嵌入式實時系統(tǒng)設(shè)計

1、西北工業(yè)大學(xué) 研究生課程考試答題冊得 分： 學(xué) 號 2015261620 姓 名 王嘉豪 考試課目 嵌入式實時系統(tǒng)設(shè)計 考試日期 2016年1月20日 西北工業(yè)大學(xué)研究生院目錄一、設(shè)計目的2二、設(shè)計要求22.1設(shè)計指標(biāo)22.2設(shè)計方法22.3設(shè)計流程3三、系統(tǒng)設(shè)計33.1參數(shù)設(shè)計33.2拓?fù)溥x擇33.3小信號模型建立5四、硬件設(shè)計84.1硬件需求分析84.2主電路參數(shù)設(shè)計84.2.1主變壓器的設(shè)計84.2.2電感的設(shè)計94.2.3電容的設(shè)計114.3控制電路設(shè)計124.3.1控制芯片選取124.3.2系統(tǒng)時鐘電路134.3.3 MOSFET 驅(qū)動電路設(shè)計144.3.4驅(qū)動信號15五、軟件設(shè)計1

2、65.1軟件需求分析165.2控制器設(shè)計175.2.1恒流充電模式PID控制器的設(shè)計175.2.2穩(wěn)壓放電模式PID調(diào)解器的設(shè)計18六、結(jié)論19基于DSP的雙向全橋DC-DC變換器設(shè)計一、設(shè)計目的 了解嵌入式實時系統(tǒng)的發(fā)展歷史，發(fā)展進(jìn)程以及未來應(yīng)用，并通過設(shè)計DSP控制的雙向功率變換器，熟悉嵌入式實時系統(tǒng)的設(shè)計流程。二、設(shè)計要求通過系統(tǒng)需求分析，系統(tǒng)總體設(shè)計、軟硬件設(shè)計、迭代等過程，采用嵌入式實時系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計一款dcdc變換器?，F(xiàn)規(guī)定設(shè)計目標(biāo)為：設(shè)計一款雙向DCDC變換器，要求電壓40V-150V變換。2.1設(shè)計指標(biāo)輸入電壓：36V-44V；輸出電壓：150V；輸出功率：200W；母線電

3、流：0.5A-5A開關(guān)頻率：20kHz電壓紋波：1%。2.2設(shè)計方法嵌入式系統(tǒng)開發(fā)一般包括：需求分析階段、詳細(xì)設(shè)計階段、實現(xiàn)階段、測試階段。圖2.1為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計流程。圖2.1系統(tǒng)設(shè)計工程研制過程 其中在軟硬件設(shè)計的過程中需要采用“迭代”的思想。即在軟硬件設(shè)計中不斷進(jìn)行需求分析，設(shè)計和實現(xiàn)的過程，運用這種方式發(fā)現(xiàn)一次設(shè)計中存在的問題以進(jìn)一步完善設(shè)計。2.3設(shè)計流程 按照系統(tǒng)設(shè)計的流程，我們進(jìn)行如下過程的設(shè)計： 1）分析系統(tǒng)需求，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。在系統(tǒng)設(shè)計中明確具體設(shè)計參數(shù)，選擇拓?fù)漕愋停?）進(jìn)行軟件需求分析設(shè)計。其中首先分析軟件流程，在進(jìn)行控制器的設(shè)計；3）進(jìn)行硬件需求分析設(shè)計。其中首先進(jìn)行小

4、信號模型的建立，其次進(jìn)行主電路的參數(shù)設(shè)計，最后進(jìn)行控制電路，驅(qū)動電路的設(shè)計與選型。具體的設(shè)計過程如下所示。三、系統(tǒng)設(shè)計 3.1參數(shù)設(shè)計根據(jù)設(shè)計目標(biāo)首先明確設(shè)計電路參數(shù)如下：；。充電模式時輸出電壓不超過，放電模式時輸出穩(wěn)壓在。3.2拓?fù)溥x擇 在非隔離型雙向 Buck-Boost DC/DC 變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中插入高頻變壓器，即可構(gòu)成隔離型 Buck-Boost DC/DC 變換器拓?fù)?，圖 3.1(a)為隔離型 Buck-Boost DC/DC 變換器的基本形式，其中高頻整流/逆變單元和高頻逆變/整流單元可以由全橋、半橋、推挽等電路拓?fù)錁?gòu)成。圖 3.1(b)的整流/逆變單元和逆變/整流單元均是

5、全橋結(jié)構(gòu)。(a)隔離型雙向DC/DC基本拓?fù)?b)隔離型雙向全橋DC/DC變換器圖 3.1 隔離型雙向全橋 DC/DC 變換器橋式直流變換器有兩類：一類是由雙電壓源型橋式直流變換器構(gòu)成，主變壓器兩側(cè)電路結(jié)構(gòu)對稱；一類是由電壓源型橋式直流變換器和電流源型橋式直流變換器構(gòu)成。這兩種橋式變換器均可具有軟開關(guān)特性?？刂品绞接袃煞N：1） 變壓器兩側(cè)開關(guān)管相移控制，如圖 3.2 所示，其中表示變壓器等效電感，通過控制兩側(cè)變換單元之間的相位關(guān)系來調(diào)節(jié)兩個電源之間的能量傳輸大小和方向；圖3.2 相移控制雙向DC/DC變換器等效電路2） 只對變壓器一側(cè)開關(guān)管進(jìn)行控制，來調(diào)節(jié)向另一側(cè)傳遞能量的大小，另一側(cè)開關(guān)管用

6、其反并聯(lián)二極管整流，或采用同步整流技術(shù)，工作原理類似單向直流變換器。 雙向全橋直流變換器適合中大功率場合，并且較容易通過移相控制方式實現(xiàn)軟開關(guān)，因此備受青睞。大量文獻(xiàn)對移相全橋變換器的工作原理、軟開關(guān)條件、實現(xiàn)軟開關(guān)的方式、數(shù)學(xué)模型、控制方法等幾個方面進(jìn)行了深入研究，研究表明，全橋直流變換器現(xiàn)已成為中大功率直流變換器的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)湟子趯崿F(xiàn)零壓開通的軟開關(guān)過程，損耗低，效率高。因此本文選擇如圖3.3所示雙向全橋拓?fù)?。該拓?fù)涫怯呻妷涸葱腿珮蛑绷髯儞Q器和電流源型全橋直流變換器組合而成的軟開關(guān)型雙向全橋 DC/DC 變換器。圖3.3雙向全橋DC-DC變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖四、硬件設(shè)計4.1硬件需求

7、分析 雙向變換器有兩種工作模式降壓模式和升壓模式。 充電模式時,開關(guān)管有驅(qū)動信號,而開關(guān)則不加驅(qū)動信號,只利用其反并聯(lián)二極管實現(xiàn)輸出全橋整流。 放電模式時,開關(guān)管有驅(qū)動信號,而開關(guān)則不加驅(qū)動信號,只利用其反并聯(lián)二極管實現(xiàn)輸出全橋整流。 因此,變換器無論是工作在降壓模式時還是升壓模式時,主電路的等效電路都如圖4.1所示可以看成電壓型全橋變換器。圖4.1雙向全橋等效電路硬件電路根據(jù)功能的不同分為下面幾個部分:1) 主功率電路參數(shù)設(shè)計。圖4.2隔離型雙向全橋DC/DC變換器 由上文系統(tǒng)設(shè)計已選用雙向全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對于如圖4.2所示的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析可知需要設(shè)計的參數(shù)主要包括變壓器、電感、電容等；

8、2) 控制電路設(shè)計。控制電路應(yīng)當(dāng)使用CPU來實現(xiàn)充電模式及放電模式的判斷和切換。通過控制8路PWM的輸出來控制八個開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷。這部分的設(shè)計主要包括控制芯片的選型、時鐘電路的設(shè)計等；3) 驅(qū)動電路設(shè)計。 驅(qū)動電路包括MOSFET驅(qū)動電路的設(shè)計、采樣電路的設(shè)計等。4.2主電路參數(shù)設(shè)計4.2.1主變壓器的設(shè)計變壓器的設(shè)計主要包括:磁心選擇、匝數(shù)計算等。該全橋直流變換器的兩個半周期的工作都用同一個原邊繞組，磁心和繞組使用率都很高。為了減少磁化電流，最好原邊繞組匝數(shù)多些，電感量大些。因此選擇高磁合金材料的磁心比較合適，而且磁心不帶氣隙。具體設(shè)計步驟如下:磁心選擇根據(jù)放電功率、效率，確定變壓器輸入、

9、輸出功率。計算式如下: (4-1)根據(jù)輸入功率確定合適的磁心型號。再由磁心型號得到變壓器在開關(guān)頻率為20kHz時的最佳磁感應(yīng)強度。則磁感應(yīng)強度的變化量為。原邊線圈匝數(shù)的計算原邊線圈匝數(shù)計算式如下: (4-2)其中，一原邊線圈所加直流電壓，在有波動時取最小值(V); 一最大導(dǎo)通時間(); 一總磁感應(yīng)強度變化量(T); 一磁心有效面積()。原副邊匝數(shù)比n的計算原副邊匝數(shù)比按如下公式計算: (4-3)為了保證整個電壓輸入范圍內(nèi)變換器都能輸出額定的電壓，式(4-3)中輸入電壓用的其最小值,是原邊開關(guān)管的導(dǎo)通壓將，為原邊最大占空比，一般取0. 45, 為副邊最大占空比，取0.4, 為輸出電壓最大值，為電

10、感上的電壓損失，為副邊整流二極管上的壓降，為線路壓降。副邊匝數(shù)的計算副邊匝數(shù)的計算如下: (4-4)根據(jù)式(4-2)和式(4-3)計算的原邊匝數(shù)和原副邊匝數(shù)比n，再由式(4-4)可以確定副邊匝數(shù)。變壓器參數(shù)取為:,。4.2.2電感的設(shè)計(1) 放電模式的關(guān)系式 放電模式電感電流連續(xù)工作主要波形如圖4.1所示，假設(shè)電感工作在連續(xù)狀態(tài)。圖4.1中，半個周期T/2內(nèi)，四個開關(guān)管同時導(dǎo)通的時間為 ,期間，電感儲能，電感電流線性上升，其增量為: (4-5)圖4.1 放電模式電感電流連續(xù)工作主要波形對管、(或、)導(dǎo)通的時間為，電感傳遞能量，電流線性下降，其變化量為 (4-6)由于穩(wěn)態(tài)時這兩個變化量相等，則

11、化簡得穩(wěn)態(tài)電壓增益為 (4-7)由輸出功率與輸入功率相等，得: (4-8)當(dāng)電感較小，或負(fù)載電阻較大，或T較大時，會為零，即電感工作在臨界連續(xù)狀態(tài)，此時，電感值為臨界電感。電池放電電流與電感電流存在以下關(guān)系:則，將式(4-5), (4-7), (4-8)代入上式，得臨界電感計算式如下 (4-9)(2)電感的選取本文的雙向DC/DC直流變換器，放電工作時，電池電壓變化范圍為，輸出電壓，負(fù)載功率為，開關(guān)頻率。電感電流工作在連續(xù)狀態(tài)?？紤]電池最低時的情況，則: (4-10)由式(4-9)求臨界電感: (4-11)因此電感取56uH。4.2.3電容的設(shè)計電容主要是用來吸收放電模式工作時輸出側(cè)紋波電流，

12、以保證負(fù)載上得到平直直流電流。參考圖4.1,半個周期中，時間內(nèi)，電容充電;時間內(nèi)，電容放電。電容的充放電電能量形成紋波電壓可表示為: (4-12)紋波電壓： 在指定紋波電壓限值下，需要的電容值為: (4-13)由于Boost型變換器的儲能的占空比必須小于0.88，所以有0.8>>0.12。因此電容取10mF。4.3控制電路設(shè)計4.3.1控制芯片選取雙向全橋DC/DC變換器主電路拓?fù)溆邪藗€功率開關(guān)管，因此，控制電路應(yīng)能夠產(chǎn)生變換器所需要的8路PWM驅(qū)動信號。根據(jù)變換器對控制器的需求，控制芯片選用TMS320F240。TMS320F240是C24x系列DSP控制器的第一代產(chǎn)品。C240

13、的主要特點總結(jié)如下:(1)內(nèi)核CPU:32位中央算術(shù)邏輯單元(CALU );32位累加器;16位*16位并行乘法器，產(chǎn)生32位乘積等。(2)存儲器:544字*16位片內(nèi)數(shù)據(jù)/程序雙口RAM;16K字*16位片內(nèi)程序ROM或Flash;224K*16位最大尋址存儲范圍;外部存儲器接口模塊包括軟件等待狀態(tài)發(fā)生器、16位地址總線和16位數(shù)據(jù)總線。(3)程序控制:四級流水線操作;八級硬件堆棧;六個外部中斷:功率驅(qū)動保護(hù)中斷、復(fù)位、NMI(不可屏蔽中斷)和三個可屏蔽中斷。(4)指令集:單指令重復(fù)操作;單周期乘/加指令;變址尋址能力。(5)速度:50ns的指令周期(20MIPS)。(6)事件管理器:12路

14、比較/PWM通道，其中9位獨立;3個16位通用定時器，共有6種模式:連續(xù)向上計數(shù)和連續(xù)向下計數(shù);3個具有死區(qū)功能的全比較單元;3個單比較單元;四個捕獲單元。(7)雙10位A/D轉(zhuǎn)換器。(8)28個可單獨編程的多路復(fù)用I/O引腳。其它還有:串行通信接口(SCI)、串行外設(shè)接口(SPI)等。因此，利用DSP TMS320F240芯片獨特的事件管理器功能，通過編程可以得到我們所需要的驅(qū)動信號PWM波形。并通過數(shù)字信號處理，很好的控制被控對象。4.3.2系統(tǒng)時鐘電路DSP TMS320F240微控制器可使用外部晶振或者外部時鐘源，若不使用片內(nèi)PLL功能及ISP(In-System Programmab

15、le)下載功能，則外部晶振頻率為130MHz，外部時鐘頻率為150MHz。圖4.2 系統(tǒng)時鐘電路本電路系統(tǒng)使用外部11.0592MHz 晶振，電路如圖4.2所示。11.0592MHz 晶振的原因是使串口波特率更精確。4.3.3 MOSFET 驅(qū)動電路設(shè)計由于主電路是以N 溝道MOSFET 為開關(guān)管的Buck 型變換器，用DSP 輸出的脈沖無法直接驅(qū)動開關(guān)管。因此，本文選IR2110 作為驅(qū)動芯片，將輸出脈沖進(jìn)行處理。(1)IR2110 的結(jié)構(gòu)：IR2110 是一種高壓高速功率MOSFET 和IGBT 驅(qū)動器，有獨立的高端和低端輸出驅(qū)動通道，起內(nèi)部功能原理如圖4.3所示。它包括輸入/輸出邏輯電路

16、、電平移位電路、輸出驅(qū)動電路欠壓保護(hù)和自舉電路等部分。各引腳功能分別是：1端(LO)是低通道輸出；2 端(COM)是公共端；3 端(VCC)是低端固定電源電壓；5 端(VS)是高端浮置電源偏移電壓；6 端(VB)是高端浮置電源電壓；7 端(HO)是高端輸出；9 端(VDD)是邏輯電路電源電壓；10 端(HIN)是高通道邏輯輸入；11 端(SD)是輸入有效與否的選擇端，可用來過流過壓保護(hù)；12 端(LIN)是低通道輸入；13 端(VSS)是邏輯電路的地端。圖 4.3 MOSFET 驅(qū)動電路由于浮置電源采用自舉電路，IR2110 的高端工作電壓可達(dá)500V。輸出的柵極驅(qū)動電壓范圍為1020V，邏輯

17、電源電壓范圍為515V。輸出采用低阻抗的圖騰柱結(jié)構(gòu)，輸出峰值電流不小于2A,負(fù)載為1000pF 時，開關(guān)時間典型值為25ns。MOSFET 驅(qū)動電路原理：圖4.4為用IR2110的高端部分驅(qū)動BUCK變換器中MOSFET。圖4.4 IR2110外部連接正常工作時，電源對自舉電容C1 的充電是在續(xù)流二極管D1 的導(dǎo)通期間進(jìn)行。此時，MOSFET 截止，其源極電位接近地電位，+15V 電源通過D2 給C1 充電，使C1 上的電壓接近+15V。當(dāng)MOSFET 導(dǎo)通而D1 截止時，C1 自舉，D2 截止，C1 上存儲電荷為IR2110的高端驅(qū)動輸出提供電源。自舉電容應(yīng)選用損耗小、絕緣電阻高、頻率特性好

18、的電容。D2 為快速恢復(fù)二極管，且反向耐壓要能滿足電路要求。4.3.4驅(qū)動信號 利用DSP TMS320F240芯片的事件管理器的三個全比較單元輸出6路PWM驅(qū)動信號和一個單比較單元輸出的1路PWM驅(qū)動信號，來驅(qū)動雙向全橋直流變換器的8個主開關(guān)管和電池側(cè)的有源無損鉗位開關(guān)管，如圖4.5所示對應(yīng)關(guān)系。圖4.5PWM驅(qū)動信號與開關(guān)管對應(yīng)關(guān)系五、軟件設(shè)計5.1軟件需求分析系統(tǒng)的控制部分均由軟件進(jìn)行，按照系統(tǒng)需求，軟件部分應(yīng)當(dāng)包含以下兩個部分的內(nèi)容：1）主程序部分主程序部分主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)上電自檢，其中包括CPU、內(nèi)存和AD的自檢，上電初始化程序以及執(zhí)行中斷服務(wù)程序，并按照中斷服務(wù)程序中控制器的輸出結(jié)果來輸出PWM控制信號。2）ADC中斷服務(wù)程序 進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，讀取ADC采樣結(jié)果并交給控制器，由控制器來比較電壓與來進(jìn)行充放電模式的判斷以及PID調(diào)節(jié)的過程。按照這兩部分設(shè)計出的軟件流程圖如圖5.1所示：圖5.1 系統(tǒng)軟件流程分析其中左圖為主程序流程，右圖為ADC中斷服務(wù)程序流程。六、結(jié)論與感想本文以雙向DC-DC