基于ARM的数字调压控制系统设计详解

内容摘要：随着电子信息技术和半导体技术的深入发展，嵌入式系统的应用日趋广泛，在控制领域之中更多的使用了高性能微处理器，以满足各方面越来越多的控制应用需求。基于ARM嵌入式平台的数字调压控制系统，克服了传统上以旋钮或滑变式变阻器对交流电压进行模拟控制的弊端。本系统以嵌入式技术为基础，在嵌入式平台上利用ARM微处理器实时控制数模信号的转换，以控制正弦波调压模块对交流电压的大小调节。本文中通过对本系统的实际测试，验证了数字调压控制系统的功能特性，并且定量测试得出了本系统可以实现对交流电压进行线性调节的结论。数字调压控制系统可作为对电压的智能调节装置应用于家庭、医疗及工业自动化等领域，并且具有调节精度高、调节线性度好，易于操作等特性。

调压控制系统作为对电压的智能调节管理装置常用于家庭、医疗和工业自动化控制等领域。以往对交流电压的控制调节通常使用滑动式或旋钮式变阻器串接入电压回路中实现，旋钮的长时间旋转会导致调节不灵敏甚至失效，调节的精度降低，误差较大。随着电子科技和嵌入式技术的迅猛发展，嵌入式系统越来越多的应用于控制领域之中，在嵌入式平台上实现数字智能控制的调压系统有着重要的意义。文中选用ARM Cotrex—A8微处理器搭建硬件控制平台，使用Linux作为嵌入式操作系统，实时性强，易于开发。

1 ARM数字调压控制系统的总体设计

ARM数字调压控制系统的硬件设计主要包括硬件的总体设计、处理器的选型以及硬件的详细设计。ARM数字调压控制系统总体设计阶段主要任务是依照嵌入式系统的设计流程，明确系统需要实现的功能，对系统进行硬件模块划分，系统硬件结构框架确定之后选定处理器型号，搭建开发环境已完成本系统的设计目标。

1.1 ARM数字调压控制系统的结构

系统的硬件总体设计是以系统的功能需求为基础的。本系统的研究目标是ARM数字调压控制系统，需要实现通过数字信号控制来完成对交流电压的智能调节。一个完整的数字式调压控制系统包括了核心控制模块、数模信号转换模块、输入输出模块和正弦波调压模块四个部分组成。系统结构框图如图1所示。用户从输入输出模块输入指令给控制模块，控制模块收到指令后控制数模转换模块执行数字信号到模拟信号的转换，转换结果输出给正弦波调压模块。

核心控制模块主要包括ARM处理器、内存、NANDFlash、电源管理模块等，数字调压控制系统的所有控制操作均由处理器来完成。处理器配有512MB的DDR2内存，SD卡用来存储Linux系统内核镜像、文件系统、驱动程序和应用程序，系统上电后Bootloader将引导操作系统的启动，并将应用程序装载到内存中运行。

数模信号转换模块主要包括高精度数模转换芯片，选用DAC7311来实现数字控制信号到模拟控制信号的转换工作，其转换精度高达12位，通过串行同步接口与处理器相连接。

输入输出模块作为用户与系统的交互接口，主要包括一块LCD触摸屏、用户按键，用来显示系统相关信息、应用程序界面和控制程序的运行等。

正弦波调压模块与数模信号转换模块相连接，经过数模转换后输出的模拟控制信号输出到正弦波调压模块上，来实现对交流电压的大小调制。

1.2 微处理器选型

本系统中核心控制模块的主要器件是嵌入式微处理器。在嵌入式微处理器选型时依次要考虑微处理器的性能、技术指标、功耗及所支持的开发工具等。在PCB设计时主要考虑到处理器的封装和Layout设计时布局、布线的难易程度和制版时的费用等问题。依据本系统的设计目标和功能需求，并综合了设计过程中的相关因素，本次设计选择了德州仪器推出的ARM嵌入式微处理器AM3354。AM3354外设资源丰富，处理性能优越，并且功耗小，成本低。AM3354提供两种形式封装，298个引脚ZCE封装，焊球间距0.65 mm;324个引脚ZCZ封装，焊球间距0.80 mm。依据PCB设计原则本设计中选用324个引脚ZCZ封装芯片。

2 ARM数字调压控制系统的硬件设计

系统的硬件设计主要描述硬件系统的实现方法。嵌入式硬件设计的思想是以实际应用为中心，硬件系统可裁剪，根据实际应用可进行功能的扩展，以满足成本、功耗及产品体积的综合需求。系统基本实现方法为系统上电启动后Bootloader从SD卡中将Linux操作系统和应用程序文件读入内存中，并运行操作系统。系统内存使用了两片256M的MT74H256M8，总共内存512M。当用户控制应用程序发出指令后，处理器通过配置GPIO接口模拟串行同步接口来控制数模转换模块进行数字信号到模拟信号的转换。

2.1 核心板设计

本系统中核心板采用6层板设计。在硬件设计中，多层板主要用来降低硬件设计成本，缩小电路板的面积。由于核心板上拥有DDR2内存，属于高速电路，因此内存电路是核心板设计的重点和难点。核心板的硬件结构如图2所示。由图可见，处理器外挂两条内存，两条内存共享处理器的时钟线、数据线和地址线，为了保证系统稳定性，两条内存到处理器的走线采用T型连接设计，并且等长布线。为了避免对高速电路的影响，晶振应避开高速电路，尽可能的靠近处理器的时钟引脚。电源管理模块负责对核心板上所有器件的供电管理。

2.2 底板设计

本设计中底板采用2层板设计，底板上主要包括了外围设备接口、数模信号转换模块和插槽，外围接口电路包括系统复位电路、串口电路、SD卡接口电路、LCD触摸屏接口电路、USB接口电路、电源开关电路和用户自定义按键，底板上的接插槽作为接口与核心板连接，底板的系统结构框图如图3所示。数模转换模块主要由高精度数模转换芯片组成，使用串行接口连接。底板上所有部件接口引脚均连接至接插槽上，通过插槽与核心板连接，这样有利于后期功能的扩展和系统的裁剪，同时有效的降低了开发成本。

3PCB的板级设计与仿真

当完成系统的硬件设计和原理图绘制之后，开始进行PCB电路板设计，本系统的PCB设计使用Cadence 16.3进行。进行PCB板级设计之前应做好如下准备工作：做好元器件的模型库和元器件的封装，设计PCB板。根据前文所述，本系统硬件采用底板加核心板的设计方法，因此要根据实际需求的尺寸分别设计底板和核心板的PCB板，设计板子的叠层，根据需求核心板设置为6层板，底板设置为2层板，之后进行布局和布线操作。由于本系统中内存和处理器之间的电路属于高速电路，因此需要对内存的时钟线及数据线进行仿真，来验证布线的正确性，仿真使用Allegro PCB SI GXL进行。

DDR时钟线是内存电路中最重要的线路，布线时采用差分对走线。仿真时打开本设计的PCB文件，首先建立DDR时钟的差分对，之后进行仿真前的参数设定，包括板子的叠层设置、差分阻抗设置、测量差分缓冲延迟及为内存和处理器分别分配SI模型。由于Cadence PCB SI在仿真过程中使用的是DML模型，因此在仿真前需要将器件的IBIS模型进行验证，没有错误后转换成DML模型，然后添加到模型库的路径之下。在测量差分缓冲延迟时，在处理器模型的引脚列表中找到DDR时钟的两个引脚，并进行引脚的耦合设置。上一步完成之后，开始进行内存时钟差分对的仿真。首先设置互连模型参数，使用SigXplorer PCB SI GXL进行拓扑的提取。打开约束管理器，选中DDR时钟的差分对，提取其拓扑结构，如图4所示。

然后对相关仿真参数和差分驱动器激励进行设置，设置完成后使用无损互连分析对内存时钟差分对进行仿真。波形的眼图如图5所示。

使用如上同样的方法对内存数据线进行波形图和波形的眼图仿真，依据得到的眼图判定布线是否合理得当，若眼图较乱则需要调整布线，之后再进行仿真验证。

4 ARM数字调压控制系统的软件设计

ARM数字调压控制系统使用Linux操作系统，系统应用程序软件在Qt 4.0环境下开发。系统启动后自动运行应用程序，其主界面如图6所示。界面中预置了固定电压输出按钮、步长调节按钮、微调按钮、复位按钮和输出校对按钮。程序中提供了两种不同的步进调节长度，步进可选为1 V或5 V步进。系统启动后默认为1V步进长度。按复位键后输出电压被清零。

本系统的软件流程图如图7所示。当使用本系统进行数字调压控制的时候，首先启动本系统，待系统正常上电启动后，系统自动运行控制应用程序，用户通过可视化的输入界面选择需要输出的电压值，用户选择后应用程序调用底层驱动程序将指令数据传递给处理器进行处理，处理器接到调用请求后将指令数据通过同步串行接口发送给数模信号转换模块，转