基于DSP和ARM的微弧氧化电源控制系统设计

刘晶，曹彪

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640）

基于DSP和ARM的微弧氧化电源控制系统设计

刘晶，曹彪

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640）

为了解决目前微弧氧化电源控制系统中存在的实时性不高，人机交互复杂的问题，提出了一种基于DSP数字信号处理器TMS320F28335和ARM微处理器S3C2440的双核构架控制系统方案，并完成软硬件设计。其中DSP控制模块负责微弧氧化过程中多信息检测，数据处理及实时控制，ARM控制模块完成触摸屏人机交互功能和数据管理，两个芯片之间采用SPI总线通信。实际应用表明，该系统具有响应速度快，人机界面友好的特点，达到了设计要求。

DSP；ARM；微弧氧化；SPI总线；Linux

微弧氧化是一种利用电解液和微电弧的综合作用在铝、镁等有色金属及其合金制品表面生成高阻态、耐腐蚀、耐磨损的陶瓷质氧化物膜层的表面处理技术，能显著提高金属表面性能，在航空、航天、机械、电子以及生物材料等领域有广泛的应用前景［1_2］。目前微弧氧化电源的控制系统存在以下问题：多以普通单片机为核心，存在算法单一，控制精度不高，系统响应能力不好等问题。此外，人机交互大多采用的是按钮、数码管、指示灯组合，使得操作方式过于复杂［3_4］。

电子技术的飞速发展，对微弧氧化电源的实时性和操作性提出了更高的要求，因此，本文设计了一种DSP+ARM双核构架的微弧氧化电源嵌入式控制系统，其中高性能的数字信号处理器DSP用来完成微弧氧化过程中电信号的采集与实时控制，ARM上通过移植Linux操作系统，开发Qt应用程序，实现触摸屏人机交互，且具有丰富的接口扩展功能。

1　系统总体设计

微弧氧化电源系统整体结构框图如图1所示，由主电路和控制系统两部分组成。

图1　微弧氧化电源系统整体结构框图

主电路是基于传统的两级逆变式结构，由输入整流滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、次级整流滤波电路及斩波逆变电路组成［5］。功率逆变电路和斩波逆变电路均采用全桥逆变结构，由IGBT开关管、反并联二极管以及阻容吸收电路构成。通过改变功率逆变电路的驱动信号PWM的占空比实现输出波形幅值的调节，通过控制斩波逆变电路可以得到直流、单脉冲、变极性脉冲等不同形式输出波形。

控制系统主要由DSP和ARM及其外围控制电路构成，包括最小系统设计电路、电信号采集与保护电路、触摸屏接口电路、通讯接口电路和驱动电路。工作过程是通过触摸屏设定工作参数，选择控制模式，启动微弧氧化过程，DSP采集主电路中的电压和电流值，经过PID运算实时更新PWM占空比实现闭环控制，使电信号稳定在给定值。

2　控制系统硬件设计

2.1主控芯片选择

为了满足微弧氧化电源对控制系统实时性和精确性的要求，DSP选用TI公司的C28X系列的高性能数字信号处理器TMS320F28335。该芯片具有高性能的32位CPU，150 MHz的高速处理能力，并且有ADC模块、增强型PWM模块、串行外设接口SPI模块等丰富的集成外设，极大的方便了电路设计。

微处理器选用的是三星公司的S3C2440芯片，是ARM920T内核32位的精简指令构架，集成了内存管理单元支持Linux等嵌入式操作系统的移植。S3C2440还提供丰富的内部设备，支持多种触摸屏尺寸的LCD控制器，SPI通信接口等。

2.2外围电路设计

采样电路采用霍尔电压、电流传感器分别对负载电压、电流信号进行检测，采集到的信号经滤波、有效值处理、运算放大后输入DSP的AD采样口。驱动电路采用高速光耦隔离后放大的驱动方式，实现对主电路中MOSFET和IGBT器件的开通与关断控制。故障保护电路可以实现对电源控制中过电流、过电压、过热的检测与保护。

人机交互界面的硬件选用群创公司型号为AT070TN83 的7寸触摸屏，分辨率为800×480，40针的LCD接口与控制板连接。

2.3DSP和ARM的接口设计

两个芯片之间采用的是SPI总线通信，SPI是Motoro1a公司提出的一种同步串行外设接口协议总线［6］。它具有标准的传输协议，占用接口线少，传输效率高。本系统采用标准四线制接口，分别是串行时钟线SCLK、主输入从输出线MISO、主输出从输入MOSI以及从机选择线NSS［7］。本控制系统中S3C 2440为主机，发送时钟脉冲SCLK，当拉低NSS电平时，使能从器件DSP进行数据交换。

3　控制系统软件设计

3.1DSP软件开发

DSP模块对微弧氧化电源中两级逆变电路的控制是采用输出PWM信号控制前级功率逆变，通过控制PWM占空比实现对输出脉冲幅值的调节。后级斩波电路的控制信号由定时器控制I/O的高低电平进行控制。为了减少功率损耗，对两级逆变电路采用协同控制，在斩波逆变电路有脉冲输出时，输出PWM波形，功率逆变电路工作。

DSP主程序控制流程图如图2所示。首先对系统进行初始化，然后循环等待ARM发送的控制指令，读取SPI总线上的控制参数。开启定时器，启动PWM模块，输出PWM控制信号驱动功率逆变电路中IGBT工作，同时触发AD采样模块，对采集的电压或电流值进行PID运算实时更新PWM信号的占空比，实现对系统的快速准确控制，达到处理时间后，结束微弧氧化过程。

图2　DSP软件程序控制流程图

微弧氧化是时变、非线性的过程［8，9］，传统PID控制方法很难满足系统控制要求。变极性输出时，膜层负载对正脉冲和负脉冲的动态响应不同，正脉冲作用时负载呈现为高电压、低电流的高阻抗容性负载，负脉冲作用时系统则呈现为低电压、大电流的低阻抗阻性负载。针对微弧氧化过程中正负脉冲作用时负载特性的差异及系统不同状态对控制的不同要求，本文采用一种变结构的增量式PID控制方法，如图3所示。在正负脉冲输出时，采用不同的控制参数对输出电压及电流进行调节。

3.2SPI通信的实现

在ARM上移植了嵌入式Linux操作系统［10，11］，要实现与DSP的通信，需要完成SPI驱动程序的开发。设备驱动程序是操作系统内核与机器硬件之间的接口，为应用程序屏蔽了硬件使用细节，当作设备文件处理［12］。

SPI设备驱动程序的开发主要有fi1e_operation结构体的填充和相关设备操作函数的实现。SPI设备初始化函数中完成控制寄存器的地址映射和SPI总线引脚电平的上拉。在SPI设备的open（）函数中完成配置SPI模块的GPIO端口，使能外设时钟，设置预分频寄存器，配置波特率以及通信模式的选择。SPI设备的写函数拉低NSS引脚使能从机DSP，从用户空间读取数据到内核空间，然后将数据写入到发送寄存器。

DSP工作在从控制器模式下，传输率由ARM主控制器提供的串行位移时钟SPICLK决定，配置SPI模块的端口，初始化控制寄存器，使能中断，采用中断的方式接收数据。

3.3图形用户界面的移植与开发

人机交互功能是通过在Linux操作系统上移植开发Qt应用程序来实现的。Qt是一种跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架，具有很好的可配置性，适用嵌入式系统图形用户界面开发，Qt的事件驱动和信号与槽的编程模型，为用户提供了很大的灵活性［13］。

文中QT应用程序是在宿主机上开发，移植到ARM板上运行，需要搭建QT的开发环境，主机版本是Ubuntu12.10，交叉编译器版本是arm_1inux_gcc_4.3.3。在Qt Creator下开发图像用户界面程序，交叉编译，移植到目标机［14］，开发流程如图4所示。

图3　变结构PID控制算法软件流程图

图4　QT程序开发流程图

开发的微弧氧化电源的参数设定界面如图5所示，用户可以进行控制模式输出方式的选择，控制方式有电压控制和电流控制，输出方式有直流、单脉冲、变极性脉冲不同方式，并且通过弹出的小键盘进行工艺参数的设定。也可以“调出”文件系统上已经保存的实验工艺参数避免使用常用参数时的逐个输入问题［15］。

图5　人机交互界面

4　结论

本文设计了一种DSP+ARM双核构架的微弧氧化电源控制系统，充分发挥了DSP的高速数据处理能力和ATM强大的事务管理功能。该系统可以满足微弧氧化过程中实时性和准确性的要求，实现触摸屏人机交互，功能完善，可扩展性强，具有很大的市场价值。

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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稿件编号：201602007

广东省_教育部产学研结合项目（2012B091100347）

刘晶（1992—），女，湖北老河口人，硕士研究生。研究方向：数字化电源控制系统研究。