基于SOPC/FPGA嵌入式的高頻阻垢水處理器設計與開發*

崔旭晶,崔秀艷

(沈陽理工大學信息科學與工程學院,沈陽110015)

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基于SOPC/FPGA嵌入式的高頻阻垢水處理器設計與開發*

崔旭晶*,崔秀艷

(沈陽理工大學信息科學與工程學院,沈陽110015)

摘要:設計了一種基于SOPC/FPGA嵌入式技術的智能化高頻電磁場阻垢水處理器。該系統利用可編程芯片FPGA和以NiosⅡ嵌入式CPU為核心的SOPC系統作為信號處理和控制方法。設計由DDS芯片產生的高頻振蕩信號及其大功率功放電路,開發帶彩色觸摸屏的人機交互界面及各種控制功能,給出系統硬、軟件設計,實現了系統智能化設計和實時監控功能。本設備科技含量高,具有實時監控及智能控制強大、直觀和易于操作等特點。

關鍵詞:SOPC嵌入式;阻垢;高頻振蕩;DDS信號;功放;彩色觸摸屏

在工業生產和民用生活中廣泛使用著各類水系統,它們以液態水為傳熱介質進行熱量傳輸和交換。液態水容易在設備上結垢,結垢速率與水質的硬度、流量等因素有關,通常情況下水垢以方解石結晶析出,質地堅硬,牢固的黏結在器壁上,它的導熱性能很差,存在安全隱患,用水設備在使用過程中還存在鐵銹腐蝕和藻類滋生等現象,所以必須予以消除。這里研制了一款SOPC/FPGA嵌入式的智能高頻電磁場阻垢水處理器,它由高頻阻垢機和嵌入式控制系統構成,具有較高的智能化操作和實時監控功能。目前可見一些MCU控制的高頻電磁場設計[1-2],未見嵌入式的智能高頻電磁場設計文獻。

1　高頻電磁場阻垢技術原理

目前國內外對高頻電磁場處理水的機理研究還處在探討階段,對有關物理參數的改變及機理尚無定論。近年來,通過研究已經發現,管道水質在電磁場能量的作用下,水分子會降低聚集力,不易形成大締合狀態的水分子團,通過電磁場而生成小締合態或單個水分子很容易被鈣、鎂離子所吸附,進而能夠阻止碳酸鹽微晶面的形成和生長,而且使得碳酸鹽分子團成為非晶狀的絮狀體,因此很容易被水流沖走。同時被高頻能量激活的水分子具有極強的侵潤和滲透性,極易在結垢層的微縫隙中做高頻振蕩,因此會使水垢松散、脫落,隨著微縫隙的不斷擴大,最終會將管壁水垢清洗干凈。同時研究還發現,高頻電磁場水處理器亦能夠防止管壁的化學與電化學腐蝕,抑制微生物生長,具有防腐防銹、殺菌滅藻的功能[3-4]。

2　高頻阻垢機設計

高頻阻垢水處理器由SOPC控制系統、高頻阻垢機和被處理水系統構成,系統結構如圖1所示,其中,高頻阻垢機由DDS高頻信號產生模塊、高頻振蕩及功放電路組成。

圖1　系統結構圖

2.1DDS高頻信號產生模塊

高頻信號產生模塊是整個硬件控制單元的重要組成部分,這部分性能的好壞,直接關系到最終的水處理效果。要求高頻信號產生模塊能夠產生高頻率、穩定的信號,且頻率能夠根據智能控制算法在一定頻率范圍內進行快速切換。這里采用FPGA控制DDS芯片實現函數信號發生器,如圖2所示。

圖中DDS芯片采用市場上比較流行AD985X系列中的AD9850,它是AD公司生產的最高時鐘為125 MHz、采用先進CMOS技術的直接頻率合成器,芯片內部主要由可編程DDS系統、高性能模數變換器(DAC)和高速比較器3部分構成,能實現全數字編程控制的頻率合成。

可編程DDS系統的核心是相位累加器,由一個加法器和一個N位相位寄存器組成,N一般為24 bit～32 bit。每來一個外部參考時鐘,相位寄存器便以步長M遞加,相位寄存器的輸出與相位控制字相加后輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個正弦波周期的數字幅度信息,每一個地址對應正弦波中0°～360°范圍的一個相位點。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號,然后驅動DAC輸出正弦模擬量。輸出的正弦波頻率fo=M·fc/2N,這里取參數值為:外部參考時鐘頻率fc=125 MHz,正弦波輸出頻率fo=0～10 MHz,相位寄存器N=32 bit,可求出頻率控制字M的值(由FPGA計算提供)。輸出信號最小頻率(分辨率)fomin=fo/2N,輸出信號最大頻率fo=fc/2N。

圖2　DDS高頻信號產生模塊

DAC滿量程輸出電流通過一個外接電阻RSET調節,典型值為3.9 kΩ,此處為RW1=0～10 kΩ。將DAC的輸出經低通濾波器平滑濾波后(見圖中上部分的切比雪夫濾波器),可以得到抖動很小的正弦波,正弦波經內部的高速比較器可轉換為方波[5-7]。AD9850有40 bit控制字,32 bit用于頻率控制(低32 bit),5 bit用于相位控制,1 bit用于電源休眠控制,2 bit用于選擇工作方式。這40 bit控制字由FPGA以串行方式輸入到AD9850,在串行輸入方式下,W-CLK上升沿把25引腳(40 bit的DATA數據)的1 bit數據串行移入,當移動40 bit后,用一個FQ-UD脈沖即可更新輸出頻率和相位。

FPGA經過計算,給W_CLK、FQ_UD、DATA、RESET 4個引腳寫入指令,設置需要產生的頻率,再由IOUT、IOUTB引腳輸出兩路相位相差180°的正弦波信號,此時產生的正弦波頻率為0～10 MHz、峰峰值為1 V。

2.2高頻振蕩及功率放大電路

由DDS模塊產生的高頻正弦信號幅值較低,只有峰峰值1V,需要進一步放大到峰峰值70 V～90 V、功率100 W的大功率可調信號。高頻振蕩及功率放大電路如圖3所示,它由三極管一級推挽放大電路和MOS管二級功率放大電路組成,經過線圈耦合將信號輸出,最后得到阻垢所需要的大功率高頻振蕩信號。圖示為兩通道電路,其結構相同。

為了驅動各種管子,正弦輸入信號需適當放大后,先接入三極管推挽前置放大電路中,三極管放大電路是電壓跟隨器,可把電流放大,經過第1、2級推挽電流前置放大后,再接入功率放大電路中,MOS功率管(均為TMOS管)接成共源級放大電路形式,具有電壓、電流放大作用,經過2個MOS管互補功放的耦合輸出,最終得到峰峰值70 V～90 V、功率100 W的高頻振蕩信號。

由于水處理器的工作頻率比較高,一般為5 MHz、6 MHz,為了降低鐵芯損耗,采用空氣耦合的空心變壓器作為輸出變壓器。變壓器副邊分為兩路,一路接電路正常工作的指示燈LED2,另一路通過設備接口CN5接水處理器輔機中的四氟電極(發出高頻振蕩),可調負載電容CW1、CW2為0～50 pF,負載電容100 pF～700 pF。

圖3　高頻振蕩及功率放大電路

3　SOPC控制系統設計

SOPC控制系統包括帶觸摸屏高頻阻垢系統人機交互界面設計、各種控制功能和實時監控功能實現。開發板采用ALTERA公司EP3C40 FPGA開發套件V6工作平臺,FPGA器件為EP3C40F484C6。SOPC控制系統框圖如圖4所示,為了完成復雜的系統控制功能,需要使用QuartusⅡ9.1中的SOPC Builder配置完整系統組件[8-9],包括NiosⅡCPU、JTAG UART、DDR2控制器、CFI控制器、LCD顯示驅動及觸摸控制IP核(自定義)、定時器、鎖相環和PIO并行輸入/輸出等。系統采用AVALON總線傳輸規則,所有設備模塊都經過總線相互訪問。圖中粗實心雙向箭頭線表示模塊間數據傳輸線路,細箭頭線表示部分模塊間訪問權限及規則方式。

圖4　SOPC控制系統框圖

3.1觸摸屏操作界面設計

觸摸屏操作界面包括4個:用戶幫助界面、環境狀態輸入界面、鍵盤輸入界面和功能控制界面,依次如圖5所示,這些界面圖片的顯示與操作,采用C語言編程并與SOPC Builder組件相結合來實現。用戶幫助界面指導用戶如何操作該設備;環境狀態輸入界面用于輸入當前環境情況,如:使用壓力、水溫、工作頻率、功放數目、環境溫度及濕度等;鍵盤輸入界面用來輸入數值;功能控制界面可以控制設備頻率及功放機開關,如:頻率選擇、功率選擇、參數設定等,實現功能控制。

圖5　觸摸屏操作界面

圖6　系統聯調和裝置結構圖(兩通道)

3.2軟件設計及調試

(1)基于32 bit avalon總線傳輸RGB數據流設計

要實現顯存數據的讀寫操作,需把圖片數據生成圖片RGB數據,再將RGB數據通過總線傳輸到顯存當中,這需要符合總線傳輸的數據傳輸規則,在軟件中就是要實現Avalon總線地址對齊,即本地地址對齊與動態地址對齊。

(2)圖片顯示與界面載入實現

當需要顯示界面時,CPU會在短時間內向顯存所在地址連續寫入大量RGB數據,此數據寫滿一屏時,CPU終止向顯存寫入數據,轉而向顯示驅動發送,包括顯存起始地址、顯存地址范圍、使能信號、顯示開始信號等,使顯示驅動工作,然后CPU進入觸摸信號檢測來執行下一項操作。其他各界面的顯示原理與用戶幫助界面顯示原理相同。

(3)觸摸控制功能實現

設計中需要通過觸摸來實現控制功能。當觸摸屏幕時,觸摸屏會向系統PIO口反饋一個觸摸有效值,此值會和觸摸時間同步,系統通過讀取當前PIO口值,來確定是否執行當前功能。

(4)NiosⅡIDE9.1軟件調試及下載

運行NiosⅡIDE軟件,在新建工程中,添加QuartusⅡ9.1硬件系統工程所在目錄的ptf文件,選擇Hello world作為模版,完成軟件工程的創建,再配置工程的系統屬性,將軟件代碼替換工程中的hello world代碼,編譯程序,然后在線運行當前程序,驗證其功能,最后下載系統到Flash,保證系統關電后,開機時Flash自動將配置信息讀出送給EPCS,使器件脫機工作[10]。

4　系統聯調及裝置結構

嵌入式高頻阻垢系統由高頻阻垢機與SOPC控制系統相連構成,如圖6左側所示。將開發板的外接引腳與高頻阻垢機相連,然后將高頻阻垢機與示波器相連,打開高頻阻垢機的開關電源,再打開開發板電源,完成高頻阻垢機與開發板上電,此時系統已經運行,按照顯示操作運行控制系統,可以查看到高頻振蕩的正弦輸出波形。

高頻阻垢水處理器由主機——帶觸摸屏的大功率高頻信號發生器、輔機——帶四氟電極的水處理室、進水口法蘭和出水口法蘭組成,如圖6右側所示。2個法蘭用于輔機與安裝設備的管道相連,主機和輔機可做成一體式或分體式,主機和輔機之間用同軸電纜連接。經過調試運行和實際使用,高頻阻垢水處理器可達到的技術指標為:使用壓力10 kg·F/cm2～16 kg·F/cm2,每通道輸出功率100 W(共4通道),可調頻率范圍0～10 MHz,最佳工作頻率5 MHz、6 MHz,正弦波輸出電壓70 V～90 V(p-p),電源電壓220 V/380 V(50 Hz/60 Hz),進出水口直徑不限,水流量、硬度不限,工作溫度≤200 ℃,環境溫度≤50 ℃,相對濕度<90%,阻垢率≥95%。

5　結語

嵌入式高頻阻垢水處理器具有功能強大、實時監控、易于觀察和反饋信息量大等特點。經過系統調試和實際使用,達到了相應技術要求,取得較好的阻垢效果,實現了產品的智能化設計,是高頻電磁阻垢設備中科技含量較高的新產品,可作為這類設備的更新換代產品。

參考文獻:

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[10]Altera Corp.NiosⅡ Software Developer’s Handbook[DB/OL].http//:www.altera.com.cn,2007.

崔旭晶(1964-),女,漢族,天津市人,沈陽理工大學信息科學與工程學院,副教授,碩士,研究方向為嵌入式技術、集成電路設計,xujing-1019@163.com。

BasedonSOPC/FPGAEmbeddedHigh-FrequencyScaleInhibitionWaterProcessorDesignandDevelopment*

CUIXujing*,CUIXiuyan

(School of Information Science and Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110015,China)

Abstract:Based on SOPC/FPGA embedded technology,intelligent high frequency electromagnetic field scale inhibition water processor was designed.The system uses programmable chip FPGA and Nios Ⅱ embedded CPU in the core of the SOPC system as the signal processing and control methods.The high-frequency oscillation signal is generated by DDS chip and the power amplifier circuit is designed.It is developed with color touch-screen interactive interface and a variety of control functions.The hardware and software designs of the system are given out,and an intelligent design system and the real-time monitoring functionality are achieved.The high-tech equipment have real-time monitoring and intelligent control functions with powerful,intuitive features and it is easy to operate.

Key words:SOPC embedded;scale inhibition;figh-frequency oscillation;DDS signal;power amplifier;color touch-screen

doi:EEACC:772010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.029

中圖分類號:TP368;TQ085

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0932-05

收稿日期:2013-09-03修改日期:2013-09-29

項目來源:遼寧省教育廳高校科研計劃項目(L2010482)