基于嵌入式系统的电力电子系统集成方法的探讨

重庆市三峡水利电力学校 李先成

1.引言

随着电力电子技术的飞速发展，大量学者在电力电子功率变换器的控制策略以及拓扑结构等方面的研究，具有较高的应用价值。但是，由于传统的系统在设计上的滞后，严重阻碍了控制策略和拓扑结构在整体系统当中的应用，也导致一些复杂的、高性能的电力电子设备出现大量问题。而设计者只有在软、硬件设计完成、测试后才能找到问题的根源，并加以修正，这样所付出的代价非常巨大。迫切需要引入新的系统设计理念和方法，来适应市场化的需求。而嵌入式系统先进的设计方法，大大减少了传统系统设计方法带来的缺陷，还可以极大节约成本和设计开发周期，为电力电子系统集成的发展提供了新的设计思路。

2.嵌入式系统国内外研究现状

嵌入式系统以其独有的系统设计方法，被广泛运用到现代信息产业的各个领域。如：数字电视的推广、电视机顶盒、手写文字输入以及语音拨号上网等。根据英国电机工程师协会对嵌入式系统的定义为：嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器甚至工厂操作的装置[1]，早在1993年，美国国防部纠集全美20多所顶级高校和研发部门实施的“RASSP”计划[1]，其目的就是通过研究嵌入式系统的设计新方法来降低军用芯片的设计周期和成本。在1998年在美国举办的世界嵌入式系统大会上提出的许多新技术成为引领世界信息产业发展的方向，在国内，嵌入式系统的应用时非常广泛，但是在嵌入式系统的技术方法研究方面，只有中科院推出了“Hopen”嵌入式操作系统和两三家国内研究院研究该领域。今年来随着计算机技术以及大规模集成技术的发展，嵌入式系统将再次走在IT应用领域的前沿。

3.嵌入式系统与电力电子系统的内在联系

根据文献[2]可知，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础的，并能适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的计算机系统[2]。一般可将嵌入式系统分为硬件和软件两大部分。如图1(a),(b)所示：

图1 嵌入式系统

图1(a)所示为嵌入式系统模块；图1(b)所示为一个标准的电力电子模块，两个模块对比可以看出来：电力电子模块同样具有嵌入式系统模块的特点，也由硬件和和软件两大部分组成。而硬件部分的功率变换器通常采用单片机或者DSP作为控制核心，并加以相应的控制策略，再根据相应的负载变化，对输入、输出的电流和电压进行有效控制。故我们可以认为，电力电子模块是对电能进行变换的嵌入式系统[3]。

随着，SOC(System On Chip)的发展，将整个系统集成在一个芯片上面已经变为现实，这就使得整个系统变得更加轻巧、更加节能、可靠性能更强。这种发展的方向是与电力电子系统集成发展方向是相同的，所以我们可以用嵌入式系统的设计方法与理念应用到电力电子的系统集成上，这将对电力电子产业的发展起到很重要的推动作用[2]。

4.嵌入式系统设计方法

目前，许多国家为了能够缩短产品的设计周期和成品，并提高产品的设计水平，都非常重视嵌入式系统设计方法的研究。但从当前的研究情况来看，研究的主要内容集中在设计自动化和计算机辅助设计等方面。从理论上来讲可以将它们归纳为：系统描述、系统测评和样机实现等[4]。

针对传统系统的设计方法所带来的种种缺陷，根据Y-chart[3]抽象理论来描述的嵌入式系统分为三个不同领域如：行为、结构和物理实现。这种理论由行为概况来具体描述，逐步向结构层面进行描述，最后在结构层面张的物理构件实体，再通过上述循环、叠加最终实现具体的电路和系统。由此，出现了新的嵌入式系统设计方法，即：软/硬件协同设计的方法。

该方法的研究是近年来的研究热点。美国的普林斯顿大学等高等学府专门成立了研究小组来对该方法进行更深入的研究，DAC(Design Automation Conference)会议上有大量篇幅涉及该系统设计方法。具体设计流程如图2所示：

图2 嵌入式系统软/硬件协同设计流程图

由图2可以看出，软/硬件协同设计的主要任务集中在以下几个方面：

(1)系统行为描述：系统行为描述主要是指用描述语言(如：System C语言)描述待设计系统的功能以及约束条件等，使得设计人员对系统有一个整体的认识并进行早期的可行性的验证。此种方法避免了传统的软、硬件分开描述所带来的缺陷。

(2)体系结构和软硬件划分：通过上述的系统行为描述语言建立的模型，根据系统在满足成本、设计周期和功耗等方面的要求，进行体系结构的选定，并通过反复循环和迭代来实现软、硬件的划分。

(3)软硬件协同模拟和验证：这一步主要是在软硬件在进行独立的详细设计之前，对系统进行的一种集成模拟测试。现阶段较为成熟的方法是：低层次的模拟研究，如ISS(Instruction Set Simulator)模型以及软件调试环境等。

对电力电子系统的设计也要完成这三个主要任务。伴随着科学技术的飞速发展和交叉应用，电力电子系统集成在一个芯片上是其发展的必然趋势和方向。但是，单纯地追求系统集成会造成可测试性和可靠性的缺陷，而在电力电子系统集成的过程中引入先进的嵌入式软、硬件协同设计的理念和方法，将会使得电力电子系统集成不仅是单独的功能和物理的集成，而且是现代电子信息产业工程设计新的起航点。

5.结束语

本文通过对比嵌入式系统和电力电子系统的内在关系，发现二者具有一定的相似性。通过对最新的嵌入式软/硬件协同设计流程的阐述，得出将嵌入式系统设计理念和方法应用在电力电子系统当中是可行的，对推动电力电子在系统集成方面的发展具有借鉴意义。在怎样用描述语言对电力电子系统进行描述和怎样对软/硬件划分的算法研究是下一步工作重心。

[1]MALLEYJHM.RASSP:ChangingtheParadigmofelectronic systemdesign[J].In:IEEEDesign&TestofComPuters.1996,13(3),Page(s):23-31.

[2]探矽工作室.嵌入式系统开发圣经[M].北京:中国青年出版社,2002.

[3]International Technology Roadmap for Semieonduetors1999.ITRS Website,httP://Public.itrs.net/fi les/1999-_SIA_Roadma.

[4]SGROI.M,LAVAGNO.L,SANGIOVANNI-VINCENTELLIA.FormalModelsforEmbeddedSystemDesign[J].In:IEEE Design&Test of Computers,June2000,17(2),Page(s):14-27.