嵌入式系统设计方法在电力电子系统集成中应用

彭云华

摘要：电能的生产及利用由于现今科技的逐步发展也在随之进步及发展。但是，不可否认的是，电力电子技术在发展过程中依旧不可避免地存在着许多大大小小的问题，致使电力电子设备在普及应用这条道路上存在着阻碍。本文剖析了电力电子系统集成研究中如何结合嵌入式系统设计方法，并针对嵌入式设计方法问题进行了阐述。

关键词：电子电力；系统集成；嵌入式系统设计方法

中图分类号：F407文献标识码： A

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。电能的应用随着电力电子技术的不断改革而发生着重大的变化。电力电子集成技术关系着整个电子行业的发展，是电能被广泛应用的重要前提条件。电力电子技术的相应改进，不仅实现了电子的应用系统，还使技术改革中的人力、物力以及财力最大限度的降低，促进了社会经济效益的提升同时也使电力、能源以及工业生产中实现自动化。电力电子集成技术的发展，是电子领域的高技术、高质量、应用效果强大的结合产物。

一、电力电子系统集成

系统集成是指将已有的元器件及部件进行集合拼装，组成一个整体的系统。系统集成属于功能集成，难度性与集成度都相对偏低，在当今工程技术领域应用广泛。但是系统集成的集成度偏低，无法较好地使其体积及重量减小、降低，且构造复杂，集成优势无法明确体现。系统集成常用于大功率及结构复杂的电力系统。大量有实体设备的出现为机器的有机组装提供了可能，通过合理的搭配组合能够制造出成品的系统机器。面对电力电子中，可以选用过个电路设备以及相关的装备进行系统的集成，使系统的整体性能得以更加完整。主要集成的是功能，使不同的功能集合一起发挥其强大的作用力，而相对技术与集成度与集成技术的要求较低。通过这种方式进行系统集成组合，与独立系统进行比较会发现他的重量较高，体积较大，不能够有效的发挥集成线路所具有的优势。虽然对电力电子系统集成的需要越来越迫切，可是相对于微功率的超大规模集成电路而言，电力电子系统集成的研究任务更加艰巨。

电力电子系统有着自己独有的特点：功率范围极宽；一个系统（PSIP）的组成需要将功率器件与低压控制、传感器件的芯片集成在一起（PSOC）或将高功率器件和控制器件在同一衬底基板上组构成；功率无源元件的集成；功率系统集成的通信技术，电磁兼容和稳定性问题等。电力电子系统集成的方法有很多，本文基于嵌入式系统的电力电子系统集成方法的探讨。

二、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。

三、嵌入式系统与电力电子系统的内在联系

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(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]。

四、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。

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：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。

五、嵌入式系统软件实现的常见问题

1、余量问题

结合相关的要求，在硬件载体中加载和运行嵌入式系统软件，需要留出的存储余量和运行速度余量需要达到 20% 左右。嵌入式系统软件往往有着较高的实时性要求，采用的运行方式往往是中断或者周期的，那么所有实时任务都需要执行于有效周期内，这样在进行系统操作和后台处理时，利用留下的 20% 余量来进行，系统才可以更加安全地运行。如果实时任务的运行不能够在当前周期内完成，那么就会降低系统性能，甚至在积累作用下，还会瘫痪系统。在存储余量方面，对于存储余量的实现，可以通过程序存储器来实现，可以编译、汇编和连接嵌入式软件，对文件进行静态分析和内存，统计软件不同模块对 ROM 的占用情况，这样，总的 ROM 占用情况就可以有效得出来，为了达到余量要求，一般采用的方法是代码优化。

2、运行速度余量

对于嵌入式系统来讲，非常重要的一个方面就是运行速度余量。在监控实时任务执行周期的过程中，因为难以有效确定程序的最大执行路径，那么系统有效状态的软件分支组合状态也就无法确定了，这样就无法确定程序的动态运行时间。为了对软件的运行速度余量进行验证，逆向的方法也可以采用。具体的做法是这样的，人为在软件每一个运行周期的起始位置进行 20% 运行周期时间的延时，然后对程序运行情况进行仿真，如果系统可以稳定地工作，那么我们就可以判断系统的运行速度余量满足相关的要求。需要特别注意的是，不能够利用编译器内的延时函数来实现延时，因为可能会有停止中断的事情出现在编译器延时函数的使用过程中，或者出现周期计数的问题，这样都会影响到统计数据的正确性。

3、中断的问题

嵌入式系统软件及时响应外部事件，一般是通过中断技术控制来实现的，并且在中断服务程序中实现响应的处理功能。从实质上来讲，中断服务是将一个运行环境提供给了嵌入式系统，以便进行事件驱动，要想实现不同的功能，只需要通过中断服务程序对相关的功能模块进行调度即可。通过中断控制，嵌入式系统可以更加灵活方便的应用。但是，也让一些隐患留设于嵌入式系统软件设计实现中，中断的嵌套会增加软件的结构层次，在设计软件时，因为中断的保护和恢复现场具有较高的要求，那么就需要将计算机的硬件特性充分纳入考虑范围，并且中断系统公用变量的问题十分容易发生。如果有多个中断源存在于嵌入式系统中，并且中断服务程序与之互相对应，那么就需要充分注意不同中断服务程序之间的公用变量。

结束语

电力电子系统集成涉及到许多共性的电力电子应用基础理论和关键技术问题，是电工学科、信息学科、材料学科等多学科的高度交叉，是一个以电力电子技术为基础的新学科增长点，代表着 21 世纪电力电子技术发展的方向，具有促进电力、能源、工业生产过程自动化产生革命性的变革的良好前景，开展电力电子系统集成的研究具有重要的学术和实用意义。

参考文献

[1] 周正，童维勤.嵌入式系统应用程序移植的研究[J]. 微计算机信息. 2006(29)：133-134.

[2] 曾树洪.关于嵌入式Linux系统实时性问题的探讨[J]. 惠州学院学报. 2007(03)：13-14.

[3] 王德新，唐非，赵龙.数据库信息管理技术在嵌入式系统应用中的研究与探讨[J]. 科技创新导报. 2011(05)：68-69.