基于DSP和ARM的微弧氧化電源控制系統設計

劉晶，曹彪

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640）

基于DSP和ARM的微弧氧化電源控制系統設計

劉晶，曹彪

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640）

為了解決目前微弧氧化電源控制系統中存在的實時性不高，人機交互復雜的問題，提出了一種基于DSP數字信號處理器TMS320F28335和ARM微處理器S3C2440的雙核構架控制系統方案，并完成軟硬件設計。其中DSP控制模塊負責微弧氧化過程中多信息檢測，數據處理及實時控制，ARM控制模塊完成觸摸屏人機交互功能和數據管理，兩個芯片之間采用SPI總線通信。實際應用表明，該系統具有響應速度快，人機界面友好的特點，達到了設計要求。

DSP；ARM；微弧氧化；SPI總線；Linux

微弧氧化是一種利用電解液和微電弧的綜合作用在鋁、鎂等有色金屬及其合金制品表面生成高阻態、耐腐蝕、耐磨損的陶瓷質氧化物膜層的表面處理技術，能顯著提高金屬表面性能，在航空、航天、機械、電子以及生物材料等領域有廣泛的應用前景［1_2］。目前微弧氧化電源的控制系統存在以下問題：多以普通單片機為核心，存在算法單一，控制精度不高，系統響應能力不好等問題。此外，人機交互大多采用的是按鈕、數碼管、指示燈組合，使得操作方式過于復雜［3_4］。

電子技術的飛速發展，對微弧氧化電源的實時性和操作性提出了更高的要求，因此，本文設計了一種DSP+ARM雙核構架的微弧氧化電源嵌入式控制系統，其中高性能的數字信號處理器DSP用來完成微弧氧化過程中電信號的采集與實時控制，ARM上通過移植Linux操作系統，開發Qt應用程序，實現觸摸屏人機交互，且具有豐富的接口擴展功能。

1　系統總體設計

微弧氧化電源系統整體結構框圖如圖1所示，由主電路和控制系統兩部分組成。

圖1　微弧氧化電源系統整體結構框圖

主電路是基于傳統的兩級逆變式結構，由輸入整流濾波電路、功率逆變電路、高頻變壓器、次級整流濾波電路及斬波逆變電路組成［5］。功率逆變電路和斬波逆變電路均采用全橋逆變結構，由IGBT開關管、反并聯二極管以及阻容吸收電路構成。通過改變功率逆變電路的驅動信號PWM的占空比實現輸出波形幅值的調節，通過控制斬波逆變電路可以得到直流、單脈沖、變極性脈沖等不同形式輸出波形。

控制系統主要由DSP和ARM及其外圍控制電路構成，包括最小系統設計電路、電信號采集與保護電路、觸摸屏接口電路、通訊接口電路和驅動電路。工作過程是通過觸摸屏設定工作參數，選擇控制模式，啟動微弧氧化過程，DSP采集主電路中的電壓和電流值，經過PID運算實時更新PWM占空比實現閉環控制，使電信號穩定在給定值。

2　控制系統硬件設計

2.1主控芯片選擇

為了滿足微弧氧化電源對控制系統實時性和精確性的要求，DSP選用TI公司的C28X系列的高性能數字信號處理器TMS320F28335。該芯片具有高性能的32位CPU，150 MHz的高速處理能力，并且有ADC模塊、增強型PWM模塊、串行外設接口SPI模塊等豐富的集成外設，極大的方便了電路設計。

微處理器選用的是三星公司的S3C2440芯片，是ARM920T內核32位的精簡指令構架，集成了內存管理單元支持Linux等嵌入式操作系統的移植。S3C2440還提供豐富的內部設備，支持多種觸摸屏尺寸的LCD控制器，SPI通信接口等。

2.2外圍電路設計

采樣電路采用霍爾電壓、電流傳感器分別對負載電壓、電流信號進行檢測，采集到的信號經濾波、有效值處理、運算放大后輸入DSP的AD采樣口。驅動電路采用高速光耦隔離后放大的驅動方式，實現對主電路中MOSFET和IGBT器件的開通與關斷控制。故障保護電路可以實現對電源控制中過電流、過電壓、過熱的檢測與保護。

人機交互界面的硬件選用群創公司型號為AT070TN83 的7寸觸摸屏，分辨率為800×480，40針的LCD接口與控制板連接。

2.3DSP和ARM的接口設計

兩個芯片之間采用的是SPI總線通信，SPI是Motoro1a公司提出的一種同步串行外設接口協議總線［6］。它具有標準的傳輸協議，占用接口線少，傳輸效率高。本系統采用標準四線制接口，分別是串行時鐘線SCLK、主輸入從輸出線MISO、主輸出從輸入MOSI以及從機選擇線NSS［7］。本控制系統中S3C 2440為主機，發送時鐘脈沖SCLK，當拉低NSS電平時，使能從器件DSP進行數據交換。

3　控制系統軟件設計

3.1DSP軟件開發

DSP模塊對微弧氧化電源中兩級逆變電路的控制是采用輸出PWM信號控制前級功率逆變，通過控制PWM占空比實現對輸出脈沖幅值的調節。后級斬波電路的控制信號由定時器控制I/O的高低電平進行控制。為了減少功率損耗，對兩級逆變電路采用協同控制，在斬波逆變電路有脈沖輸出時，輸出PWM波形，功率逆變電路工作。

DSP主程序控制流程圖如圖2所示。首先對系統進行初始化，然后循環等待ARM發送的控制指令，讀取SPI總線上的控制參數。開啟定時器，啟動PWM模塊，輸出PWM控制信號驅動功率逆變電路中IGBT工作，同時觸發AD采樣模塊，對采集的電壓或電流值進行PID運算實時更新PWM信號的占空比，實現對系統的快速準確控制，達到處理時間后，結束微弧氧化過程。

圖2　DSP軟件程序控制流程圖

微弧氧化是時變、非線性的過程［8，9］，傳統PID控制方法很難滿足系統控制要求。變極性輸出時，膜層負載對正脈沖和負脈沖的動態響應不同，正脈沖作用時負載呈現為高電壓、低電流的高阻抗容性負載，負脈沖作用時系統則呈現為低電壓、大電流的低阻抗阻性負載。針對微弧氧化過程中正負脈沖作用時負載特性的差異及系統不同狀態對控制的不同要求，本文采用一種變結構的增量式PID控制方法，如圖3所示。在正負脈沖輸出時，采用不同的控制參數對輸出電壓及電流進行調節。

3.2SPI通信的實現

在ARM上移植了嵌入式Linux操作系統［10，11］，要實現與DSP的通信，需要完成SPI驅動程序的開發。設備驅動程序是操作系統內核與機器硬件之間的接口，為應用程序屏蔽了硬件使用細節，當作設備文件處理［12］。

SPI設備驅動程序的開發主要有fi1e_operation結構體的填充和相關設備操作函數的實現。SPI設備初始化函數中完成控制寄存器的地址映射和SPI總線引腳電平的上拉。在SPI設備的open（）函數中完成配置SPI模塊的GPIO端口，使能外設時鐘，設置預分頻寄存器，配置波特率以及通信模式的選擇。SPI設備的寫函數拉低NSS引腳使能從機DSP，從用戶空間讀取數據到內核空間，然后將數據寫入到發送寄存器。

DSP工作在從控制器模式下，傳輸率由ARM主控制器提供的串行位移時鐘SPICLK決定，配置SPI模塊的端口，初始化控制寄存器，使能中斷，采用中斷的方式接收數據。

3.3圖形用戶界面的移植與開發

人機交互功能是通過在Linux操作系統上移植開發Qt應用程序來實現的。Qt是一種跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發框架，具有很好的可配置性，適用嵌入式系統圖形用戶界面開發，Qt的事件驅動和信號與槽的編程模型，為用戶提供了很大的靈活性［13］。

文中QT應用程序是在宿主機上開發，移植到ARM板上運行，需要搭建QT的開發環境，主機版本是Ubuntu12.10，交叉編譯器版本是arm_1inux_gcc_4.3.3。在Qt Creator下開發圖像用戶界面程序，交叉編譯，移植到目標機［14］，開發流程如圖4所示。

圖3　變結構PID控制算法軟件流程圖

圖4　QT程序開發流程圖

開發的微弧氧化電源的參數設定界面如圖5所示，用戶可以進行控制模式輸出方式的選擇，控制方式有電壓控制和電流控制，輸出方式有直流、單脈沖、變極性脈沖不同方式，并且通過彈出的小鍵盤進行工藝參數的設定。也可以“調出”文件系統上已經保存的實驗工藝參數避免使用常用參數時的逐個輸入問題［15］。

圖5　人機交互界面

4　結論

本文設計了一種DSP+ARM雙核構架的微弧氧化電源控制系統，充分發揮了DSP的高速數據處理能力和ATM強大的事務管理功能。該系統可以滿足微弧氧化過程中實時性和準確性的要求，實現觸摸屏人機交互，功能完善，可擴展性強，具有很大的市場價值。

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The deslgn of Mlcro arc oxldatlon PoWer suPPly control system based on DSP and ARM

LIU Jing，CAO Biao
（College of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

In order to improve the rea1_time qua1ity and simp1ify the man_machine interaction of the micro arc oxidation power contro1 system，an embedded contro1 system based on DSP digita1 signa1 processor TMS320F28335 and ARM microprocessor S3C2440 is designed in this paper.The DSP is used to detect information，process data and achieve rea1 time contro1 during the micro arc oxidation process.The ARM is used to accomp1ish the function of human_machine interaction and data management. The communication between the two cores is through SPI.The experiment and app1ication show that this test system has the characteristics of fast response，good man_machine interaction，and achieve the design requirement.

DSP；ARM；Micro arc oxidation；SPI bus；Linux

TN86

A

1674_6236（2016）10_0088_03

2016_02_02稿件編號：201602007

廣東省_教育部產學研結合項目（2012B091100347）

劉晶（1992—），女，湖北老河口人，碩士研究生。研究方向：數字化電源控制系統研究。