具有電流采集的功能。AD8417是一款單電源、零漂移差動(dòng)放大器。電流經(jīng)過采樣電阻進(jìn)入芯片內(nèi)部。根據(jù)芯片手冊(cè)AD8417以60V/V的增益放大連接到其輸入端的采樣電阻上，從而測量電流。VFBK端則會(huì)檢測到采樣電阻的電壓值反饋給單片機(jī)。

圖5還具有BUCK電路。UCC27211是一個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器，N1、N2是半橋NMOSFET管。PWM1H、PWM1L是兩路有死區(qū)并且互補(bǔ)的PWM波,分別從R1、R2進(jìn)入半橋驅(qū)動(dòng)器，最終通過改變PWM波占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。

圖4 電壓反饋電路

圖5 主要電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序流程

單片機(jī)程序的編寫運(yùn)用的是MATLAB集成開發(fā)環(huán)境，運(yùn)用的是C語言程序[6]，采用模塊化編程。流程圖如圖6所示。使用DSPIC系列單片機(jī)時(shí)需要將各個(gè)寄存器配置好，在Microchip的官網(wǎng)上會(huì)有樣例代碼給予提示。系統(tǒng)的輸出使能、模式選擇均采用查詢方式在主程序中進(jìn)行。PI閉環(huán)算法則放置在定時(shí)器中斷中，便于定時(shí)輸出結(jié)果。上位機(jī)串口通信的通信協(xié)議也放在串口通信的中斷中。

圖6 程序流程圖

3.2 PI閉環(huán)控制程序設(shè)計(jì)

PID是比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)只采用PD、PI甚至只有P的控制算法也可以滿足需求。該數(shù)控恒流恒壓源中采用的是具有抗飽和積分的PI閉環(huán)控制算法。只要通過調(diào)節(jié)合適的PI控制參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)恒壓恒流輸出的穩(wěn)定。本項(xiàng)目中，單片機(jī)輸出的PWM波的占空比是被控參量?？癸柡头e分的目的是為了保證占空比輸出在5%～95%之間，防止MOSFET管被擊穿破壞電路。

所用的PI算法可以整合為一個(gè)公式：

U(t)=Kp×e(t)+Ki×∑e(t)

其中U(t)為輸出的占空比，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)。e(t)為當(dāng)前測量值與設(shè)定值之間的偏差，設(shè)定值為被減數(shù)，結(jié)果可為正可為負(fù)，正值表示未達(dá)到設(shè)定值，負(fù)值表示超過設(shè)定值?！芿(t)表示每次測量的偏差值總和。實(shí)際程序如下所示：

int PID_CALV2(void){

Kp2 = 1800;/

Ki2 = 1.8;// 0.44;//0.15//3.055

if(ctlmode){

Sv2 = Iset/1000.0;

}

else

{

Sv2 = ((-1.1083 * mr_ADCres[1])+5.5251);

}

Pv2=((-1.1083*mr_ADCres[5]) + 5.5251);//IFBK

Ek2 = Sv2 - Pv2;

pout2 = Kp2 * Ek2;

iout2 = Ki2 * SEK2;

OUT2 = pout2 + iout2;

if(OUT2>2750){

if(Ek2 > 0.0)

SEK2 += 0;

else

SEK2 += Ek2;

}

else if(OUT2<350){

if(Ek2 > 0.0)

SEK2 += Ek2;

else

SEK2 += 0;

}

else

SEK2 += Ek2;

if(OUT2>2750)

OUT2 = 2750;

if(OUT2<350)

OUT2 = 350;

dutytwo = OUT2 ;

PDC1 = (int)dutytwo;

}

4 上位機(jī)設(shè)計(jì)及功能

上位機(jī)的功能是系統(tǒng)不僅能夠通過調(diào)整電位器而改變輸出電壓，而且還能通過上位機(jī)控制電源。目的是保證系統(tǒng)一旦被安裝在任何設(shè)備中，操作者也能在設(shè)備外部操縱該系統(tǒng)。該上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)以下功能:上位機(jī)奪取系統(tǒng)控制權(quán)，顯示輸出電壓、輸出電流值，切換恒壓源、恒流源模式，設(shè)定輸出電壓值、輸出電流值，顯示電壓-時(shí)間、電流-時(shí)間曲線。上位機(jī)界面如圖7所示。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由于該系統(tǒng)最終會(huì)應(yīng)用到比例閥上，因此選用MSM-GRFY035F20E67液壓線圈作為負(fù)載來測試恒壓源和恒流源的功能。表1為恒壓源模式下測試數(shù)據(jù)，表2為恒流源模式下測試數(shù)據(jù)。

表1 恒壓源模式測量數(shù)據(jù)

表2 恒流源模式測量數(shù)據(jù)

圖7 上位機(jī)界面

結(jié) 語

[1] J W Lee, TIn Oh,SMPaek,Jet al.Precision constant current source for Electrical Impedance Tomography[J].Annual International Conference of the IEEE;EMBS,2003,30(6):1066-1069.

[2] 黃天辰,榮廣宇,李丹丹,等.高精度數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2013,40(1):80-83.

[3] 吳光宇. 基于ARM的程控直流恒流源設(shè)計(jì)[D].蘇州：蘇州大學(xué),2014.

[4] 黃天辰,賈嵩,余建華,等.高精度數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013(6):27-29.

[5] Microchip.dsPIC33EP256GM604 datasheet PDF[EB/OL].[2018-03].http://www.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/7000.

[6] 徐雨冰.基于51單片機(jī)的數(shù)控可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技信息,2016(27):127-129.