基于ARM平台的嵌入式技术综合设计实验教学

冯 源， 刘晓虎， 夏 立

(海军工程大学 电气工程学院，湖北 武汉 430033)

0 引 言

在嵌入式技术学习中，理论与实践是紧密联系，相辅相成的，用理论来指导实践，用实践来加强理论。但传统的教学方法由于在实验教学内容方面过于简单、教学过程中教师讲述过细、学生态度不积极，使得其效果不是很好[1-5]。如何激发学生学习的兴趣，使学生对理论知识有更深刻的理解是一个迫切需要解决的问题[6-16]。为此，结合“电力有源滤波器项目”提出了一种综合实验方案，以Luminary LM3S8962为主控芯片，实验内容包括LM3S8962的定点数学库使用、SCI串口编程、多路AD转化、双路DA转换，事件管理器PWM以及外部中断的设计，基本涵盖了8962的学习内容，并将这些内容综合应用到电力有源滤波器项目，相对于传统的嵌入式技术实验教学，更能提高学生学习的主观能动性。

1 嵌入式技术综合设计实验教学目的及选题

综合实验的目的主要包括要求学生掌握IAR EWARM 5.x的安装、设置；定点数学库的应用；采样模块；SCI串口编程；事件管理器编程；外部中断；综合上述内容从三相负载电流中检测出谐波电流，并采用PWM技术对电网电流进行谐波补偿。综合实验可以安排4个人一组，分工合作，增加合作能力。

实验提供广州周立功公司LM3S8962用户板，通用J-Link-USB仿真器一个，泰克示波器一台，实验框图如图1所示。

LM3S8962 为系统的控制核心原件。LM3S8962内部自带10位单精度AD转换器，参考电压为0～3 V，故从电网采集的交流信号必须要经过信号处理，才能满足AD转换器输入的要求[3]。学生必须自己设计调制电路，将输入交流信号调理成0～3 V单极性信号。其次学生要设计电网电压过零电路，将电网电压信号经过过零电路送入外部中断，对电网相位角置零。并且运用谐波检测算法计算出谐波成分。另外对事件管理器进行编程，输出PWM信号到智能功率模块。为了便于便于加深学员对电力有源滤波器的理解，系统增加了2路DA，学员进行DA的编程，同时学员还要进行串口的编程，了解如何通过上位机来控制控制单片机。

实验时间安排5周，对象为大四学员，实验室全天开放，具体安排如表1所示。

表1 实验时间安排

2 实验实施过程

2.1 硬件电路设计及调试

硬件电路设计包括以下工作：①设计三相交流电路电压和电流的采集电路，运用仿真软件验证设计的电路能否满足LM3S8962对采样信号的要求。②领取实验元件和实验板，及电烙铁等工具，规划及焊制电路板。③测试系统是否短路。④测试焊制电路板是否短路及虚焊。⑤通电测试，首先测试输入信号测试滤波后信号。⑥调制后信号应满足0～3 V要求，如果正确则继续，否则通过调整电路使其达到要求。⑦电网电压过零信号是否为3 V TTL电平。⑧在教师验收完全正确的情况下，正确连接电路板和LM3S8962开发板[4-5]。

硬件电路设计和焊接过程中，实验指导教师仅仅提实验要求，并提供器件及工具，并没有提供具体电路图，就要求学生自己通过查资料，自己设计电路，焊接电路板并调试硬件电路，极大地调动学生主观能动性和创造性，通过这样的训练可以提高学生动手能力和解决实际问题的能力。

2.2 软件的设计

软件的设计包括5个部分的内容：

(1) 串口通讯部分。在TI公司提供的SCI例程进行修改，按照中断方式编写串口接收程序，由学员自己定义一种协议，主要接收上位机的三种指令：即运行/停止指令；模拟输出通道1数据选择以及模拟输出通道2数据选择。

(2) 数据采样及归一化处理。在TI公司提供的AD例程进行修改，按照中断方式编写采样程序，采样的触发由定时器的下溢产生，电压电流采样数据按规一化方式处理，然后按Q24 定标处理。

(3) 过零检测。利用LM3S8962的外部中断1引脚对电压过零信号进行处理，正确设计外部中断引脚的电平类型，编写外部中断到来时对正弦信号的复位处理。

(4) 谐波检测算法及谐波补偿算法。包括坐标变换，PI调解，低通滤波的子模块编写，要求按定点方式编程。

(5) PWM模块。利用LM3S8962的PWM模块进行开发。通过该模块学习如何设置事件管理器，通过事件管理器的编程，可以进行其他电力电子设备的开发。

2.3 实验报告的撰写

实验报告撰写要求如下:①实验设计的任务;②有源滤波器工作原理;③三相交流采集电路控制系统原理框图;④系统框图中各单元的具体电路图及其工作原理说明;⑤整个控制系统的电路原理图;⑥写出每一级电路的传递函数及元件选择依据;⑦画出软件编程的流程图;⑧实验调试过程中遇到的问题及其解决方法，并分析出现的原因;⑨对本实验建议和心得体会;附录中展示自己实物照片及程序。实验报告格式按照毕设论文要求，通过此训练，使学生在毕业设计中能够更好地撰写毕业论文。

3 实验效果分析及成绩评定

验收分为4个阶段：即硬件电路、软件电路、系统验收及实验报告。这样起到了督促学生每个阶段任务都能及时完成，防止任务累积，学生互相照抄。

(1) 硬件电路验收。验收成绩占总成绩的30%。硬件部分的验收包括两个部分，首先交流信号的调理电路是否达到要求，本系统要求采样信号等于传感器信号衰减一半然后叠加1.5 V，合格标准如图2(a)所示；而硬件过零检测要求将电网交流信号转换为同频率的数字信号，正弦波的正半波变换为高电平，正弦波的下半波变换为低电平，合格标准如图2(b)所示。

(a) 调理电路验收波形

(b) 硬件过零电路验收波形

(2) 软件验收。软件完成占总成绩20%，软件的验收包括两个部分，即谐波检测的验收和空间矢量模块的检查。谐波检测的检查可以设定输入为基波加一定比例的5次谐波和一定比例的7次谐波，看检测出的基波是否和原模拟的基波一致，检查波形见图3(a)，而空间矢量模块软件的编程可以固定基波频率50 Hz，开关频率10 kHz，调制度0.9，检查PWM输出和PWM输出滤波后的波形见图3(b)。

(3) 系统调试验收。占总成绩30%，合格标准为通过往电网注入谐波，电网电流的波形得到明显改善，THD能够从降低到5%以下。验收波形如图4所示。

(4) 实验报告。占20%。实验报告中应包括上文中所要求的内容，必须认真撰写，这样对同学撰写毕业论文和以后工作中行文都有非常重要的帮助。

4 结 语

本文提出一种以电力有源滤波器设计为主线的嵌入式技术综合设计实验，该方案有以下几个优点：首先该方案综合了嵌入式技术的绝大部分学习内容，解决了以往实验内容单一的问题。其次通过该综合实验，使学生初步掌握嵌入式技术工程设计的基本过程和方法，开拓思维能力和创新能力，培养学生实事求是的科学态度、严谨的工作作风和团队精神。最后开好综合性实验为进行毕业设计和将来从事实际工作打下良好的基础。

(a) 谐波检测验收波形

(b) 空间矢量验收波形

图4 系统联调验收波形

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