一款基于ARM的數(shù)字調壓控制系統(tǒng)設計

摘要：隨著電子信息技術和半導體技術的深入發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應用日趨廣泛，在控制領域之中更多的使用了高性能微處理器，以滿足各方面越來越多的控制應用需求?；?a class="contentlabel" href="http://www.2s4d.com/news/listbylabel/label/ARM">ARM嵌入式平臺的數(shù)字調壓控制系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)上以旋鈕或滑變式變阻器對交流電壓進行模擬控制的弊端。本系統(tǒng)以嵌入式技術為基礎，在嵌入式平臺上利用ARM微處理器實時控制數(shù)模信號的轉換，以控制正弦波調壓模塊對交流電壓的大小調節(jié)。本文中通過對本系統(tǒng)的實際測試，驗證了數(shù)字調壓控制系統(tǒng)的功能特性，并且定量測試得出了本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對交流電壓進行線性調節(jié)的結論。數(shù)字調壓控制系統(tǒng)可作為對電壓的智能調節(jié)裝置應用于家庭、醫(yī)療及工業(yè)自動化等領域，并且具有調節(jié)精度高、調節(jié)線性度好，易于操作等特性。

調壓控制系統(tǒng)作為對電壓的智能調節(jié)管理裝置常用于家庭、醫(yī)療和工業(yè)自動化控制等領域。以往對交流電壓的控制調節(jié)通常使用滑動式或旋鈕式變阻器串接入電壓回路中實現(xiàn)，旋鈕的長時間旋轉會導致調節(jié)不靈敏甚至失效，調節(jié)的精度降低，誤差較大。隨著電子科技和嵌入式技術的迅猛發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)越來越多的應用于控制領域之中，在嵌入式平臺上實現(xiàn)數(shù)字智能控制的調壓系統(tǒng)有著重要的意義。文中選用ARM Cotrex—A8微處理器搭建硬件控制平臺，使用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)，實時性強，易于開發(fā)。

1 ARM數(shù)字調壓控制系統(tǒng)的總體設計

ARM數(shù)字調壓控制系統(tǒng)的硬件設計主要包括硬件的總體設計、處理器的選型以及硬件的詳細設計。ARM數(shù)字調壓控制系統(tǒng)總體設計階段主要任務是依照嵌入式系統(tǒng)的設計流程，明確系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，對系統(tǒng)進行硬件模塊劃分，系統(tǒng)硬件結構框架確定之后選定處理器型號，搭建開發(fā)環(huán)境已完成本系統(tǒng)的設計目標。

1.1 ARM數(shù)字調壓控制系統(tǒng)的結構

系統(tǒng)的硬件總體設計是以系統(tǒng)的功能需求為基礎的。本系統(tǒng)的研究目標是ARM數(shù)字調壓控制系統(tǒng)，需要實現(xiàn)通過數(shù)字信號控制來完成對交流電壓的智能調節(jié)。一個完整的數(shù)字式調壓控制系統(tǒng)包括了核心控制模塊、數(shù)模信號轉換模塊、輸入輸出模塊和正弦波調壓模塊四個部分組成。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。用戶從輸入輸出模塊輸入指令給控制模塊，控制模塊收到指令后控制數(shù)模轉換模塊執(zhí)行數(shù)字信號到模擬信號的轉換，轉換結果輸出給正弦波調壓模塊。

?

?

核心控制模塊主要包括ARM處理器、內存、NANDFlash、電源管理模塊等，數(shù)字調壓控制系統(tǒng)的所有控制操作均由處理器來完成。處理器配有512MB的DDR2內存，SD卡用來存儲Linux系統(tǒng)內核鏡像、文件系統(tǒng)、驅動程序和應用程序，系統(tǒng)上電后Bootloader將引導操作系統(tǒng)的啟動，并將應用程序裝載到內存中運行。

數(shù)模信號轉換模塊主要包括高精度數(shù)模轉換芯片，選用DAC7311來實現(xiàn)數(shù)字控制信號到模擬控制信號的轉換工作，其轉換精度高達12位，通過串行同步接口與處理器相連接。

輸入輸出模塊作為用戶與系統(tǒng)的交互接口，主要包括一塊LCD觸摸屏、用戶按鍵，用來顯示系統(tǒng)相關信息、應用程序界面和控制程序的運行等。

正弦波調壓模塊與數(shù)模信號轉換模塊相連接，經過數(shù)模轉換后輸出的模擬控制信號輸出到正弦波調壓模塊上，來實現(xiàn)對交流電壓的大小調制。

1.2 微處理器選型

本系統(tǒng)中核心控制模塊的主要器件是嵌入式微處理器。在嵌入式微處理器選型時依次要考慮微處理器的性能、技術指標、功耗及所支持的開發(fā)工具等。在PCB設計時主要考慮到處理器的封裝和Layout設計時布局、布線的難易程度和制版時的費用等問題。依據(jù)本系統(tǒng)的設計目標和功能需求，并綜合了設計過程中的相關因素，本次設計選擇了德州儀器推出的ARM嵌入式微處理器AM3354。AM3354外設資源豐富，處理性能優(yōu)越，并且功耗小，成本低。AM3354提供兩種形式封裝，298個引腳ZCE封裝，焊球間距0.65 mm;324個引腳ZCZ封裝，焊球間距0.80 mm。依據(jù)PCB設計原則本設計中選用324個引腳ZCZ封裝芯片。

2 ARM數(shù)字調壓控制系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)的硬件設計主要描述硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。嵌入式硬件設計的思想是以實際應用為中心，硬件系統(tǒng)可裁剪，根據(jù)實際應用可進行功能的擴展，以滿足成本、功耗及產品體積的綜合需求。系統(tǒng)基本實現(xiàn)方法為系統(tǒng)上電啟動后Bootloader從SD卡中將Linux操作系統(tǒng)和應用程序文件讀入內存中，并運行操作系統(tǒng)。系統(tǒng)內存使用了兩片256M的MT74H256M8，總共內存512M。當用戶控制應用程序發(fā)出指令后，處理器通過配置GPIO接口模擬串行同步接口來控制數(shù)模轉換模塊進行數(shù)字信號到模擬信號的轉換。

2.1 核心板設計

本系統(tǒng)中核心板采用6層板設計。在硬件設計中，多層板主要用來降低硬件設計成本，縮小電路板的面積。由于核心板上擁有DDR2內存，屬于高速電路，因此內存電路是核心板設計的重點和難點。核心板的硬件結構如圖2所示。由圖可見，處理器外掛兩條內存，兩條內存共享處理器的時鐘線、數(shù)據(jù)線和地址線，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，兩條內存到處理器的走線采用T型連接設計，并且等長布線。為了避免對高速電路的影響，晶振應避開高速電路，盡可能的靠近處理器的時鐘引腳。電源管理模塊負責對核心板上所有器件的供電管理。

?

?

2.2 底板設計

本設計中底板采用2層板設計，底板上主要包括了外圍設備接口、數(shù)模信號轉換模塊和插槽，外圍接口電路包括系統(tǒng)復位電路、串口電路、SD卡接口電路、LCD觸摸屏接口電路、USB接口電路、電源開關電路和用戶自定義按鍵，底板上的接插槽作為接口與核心板連接，底板的系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。數(shù)模轉換模塊主要由高精度數(shù)模轉換芯片組成，使用串行接口連接。底板上所有部件接口引腳均連接至接插槽上，通過插槽與核心板連接，這樣有利于后期功能的擴展和系統(tǒng)的裁剪，同時有效的降低了開發(fā)成本。