基于堆棧遍歷的智能斷電控制系統(tǒng)設(shè)計

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

黃冠華，陸興華

(廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣州511325)

摘要：通過設(shè)計電源的智能斷電控制系統(tǒng)，避免過載導(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)計方法。系統(tǒng)主要包括了預(yù)處理機動態(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)計了時鐘信號驅(qū)動電路、時鐘電路、復(fù)位電路和動態(tài)增益控制電路，在Visual DSP++ 4.5軟件開發(fā)環(huán)境下進行系統(tǒng)軟件開發(fā)，并進行了仿真實驗。

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

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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)，是保障整個電力系統(tǒng)安全可靠運行的關(guān)鍵。通過設(shè)計電源的智能斷電控制系統(tǒng)，避免過載導(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)合嵌入式計算機控制方法，進行電源的斷電控制成為未來智能斷電控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，隨著對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)工作原理是通過輸出電脈沖信號實現(xiàn)對過載峰值電壓的量化分析，傳統(tǒng)的斷電控制系統(tǒng)設(shè)計采用單一道址計數(shù)方法進行斷電控制，當(dāng)達到器件所能承受的最高負(fù)荷時進行智能斷電，該方法受到分離元件工作溫度的影響較大，控制性能不好。對此，相關(guān)文獻進行了改進設(shè)計[2-3]，其中，文獻[4]提出一種基于分散DCS控制的智能斷電控制系統(tǒng)設(shè)計方法，基于模塊化設(shè)計思想，采用ADSP-BF537控制電源智能斷電，通過CAN通信模塊設(shè)計進行峰值電壓和峰值電流的判斷，實現(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[5]提出一種基于交流耦合誤差補償?shù)闹悄軘嚯娍刂品椒?，對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。

針對這些問題，本文提出一種基于堆棧遍歷的智能斷電控制系統(tǒng)設(shè)計方法，首先進行了斷電控制系統(tǒng)的總體設(shè)計和性能參數(shù)指標(biāo)描述，然后進行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，最后通過系統(tǒng)仿真實驗進行了性能測試和驗證，仿真實驗表明，采用該方法具有較好的控制性能，展示了較好的應(yīng)用價值。

1智能斷電控制系統(tǒng)總體設(shè)計和模塊分析

1.1智能斷電控制系統(tǒng)總體設(shè)計

智能斷電控制系統(tǒng)是采用電壓脈沖探頭對電源的電脈沖信號進行檢側(cè)，檢測到脈沖峰值后進行能譜測量，先通過VXI總線驅(qū)動的高速電壓脈沖檢測器進行數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換，基于模擬信號預(yù)處理進行斷電信息的采集和控制[6]，通過電流傳感器采集電流信號，采用AD9225設(shè)計智能斷電控制系統(tǒng)的時鐘電路，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)電源收集到一個斷電脈沖后，進行循環(huán)堆棧尋址，對應(yīng)單片機內(nèi)存加1，最后把斷電信息通過人機交互實現(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CAN總線發(fā)送短電控制脈沖，在VisualDSP++ 4.5軟件中[7]，通過小型化、低功耗的低速A/D將SP內(nèi)部緩沖額短短峰值電壓進行量化，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，過D/A調(diào)節(jié)高壓放大倍數(shù)，增加驅(qū)動能力，采用Aeroflex公司發(fā)布3280系列高端邏輯芯片控制中間件配置，在上一個緩沖區(qū)中，設(shè)計DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊、PLC可編程邏輯控制，此時智能斷電控制系統(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)來控制系統(tǒng)功放管內(nèi)阻，進行智能斷電控制，智能斷電控制系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2　智能斷電控制系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖

由圖2可見，智能斷電控制系統(tǒng)主要包括了預(yù)處理機動態(tài)增益控模塊、放大器模塊、智能斷電濾波模塊和電源模塊。下面分別對各個模塊的運行參量和原理進行分析。

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)是整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，在智能斷電控制的DSP系統(tǒng)中，通過外部晶體配合電壓脈沖進行時鐘信號的驅(qū)動，得到智能斷電控制系統(tǒng)的時鐘信號驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3　智能斷電控制系統(tǒng)的時鐘信號驅(qū)動電路

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。在不會影響晶振時，VCE一般在10V左右(運放手冊可查)，采用堆棧循環(huán)遍歷原理對斷電控制電路進行循環(huán)堆棧控制，得到輸出的導(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)計過程描述如下：

(1)采用電容進行交流耦合控制，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)輸入信號的平均幅度，指定φX值(如φX≤20°)，進行電荷脈沖堆積，按式(1)計算值。

(3)由式(2)計算BL2值，當(dāng)脈沖頻率較低時由式(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值需要在各頻率點進行循環(huán)堆棧遍歷控制，隨參數(shù)不斷變化，直到各點的cosφXi均滿足要求，當(dāng)高端DI大時，抑制了基線漂移。

(6)計算PL、PD。實現(xiàn)智能斷電控制。

2系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

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

圖4　智能斷電控制系統(tǒng)的時鐘電路

為了提高斷電系統(tǒng)的時鐘控制性能，在電源入口處放1個10～100μF的晶振電容，在時鐘電路的末端要放1個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，允許相位角適當(dāng)大一點，在時鐘控制電路中產(chǎn)生EMI輻射，引起阻抗變化，本文設(shè)計的智能斷電控制系統(tǒng)具有VCC檢測功能，設(shè)計獨立的看門狗電路，在看門狗輸出為低電平時進行電壓復(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時進行看門狗復(fù)位，本文設(shè)計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)計的基礎(chǔ)上，進行程序加載電路設(shè)計，實現(xiàn)對智能斷電控制系統(tǒng)的動態(tài)增益控制模，智能斷電控制系統(tǒng)的動態(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)進行功率補償、CCDF功率，采樣時鐘由CLKBUF給出，第二級選用VCA810，工作電壓±1.5V，DG3301在3.3V到5V的電平轉(zhuǎn)換，在MAX7425的前級采用數(shù)字地和模擬地進行直流偏置控制，通過SCSI-68反饋動態(tài)增益控制雙端口RAM，通過0電阻單點相連，實現(xiàn)對智能斷電控制系統(tǒng)的動態(tài)增益電路設(shè)計，智能斷電控制系統(tǒng)的動態(tài)增益模塊如圖6所示。

圖6　智能斷電控制系統(tǒng)的動態(tài)增益模塊

智能斷電控制系統(tǒng)的高壓部分由電壓信號控制，在VisualDSP++ 4.5軟件開發(fā)環(huán)境下進行系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試，軟件設(shè)計部分描述如下。

2.2智能斷電控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在智能斷電控制系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行軟件設(shè)計，通過軟件開發(fā)實現(xiàn)人機交互控制，在VisualDSP++中采用集成開發(fā)環(huán)境IDDE進行信息交換，開發(fā)應(yīng)用程序之前，進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，用來配置qtx11、編譯和安裝，腳本名為install-qt-x11.sh，編譯GSL庫、Tslib庫文件，實現(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)軟件開發(fā)實現(xiàn)流程如圖7所示。

圖7　智能斷電控制系統(tǒng)軟件開發(fā)實現(xiàn)流程

首先進行初始化，包括：智能斷電控制的時鐘頻率初始化、智能斷電控制的存儲器初始化，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

進一步配置CAN_MD1寄存器，判斷CAN配置的完整性，通過PPI接口的DMA功能進行中斷標(biāo)志位通知，程序運行過程中采用循環(huán)堆棧遍歷進行斷電的高壓調(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，過燒寫器燒寫AT25HP512與DSP的接口，修改最上層的Makefile文件，實現(xiàn)智能斷電控制，在指定交叉編譯器的執(zhí)行“Makemenuconfig” ，程序為：

exportIHIHIHY:JKKJGGYFT:= $(SEOHBWSNH)

ARCH?=armSoundcardsupprt

CROSS_COMPILE?=arm-linux-

Apihonkolks(assgrweet-legbb) --->

(/homesghghments/nfs)BusyBbgexInssvgrgnbrefix

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

3實驗分析

為了測試本文設(shè)計的基于循環(huán)堆棧遍歷的智能斷電控制系統(tǒng)的性能，進行了仿真實驗。系統(tǒng)測試中，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)動模塊，開始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。

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，進行智能斷電控制，在輸入端接入標(biāo)準(zhǔn)信號發(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)輸出見圖10。

圖10　智能斷電脈沖輸出響應(yīng)

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

4結(jié)語

通過設(shè)計電源的智能斷電控制系統(tǒng)，避免過載導(dǎo)致電器設(shè)備的損壞。傳統(tǒng)的斷電控制系統(tǒng)設(shè)計采用單一道址計數(shù)方法進行斷電控制，當(dāng)達到器件所能承受的最高負(fù)荷時進行智能斷電，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)計方法，在VisualDSP++ 4.5軟件開發(fā)環(huán)境下進行系統(tǒng)軟件開發(fā)，仿真實驗表明，采用該方法設(shè)計的系統(tǒng)具有較好的智能斷電控制性能，斷電控制信號的AD能完整采集斷電控制請求脈沖信號，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

基金項目：2012廣東省質(zhì)量工程項目(粵教高函[2012]204號)；2013年廣東省高等學(xué)校專業(yè)綜合改革試點項目(粵財教[2013]329號)；2013廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(1365613040)；2012廣東省質(zhì)量工程項目(粵教高函[2012]204號)

作者簡介：黃冠華(1992)，男，主要研究方向為電力電子技術(shù)。

中圖分類號：TP273

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0282-05

收稿日期：2016-03-15 2016-03-18