黃冠華，陸興華

(廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣州　511325)

基于堆棧遍歷的智能斷電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃冠華，陸興華

(廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣州511325)

摘要：通過(guò)設(shè)計(jì)電源的智能斷電控制系統(tǒng)，避免過(guò)載導(dǎo)致電器設(shè)備的損壞。提出一種基于堆棧遍歷的智能斷電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)主要包括了預(yù)處理機(jī)動(dòng)態(tài)增益控模塊、放大器模塊、智能斷電濾波模塊和電源模塊。設(shè)計(jì)了時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和動(dòng)態(tài)增益控制電路，在Visual DSP++ 4.5軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：智能斷電控制；電壓；堆棧；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(本文編輯：嚴(yán)加)

電力與電源的控制系統(tǒng)是一種高精度高可靠性的控制系統(tǒng)，特別是電力控制系統(tǒng)中的電源斷電控制系統(tǒng)，是保障整個(gè)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。通過(guò)設(shè)計(jì)電源的智能斷電控制系統(tǒng)，避免過(guò)載導(dǎo)致電器設(shè)備的損壞。隨著科技技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代集成化電子元器件的不斷革新，采用集成DSP數(shù)字處理芯片，結(jié)合嵌入式計(jì)算機(jī)控制方法，進(jìn)行電源的斷電控制成為未來(lái)智能斷電控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，隨著對(duì)電力精確控制提出更高的要求，研究智能斷電控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法具有重要意義[1]。

智能斷電控制系統(tǒng)工作原理是通過(guò)輸出電脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)載峰值電壓的量化分析，傳統(tǒng)的斷電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用單一道址計(jì)數(shù)方法進(jìn)行斷電控制，當(dāng)達(dá)到器件所能承受的最高負(fù)荷時(shí)進(jìn)行智能斷電，該方法受到分離元件工作溫度的影響較大，控制性能不好。對(duì)此，相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)[2-3]，其中，文獻(xiàn)[4]提出一種基于分散DCS控制的智能斷電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，基于模塊化設(shè)計(jì)思想，采用ADSP-BF537控制電源智能斷電，通過(guò)CAN通信模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行峰值電壓和峰值電流的判斷，實(shí)現(xiàn)斷電控制，但該控制方法的抗干擾性能不好，避免了溫漂現(xiàn)象。文獻(xiàn)[5]提出一種基于交流耦合誤差補(bǔ)償?shù)闹悄軘嚯娍刂品椒?，?duì)斷電脈沖采用緩沖寄存方法，在緩沖區(qū)設(shè)置成雙緩沖，提高斷電的準(zhǔn)確度，但該方法需要CAN總線發(fā)送的遠(yuǎn)程幀，導(dǎo)致遠(yuǎn)程控制性能不好。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出一種基于堆棧遍歷的智能斷電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，首先進(jìn)行了斷電控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和性能參數(shù)指標(biāo)描述，然后進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，最后通過(guò)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能測(cè)試和驗(yàn)證，仿真實(shí)驗(yàn)表明，采用該方法具有較好的控制性能，展示了較好的應(yīng)用價(jià)值。

1智能斷電控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和模塊分析

1.1智能斷電控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能斷電控制系統(tǒng)是采用電壓脈沖探頭對(duì)電源的電脈沖信號(hào)進(jìn)行檢側(cè)，檢測(cè)到脈沖峰值后進(jìn)行能譜測(cè)量，先通過(guò)VXI總線驅(qū)動(dòng)的高速電壓脈沖檢測(cè)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換，基于模擬信號(hào)預(yù)處理進(jìn)行斷電信息的采集和控制[6]，通過(guò)電流傳感器采集電流信號(hào)，采用AD9225設(shè)計(jì)智能斷電控制系統(tǒng)的時(shí)鐘電路，峰值保持器將電源的電壓峰值鎖止在低速A/D采樣端口，當(dāng)電源收集到一個(gè)斷電脈沖后，進(jìn)行循環(huán)堆棧尋址，對(duì)應(yīng)單片機(jī)內(nèi)存加1，最后把斷電信息通過(guò)人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)信息顯示。

系統(tǒng)總體工作流程如圖1所示。

圖1　智能斷電控制系統(tǒng)總體工作流程

在圖1中，A/D轉(zhuǎn)換器前通過(guò)CAN總線發(fā)送短電控制脈沖，在VisualDSP++ 4.5軟件中[7]，通過(guò)小型化、低功耗的低速A/D將SP內(nèi)部緩沖額短短峰值電壓進(jìn)行量化，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，過(guò)D/A調(diào)節(jié)高壓放大倍數(shù)，增加驅(qū)動(dòng)能力，采用Aeroflex公司發(fā)布3280系列高端邏輯芯片控制中間件配置，在上一個(gè)緩沖區(qū)中，設(shè)計(jì)DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊、PLC可編程邏輯控制，此時(shí)智能斷電控制系統(tǒng)的整流電路的放大倍數(shù)為：

智能斷電控制系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓阻抗，利用匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制系統(tǒng)功放管內(nèi)阻，進(jìn)行智能斷電控制，智能斷電控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2　智能斷電控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖

由圖2可見(jiàn)，智能斷電控制系統(tǒng)主要包括了預(yù)處理機(jī)動(dòng)態(tài)增益控模塊、放大器模塊、智能斷電濾波模塊和電源模塊。下面分別對(duì)各個(gè)模塊的運(yùn)行參量和原理進(jìn)行分析。

1.2斷電控制系統(tǒng)的模塊分析

智能斷電控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在智能斷電控制的DSP系統(tǒng)中，通過(guò)外部晶體配合電壓脈沖進(jìn)行時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)，得到智能斷電控制系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3　智能斷電控制系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路

其中，VCE為A/D芯片的采樣降，與智能斷電控制系統(tǒng)的電流大小有關(guān)，VCE隨晶振的供電電源的電壓而增大。在不會(huì)影響晶振時(shí)，VCE一般在10V左右(運(yùn)放手冊(cè)可查)，采用堆棧循環(huán)遍歷原理對(duì)斷電控制電路進(jìn)行循環(huán)堆?？刂疲玫捷敵龅膶?dǎo)納及阻抗參數(shù)分別為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

在智能斷電A/D轉(zhuǎn)換控制中，根據(jù)串并聯(lián)復(fù)合匹配進(jìn)行斷電控制系統(tǒng)的特征采樣，得到智能斷電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程描述如下：

(1)采用電容進(jìn)行交流耦合控制，阻抗值G、B和堆棧循環(huán)控制阻抗為SvL，電容充電完畢后，確定GX值。

(2)輸入信號(hào)的平均幅度，指定φX值(如φX≤20°)，進(jìn)行電荷脈沖堆積，按式(1)計(jì)算值。

(3)由式(2)計(jì)算BL2值，當(dāng)脈沖頻率較低時(shí)由式(3)、式(4)求R、ZX。

(4)假設(shè)V代表耦合電容，由式(4)確定ZLC值。

(5)由式(5)確定L1、C值。L1、C值需要在各頻率點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)堆棧遍歷控制，隨參數(shù)不斷變化，直到各點(diǎn)的cosφXi均滿足要求，當(dāng)高端DI大時(shí)，抑制了基線漂移。

(6)計(jì)算PL、PD。實(shí)現(xiàn)智能斷電控制。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在智能斷電控制的總體設(shè)計(jì)和原理分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是對(duì)智能斷電控制系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)和控制電路設(shè)計(jì)，采用16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核進(jìn)行式中電路控制，使用有源晶振。

采用ADSP-BF537的內(nèi)核，經(jīng)24倍頻后形成103 838Hz時(shí)鐘電路內(nèi)核，從串行的TWI存儲(chǔ)器引導(dǎo)，采用串行的SPI存儲(chǔ)器引導(dǎo)數(shù)據(jù)加載到DSP中，得到智能斷電控制系統(tǒng)的時(shí)鐘電路如圖4所示。

圖4　智能斷電控制系統(tǒng)的時(shí)鐘電路

為了提高斷電系統(tǒng)的時(shí)鐘控制性能，在電源入口處放1個(gè)10～100μF的晶振電容，在時(shí)鐘電路的末端要放1個(gè)0.1μF的電容抑制低頻干擾，布線應(yīng)盡可能的短發(fā)射功率可以小一點(diǎn)，允許相位角適當(dāng)大一點(diǎn)，在時(shí)鐘控制電路中產(chǎn)生EMI輻射，引起阻抗變化，本文設(shè)計(jì)的智能斷電控制系統(tǒng)具有VCC檢測(cè)功能，設(shè)計(jì)獨(dú)立的看門(mén)狗電路，在看門(mén)狗輸出為低電平時(shí)進(jìn)行電壓復(fù)位，確保DSP系統(tǒng)中電路穩(wěn)定，復(fù)位電路采用分立元件構(gòu)成，當(dāng)VCC不足3.3V時(shí)進(jìn)行看門(mén)狗復(fù)位，本文設(shè)計(jì)的智能斷電控制系統(tǒng)的復(fù)位電路原理圖和芯片接口圖如圖5所示。

在復(fù)位電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行程序加載電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能斷電控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)增益控制模，智能斷電控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)增益控制的準(zhǔn)確度穩(wěn)定在±1/2LSB，IO電源(3.3V)，采用10、0.1、0.001μF的電容并聯(lián)進(jìn)行功率補(bǔ)償、CCDF功率，采樣時(shí)鐘由CLKBUF給出，第二級(jí)選用VCA810，工作電壓±1.5V，DG3301在3.3V到5V的電平轉(zhuǎn)換，在MAX7425的前級(jí)采用數(shù)字地和模擬地進(jìn)行直流偏置控制，通過(guò)SCSI-68反饋動(dòng)態(tài)增益控制雙端口RAM，通過(guò)0電阻單點(diǎn)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能斷電控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)增益電路設(shè)計(jì)，智能斷電控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)增益模塊如圖6所示。

圖6　智能斷電控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)增益模塊

智能斷電控制系統(tǒng)的高壓部分由電壓信號(hào)控制，在VisualDSP++ 4.5軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試，軟件設(shè)計(jì)部分描述如下。

2.2智能斷電控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在智能斷電控制系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制，在VisualDSP++中采用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDDE進(jìn)行信息交換，開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序之前，進(jìn)行智能斷電控制及程序加載，智能斷電控制系統(tǒng)中使用的交叉編譯器統(tǒng)一為arm-linux-gcc-4.1.2，arm-linux-gcc-4.1.2編譯器，文中采用的交叉編譯以及使用標(biāo)準(zhǔn)GCC編譯的方式，用來(lái)配置qtx11、編譯和安裝，腳本名為install-qt-x11.sh，編譯GSL庫(kù)、Tslib庫(kù)文件，實(shí)現(xiàn)智能斷電控制中的諸如濾波、去抖、校準(zhǔn)等流程，智能斷電控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。

圖7　智能斷電控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)流程

首先進(jìn)行初始化，包括：智能斷電控制的時(shí)鐘頻率初始化、智能斷電控制的存儲(chǔ)器初始化，數(shù)據(jù)指針中斷初始化，判斷A/D采樣是否完成，同步串口0初始化，智能斷電控制的初始化流程如圖8所示。

圖8　智能斷電控制的初始化流程

進(jìn)一步配置CAN_MD1寄存器，判斷CAN配置的完整性，通過(guò)PPI接口的DMA功能進(jìn)行中斷標(biāo)志位通知，程序運(yùn)行過(guò)程中采用循環(huán)堆棧遍歷進(jìn)行斷電的高壓調(diào)節(jié)，要調(diào)節(jié)的數(shù)字量ΔD=65 536×V/5，輸出范圍為0～5V，接通，過(guò)燒寫(xiě)器燒寫(xiě)AT25HP512與DSP的接口，修改最上層的Makefile文件，實(shí)現(xiàn)智能斷電控制，在指定交叉編譯器的執(zhí)行“Makemenuconfig” ，程序?yàn)椋?/p>

exportIHIHIHY:JKKJGGYFT:= $(SEOHBWSNH)

ARCH?=armSoundcardsupprt

CROSS_COMPILE?=arm-linux-

Apihonkolks(assgrweet-legbb) --->

(/homesghghments/nfs)BusyBbgexInssvgrgnbrefix

BusyboxLidfhgnbryTudgthnng---> [*]Supportfor/etc/networks

3實(shí)驗(yàn)分析

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的基于循環(huán)堆棧遍歷的智能斷電控制系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)測(cè)試中，斷電脈沖的采樣頻率為600MHz，nop為單周期指令，斷電控制系統(tǒng)的高壓調(diào)節(jié)低電平為3.3V，始調(diào)用內(nèi)核中的AD7656.ko驅(qū)動(dòng)模塊，開(kāi)始AD采集，得到智能斷電控制系統(tǒng)A/D輸入端為25MHz的正弦信號(hào)。

輸入波形如圖9所示。

圖9　智能斷電控制系統(tǒng)的輸入波形

根據(jù)上述系統(tǒng)輸入波形為采樣樣本，進(jìn)行智能斷電控制，在輸入端接入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，輸出端接入示波器，調(diào)理電路的低通截止頻率為80Hz，得到斷電控制的脈沖響應(yīng)輸出見(jiàn)圖10。

圖10　智能斷電脈沖輸出響應(yīng)

從圖10可見(jiàn)，采用本文方法能有效實(shí)現(xiàn)智能斷電控制，斷電控制信號(hào)發(fā)生器接入到四路AD采集通道，檢測(cè)到斷電控制信號(hào)的AD能完整采集斷電控制請(qǐng)求脈沖信號(hào)，有效抑制了溫度漂移和基線漂移，展示了較好的應(yīng)用價(jià)值。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)電源的智能斷電控制系統(tǒng)，避免過(guò)載導(dǎo)致電器設(shè)備的損壞。傳統(tǒng)的斷電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用單一道址計(jì)數(shù)方法進(jìn)行斷電控制，當(dāng)達(dá)到器件所能承受的最高負(fù)荷時(shí)進(jìn)行智能斷電，受到分離元件的工作溫度的影響較大，控制性能不好。

本文提出的基于堆棧遍歷的智能斷電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在VisualDSP++ 4.5軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)，仿真實(shí)驗(yàn)表明，采用該方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較好的智能斷電控制性能，斷電控制信號(hào)的AD能完整采集斷電控制請(qǐng)求脈沖信號(hào)，有效抑制了溫度漂移和基線漂移，性能優(yōu)越。

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(本文編輯：嚴(yán)加)

Design of Intelligent Power Off Control System Based on Stack Traversal

HUANG Guan-hua, LU Xing-hua

(HualiCollege,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou511325,China)

Abstract:The design of the intelligent power shutdown control system can help avoid electrical equipment damage caused by overload. This paper presents an intelligent power shutdown control system based on stack traversal. The system mainly includes the dynamic gain control module, the amplifier module, the intelligent power off filter module and the power module. The clock signal driving circuit, clock circuit, reset circuit and dynamic gain control circuit are designed. The system software is developed in DSP++ Visual 4.5 software development environment.

Key words:intelligent power off control; voltage; stack; system design

DOI：10.11973/dlyny201603004

基金項(xiàng)目：2012廣東省質(zhì)量工程項(xiàng)目(粵教高函[2012]204號(hào))；2013年廣東省高等學(xué)校專(zhuān)業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目(粵財(cái)教[2013]329號(hào))；2013廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(1365613040)；2012廣東省質(zhì)量工程項(xiàng)目(粵教高函[2012]204號(hào))

作者簡(jiǎn)介：黃冠華(1992)，男，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1256(2016)03-0282-05

收稿日期：2016-03-15 2016-03-18