基于ARM的數(shù)字量輸出單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/席赫

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，加快城市之間的經(jīng)濟(jì)相互促進(jìn)，國家大力發(fā)展城市的地鐵城軌，其快速的發(fā)展也減輕了城市的交通壓力。同時(shí)為了減輕車輛的重量，增加車輛的可靠性，擁有電流等級(jí)更大、可靠性更高、體積更小、價(jià)格更低的數(shù)字量輸出單元呼之欲出。相對傳統(tǒng)的數(shù)字量輸出采用的是有觸點(diǎn)的繼電器、接觸器和按鈕去實(shí)現(xiàn)。使用無觸點(diǎn)的電子開關(guān)可以釋放機(jī)柜內(nèi)的空間，增加散熱性，大大降低了有觸點(diǎn)繼電器長時(shí)間使用的觸點(diǎn)黏連的弊端現(xiàn)象。因此新型的數(shù)字量輸出單元對地鐵和城軌車輛的發(fā)展有著重要的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

圖1：數(shù)字量輸出單元的總體結(jié)構(gòu)

2 數(shù)字量輸出單元的總體結(jié)構(gòu)

數(shù)字量輸出的總體結(jié)構(gòu)主要由ARM控制芯片，隔離供電電源，驅(qū)動(dòng)短路保護(hù)芯片，輸出電子開關(guān)MOSFET，過流采樣電路，輸出自檢電路組成。如圖1所示為數(shù)字量輸出單元的總體結(jié)構(gòu)。

圖2：IR21271的設(shè)計(jì)原理圖

圖3：保護(hù)電流隨溫度的變化曲線

圖4：隔離電源仿真原理圖

圖5：固定頻率下，200uH-1000uH仿真輸出電壓波形

3 數(shù)字量單元的硬件保護(hù)設(shè)計(jì)

數(shù)字量單元集成10路輸出，由于每一路都需要單獨(dú)的接入設(shè)備，為了保證輸出單元的可靠性，每一路輸出都有獨(dú)自的短路保護(hù)及過流檢測電路，單路輸出持續(xù)電流3A，瞬時(shí)電流可以達(dá)到30A。并且為了保證輸出的準(zhǔn)確性，在輸出側(cè)采用了輸出自檢電路，以保證接受到的信號(hào)與輸出的信號(hào)保持一致。

3.1 數(shù)字量輸出單元的短路保護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)輸出的特性，輸出端的電子開關(guān)采用的是MOSFET，選用的驅(qū)動(dòng)芯片是IR21271SPBF。在實(shí)際情況下短路的電流在短時(shí)間內(nèi)是額定電流的十幾倍，為了保證MOS管在短時(shí)間能承受較大的電流，短路保護(hù)通過硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。短路保護(hù)閾值范圍可以通過阻容大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而避免MOS工作在非安全工作范圍。為了避免噪聲的干擾選用閾值電壓為1.8V的IR21271S而非0.25V的IR2127S，此款驅(qū)動(dòng)芯片的還具有欠壓保護(hù)功能，在電壓低于7V時(shí)，輸出端不再輸出。如圖2所示為IR21271S的原理圖。

對于短路保護(hù)閾值的計(jì)算根據(jù)所選用的MOS管，其內(nèi)阻會(huì)隨溫升逐漸增大，由于內(nèi)阻的不確定，而短路和過流時(shí)的保護(hù)電流和溫度存在關(guān)聯(lián)，根據(jù)下列公式，只能計(jì)算出CS腳合適的阻值。為了保證CS腳的干擾小一些，同時(shí)會(huì)在CS腳與輸出的地端并聯(lián)2-4nF的電容。

根據(jù)選用的MOSFET的數(shù)據(jù)手冊我們可以查找到不同溫度下的對應(yīng)內(nèi)阻值的曲線圖，根據(jù)曲線圖可以得到圖3所對應(yīng)的不同溫度下的電流保護(hù)值。隨著溫度的升高，內(nèi)阻會(huì)變大，在Vx值不變的情況下，保護(hù)電流值會(huì)降低。

3.2 驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)可以為驅(qū)動(dòng)芯片提供穩(wěn)定的輸入電壓，而采用隔離電源設(shè)計(jì)，不僅為驅(qū)動(dòng)芯片提供穩(wěn)定的輸入電壓，同時(shí)將控制與驅(qū)動(dòng)的信號(hào)的相互隔離，形成二級(jí)的控制電路。

如圖4所示利用Pspice仿真軟件對驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。發(fā)出固定頻率的PWM信號(hào)，利用推挽電路及隔直電容將方波信號(hào)轉(zhuǎn)化成交流信號(hào)，使其通過變壓器，并利用二極管進(jìn)行整流，輸出穩(wěn)定的電壓滿足驅(qū)動(dòng)供電。在分析電路中變壓器的參數(shù)會(huì)對整個(gè)輸出的電壓值有很大的影響，利用仿真軟件對變壓器的電感值進(jìn)行變量分析，在匝數(shù)比不變的情況下，改變電感值從200uH-1000uH,輸出的電壓值會(huì)從4V-25V變化，即在頻率、匝數(shù)不變，初級(jí)電感值越高，電壓值輸出越大。但是為了滿足驅(qū)動(dòng)芯片在10-20V正常工作的前提下如圖5所示所選的電感值在700uH-800uH。

3.3 輸出自檢電路設(shè)計(jì)

輸出自檢的電路主要為了檢測整個(gè)回路的輸出是否正常，為了保證采到的電信號(hào)不會(huì)對控制端造成影響，選用光耦進(jìn)行隔離，輸出側(cè)到光耦輸入利用穩(wěn)壓管和電阻進(jìn)行限流，保證當(dāng)有輸出時(shí)，產(chǎn)生的電流使光耦導(dǎo)通，將采集的信號(hào)通過CAN進(jìn)行相互交互。如圖6為自檢電路的原理圖。

4 數(shù)字量輸出單元的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字量輸出單元采用的是32位ARM微控制器STM32F107,其擁有兩路CAN通信、256Kflash,64KRam,數(shù)字量輸出單元利用CAN通信介質(zhì)與主控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且可以實(shí)時(shí)自檢。

根據(jù)圖7的軟件流程圖所示，控制器會(huì)發(fā)送固定頻率的PWM和控制器發(fā)送的地址數(shù)據(jù)進(jìn)行與門，得到的數(shù)據(jù)控制MOSFET的開通與關(guān)閉，同時(shí)會(huì)檢測輸出的狀態(tài)與輸入的狀態(tài)及過流的狀態(tài)進(jìn)行互相與，當(dāng)其中任一一項(xiàng)的狀態(tài)與其他不同時(shí)，記錄故障Error次數(shù)，同時(shí)PWM置為0；當(dāng)其中一路連續(xù)記錄故障次數(shù)為3時(shí)，此通道將不再輸出，同時(shí)會(huì)在其背板接口輸出側(cè)輸出一個(gè)高電平，并且將故障數(shù)據(jù)通過CAN傳遞給控制器。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

完成數(shù)字量輸出單元的驗(yàn)證，對其進(jìn)行短路的測試，下圖為兩種不同工況下的短路的保護(hù)測試波形，如圖8所示，工作在穩(wěn)定輸出時(shí)的短路波形，1通道為電流波形，當(dāng)出現(xiàn)短路時(shí)，電流迅速上升，并且達(dá)到最大值33A，此時(shí)MOSFET迅速關(guān)閉，3通道的電壓降為0，但是通道1的電流值會(huì)上升，這是由于MSOFET的續(xù)流二極管的原因，從電流上升到MOSFET的關(guān)閉時(shí)間為40us。通道2為MOSFET的DS兩端電壓，會(huì)有20V的電壓上升。

圖9為在上電時(shí)已經(jīng)發(fā)生短路，這種暫態(tài)的沖擊會(huì)比運(yùn)行的沖擊更猛烈，通過測得的波形可以清楚看到，電流的最大值達(dá)到51A，而MOSFET的導(dǎo)通電壓并沒有達(dá)到完全飽和導(dǎo)通，因此MOSFET的安全閾值會(huì)降低，但是所持續(xù)的時(shí)間與穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的短路時(shí)間一致。只要在短時(shí)間內(nèi)不超過MOSFET的工作安全區(qū)域，其不會(huì)被損壞。

6 結(jié)語

經(jīng)過試驗(yàn)的驗(yàn)證，此數(shù)字量的單元可以在等級(jí)更高的電流下和更嚴(yán)酷的條件下工作，隨著新一代的材料出現(xiàn)，會(huì)出現(xiàn)損耗更低的數(shù)字量輸出單元的出現(xiàn)，但是性價(jià)比還無法與MOSFET相比擬。后續(xù)的設(shè)計(jì)會(huì)更注重在有限的空間內(nèi)的輸出單元的數(shù)量。

圖6：輸出自檢電路

圖7：數(shù)字量輸出單元的邏輯圖

圖8：穩(wěn)定輸出時(shí)的短路

圖9：上電時(shí)短路的運(yùn)行狀態(tài)