中心議題：

• 探討測試係統數字穩壓電源的設計方案

解決方案：

• 采用S3C2440為核心處理器
• 采用PID控製以保證電壓電流精度和穩定度

引 言

直流穩壓電源是一種比較常見的電子設備，一直被廣泛地應用在電子電路、實驗教學、科學研究等諸多領域。近年來，嵌入式技術發展極為迅速，出現了以單片機、嵌入式ARM 為核心的高集成度處理器，並在自動化、tongxindenglingyudedaoleguangfanyingyong。dianyuanxingyeyekaishicaiyongneibujichengziyuanfengfudeqianrushikongzhiqilaishixianshuziwenyadianyuandekongzhixitong。shuziwenyadianyuanshiyongmaikuantiaozhibo（PWM）來控製MOS管等開關器件的開通和關閉，從而實現電壓電流的穩定輸出。數字穩壓電源還具備自診斷功能，能實現過壓過流保護、故障警告等。

相比之前的模擬電源，數字穩壓電源大大減少了在模擬電源中常見的誤差、老化
、溫度漂移
、非線性不易補償等諸多問題
，提高了電源的靈活性和適應性。將SAMSUNG公司的嵌入式ARM 處理器S3C2440芯片應用到實驗室測試係統數字穩壓電源的設計中，采用C語言和彙編語言
，實現一種以嵌入式ARM 處理器為核心，具備PID控製器以及觸摸屏等功能的測試係統數字穩壓電源控製係統。

1 測試係統數字穩壓電源組成及工作原理

數字穩壓電源由主控製器、PWM 穩壓電路、電壓電流取樣電路、PID控製器、觸摸屏組成
，係統原理框圖如圖1所示。

圖1 係統原理框圖

本電源對輸出的電壓電流信號進行采樣
，進行PID控製，最後輸出PWM 驅動波形調節輸出電壓。輸出電壓提供給芯片測試平台，供其測試芯片時使用。

前端交流電源輸入到整流模塊
，經整流濾波後輸出平穩的直流電壓。該直流電壓直接輸出至IGBT模塊。

高精度A/D轉換器將後端輸出的電壓電流信號由模擬信號量變為數字量供給S3C2440進行數字PID運算，經過PID 控製器運算後，由S3C2440輸出PWM 至IGBT,從而構成一個閉環控製係統
，控製電壓電流穩定輸出，從而實現數字穩壓電源設計，提供給芯片測試係統使用。ARM 控製器通過觸摸屏實現人機交互界麵，在觸摸屏上設置參數和顯示信息。

2 硬件設計

2.1 ARM 控製係統組成

鑒於PID運算和PWM 波輸出模塊要求高
，通過考查
，選擇SAMSUNG公司的S3C2440,這是一款32位基於ARM920T內核的CPU,擁有高達400MHz的頻率，完全能滿足PID控製器運算的實時性要求；16位的定時器
，可實現精度高達0.03μs的PWM 脈衝波，並且有防死區功能；24個外部中斷源，完全可以滿足對係統外部故障信息進行實時響應；內部嵌入LCD控製器，並擁有DMA通道，使得電壓電流值能夠實時顯示在LCD上
，還可以通過觸摸屏設計一些所需的參數；多達140個通用I/O口，可以方便地擴展外部接口和設備；擁有8通道多路複用ADC,10位的數字編碼，高達500kSPS轉換率，滿足了測試係統所需的A/D轉換精度。

2.2 PWM 穩壓電路設計

脈衝寬度調製（Pulse Width Modulation,PWM）原理是PWM 調tiao製zhi信xin號hao對dui半ban導dao體ti功gong率lv開kai關guan器qi件jian的de導dao通tong和he關guan斷duan進jin行xing控kong製zhi，使shi輸shu出chu端duan得de到dao一yi些xie列lie幅fu值zhi相xiang等deng而er寬kuan度du不bu相xiang等deng的de脈mai衝chong，經jing過guo處chu理li後hou得de到dao穩wen定ding的de直zhi流liu電dian壓ya輸shu出chu。

PWM 調製信號由ARM 主控製器根據設定的電壓值，按一定的規則對各脈衝寬度進行調製後給出脈衝信號。

PWM 穩壓電路如圖2所示。

圖2 PWM 穩壓電路

半導體功率開關器件其開關轉換速度的快慢直接影響電源的轉換效率和負載能力
，本係統PWM 穩壓電路中，驅動電路由電阻、電容
、晶體管和場效應管組成，MOSFET是電壓單極性金屬氧化矽場效應晶體管，所需驅動功率很小
，容易驅動。MOSFET的de輸shu入ru阻zu抗kang很hen高gao，其qi導dao通tong和he關guan斷duan就jiu相xiang當dang於yu輸shu入ru電dian容rong充chong放fang電dian過guo程cheng。根gen據ju所suo選xuan器qi件jian的de參can數shu
，計ji算suan出chu滿man足zu的de條tiao件jian，保bao證zheng驅qu動dong電dian路lu提ti供gong足zu夠gou大da的de過guo充chong電dian流liu，實shi現xianMOSFET 快速、可靠的開關。

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3 軟件設計

采用S3C2440為核心處理器，其豐富的片上資源和優秀的運算速度，保證了係統的實時性，編寫軟件主要以C語言進行驅動和應用程序的開發
，其大容量存儲器，完全能滿足係統程序的數據存儲。

該測試係統中ARM 處理器所要實現的主要功能和軟件實現方法如下。

3.1 PWM 波產生

PWM 用於對電路中IGBT 的驅動。根據輸出采樣
，設定和調整定時器配置寄存器TCFGn 和定時器n計數緩存寄存器TCNTBn中的值來改變輸出PWM 波的周期和脈衝寬度。修改TCNTBn的值可以控製PWM 波的占空比增加或減少1,PWM 輸出占空比增加或者減少千分之一，可以達到千分之一的控製精度。

3.2 監控和保護係統

為了使數字穩壓電源能夠可靠
、安全地為測試係統提供電壓，該係統設置了監控和保護係統，主要用於過流保護和過壓保護等，ARM 處理器對電壓和電流采用雙重檢測，當電壓電流超出所設定的危險值範圍時，聲光報警
，並啟動保護電路。

3.3 PID控製算法

PID控製器由比例、積分
、微分控製器組合，將測量的受控對象（在本係統中為電壓電流值）與設定值相比較，用這個誤差來調節係統的響應
，以達到動態實時的控製過程。

在數字穩壓電源PID控kong製zhi係xi統tong中zhong
，使shi用yong比bi例li環huan節jie控kong製zhi電dian壓ya電dian流liu的de輸shu出chu與yu輸shu入ru誤wu差cha信xin號hao成cheng比bi例li改gai變bian，但dan是shi這zhe裏li會hui存cun在zai一yi個ge穩wen態tai誤wu差cha
，即ji實shi際ji值zhi與yu給gei定ding值zhi間jian存cun在zai的de偏pian差cha
，因yin此ci需xu要yao引yin入ru積ji分fen環huan節jie來lai消xiao除chu穩wen態tai誤wu差cha以yi提ti高gao係xi統tong精jing度du。但dan由you於yu電dian源yuan係xi統tong在zai導dao通tong、關(guan)斷(duan)時(shi)
，產(chan)生(sheng)積(ji)分(fen)積(ji)累(lei)，會(hui)引(yin)起(qi)電(dian)壓(ya)電(dian)流(liu)超(chao)調(tiao)，甚(shen)至(zhi)會(hui)出(chu)現(xian)震(zhen)蕩(dang)。為(wei)了(le)減(jian)小(xiao)這(zhe)方(fang)麵(mian)的(de)影(ying)響(xiang)，設(she)定(ding)給(gei)定(ding)一(yi)個(ge)誤(wu)差(cha)值(zhi)範(fan)圍(wei)，當(dang)電(dian)壓(ya)電(dian)流(liu)與(yu)設(she)定(ding)工(gong)作(zuo)值(zhi)的(de)誤(wu)差(cha)小(xiao)於(yu)這(zhe)一(yi)給(gei)定(ding)值(zhi)時(shi)


，采(cai)用(yong)積(ji)分(fen)環(huan)節(jie)去(qu)消(xiao)除(chu)係(xi)統(tong)比(bi)例(li)環(huan)節(jie)產(chan)生(sheng)的(de)穩(wen)態(tai)誤(wu)差(cha)。PID控製算法設定閾值ε，當|e（k）|>ε時，采用PD控製環節
，減少超調量，使係統有較快的響應；當|e（k）|<ε時，采用PID控製，以保證電壓電流精度和穩定度。在電壓達到千分之一精度範圍後
，需要加入積分環節，以完成電源開機時迅速穩定的輸出。PID算法流程圖如圖3所示。

圖3 PID控製算法流程圖。

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PID控製算法程序采用結構體定義：

struct PID{

unsigned int SetPoint; //設定目標Desired Value

unsigned int Proportion; //比例常數Proportional Const

unsigned int Integral; //積分常數Integral Const

unsigned int Derivative; //微分常數Derivative Const

unsigned int LastError; //Error[-1]

unsigned int PrevError; //Error[-2]

unsigned int SumError; //Sums of Errors

}spid;

在PID控製算法中，經過不斷與給定值進行比較，動態控製電壓電流輸出的穩定，同時確保電壓電流輸出的精度。

PID控製算法程序如下：

unsigned int PIDCalc（struct PID *pp,unsigned int Next-Point）

{

unsigned int dError,Error;

Error=pp->SetPoint-NextPoint; //偏差

pp->SumError+= Error; //積分

dError=pp->LastError-pp->PrevError; //當前微分

pp->PrevError=pp->LastError;

pp->LastError= Error;

return（pp->Proportion* Error //比例

+pp->Integral*pp->SumError //積分項

+pp->Derivative*dError）； //微分項

}

3.4 係統程序

測試係統的整體程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

本文所設計的測試係統數字穩壓電源能夠滿足芯片測試所需的電源要求。圖5為輸出的一路電壓。由圖可知，所輸出的電壓穩定。

4 結 語

本文設計的穩壓電源提供的電壓穩定可靠，係統運行也非常穩定。由於可擴展的I/O feichangduo，keyitongshiweiduogexinpiantigonggezhongsuoxudewenyadianyuandianyazhi。gaixitongbujinnenggouyongzaishiyanshixinpianceshigongzuozhong，erqiekeyitongguoruanjianbianchengdefangfa
，xiugaiyixiekongzhichengxu，shisuoshejidewenyadianyuanzuoweizhinengdianzichanpinxingnengceshidedianyuandianya，zheyangtigaoleshebeideshiyongxiaolv
，youzhebucuodeyingyongqianjing。

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