基于S3C2440的新型驱动电源设计

王　超,孙国强

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海　200093)



基于S3C2440的新型驱动电源设计

王超,孙国强

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海200093)

摘要在聚合物分散液晶材料的光性能研究中,合适的驱动电源是必不可少的实验辅助系统。针对目前相关商业产品偏少的现状,提出了一种以S3C2440微处理器为主控器的驱动电源系统设计方案。通过采用AD9833信号发生芯片产生波形、频率、幅值可调的交流信号,经过升压和功率放大后,输出电压可在400 V以内,供测试液晶材料光性能实验使用。实际使用表明,该系统能满足实验要求并简化了实验步骤,克服了在以往实验中驱动信号单一的缺点,与国外同类型产品相比,成本更为低廉。

关键词聚合物分散液晶;S3C2440;AD9833;驱动信号

聚合物分散液晶材料是一种新型的电光材料,为了研究聚合物分散液晶材料的电光特性,合适驱动电源必不可少[1]。目前该材料的电控特性仍处于实验室研究阶段,而研究工作中所采用的实验系统只有国外有少量的专用的定制系统,价格也较为昂贵,无详细的技术资料供借鉴。国内与此相关系统的研制还处于起步阶段,少量研究机构采用的实验系统只能做到频率固定,电压小范围调节,甚至会采用220 V/50 Hz工频信号进行实验,这严重制约了国内聚合物分散液晶材料相关领域的发展[2]。针对该问题,本文提出了一种基于S3C2440驱动电源的解决方案。该系统采用模块化设计,主要包括模拟信号生成模块,信号调制模块,微弱信号功率放大模块等,能为该液晶材料的实验提供幅值、频率均灵活可调的交流驱动信号,提供液晶材料所需的驱动电压。实际使用表明,该系统解决了之前频率和电压调节范围过于单一的问题,满足实验使用要求。

1系统总体设计方案

该驱动电源选用三星S3C2440微处理器作为主控芯片。由S3C2440负责控制可编程的两片AD9833波形发生芯片,通过软件编程的方式,来灵活选择输出波形的种类和频率。高精度可编程波形发生芯片根据实验所需的设定参数,生成所需的调制信号和高频振荡信号,经过加法器和乘法器构成调制电路对信号进行振幅调制,再经过升压和功率放大以后生成400 V以内驱动信号,输出电压信号加载在液晶基板两端,通过采集液晶材料衍射或透射光信号的变化情况,与所加电信号进行对比,能较好的研究液晶材料的电光特性。系统的总体设计框图如图1所示。

图1　系统总体设计框图

2系统的硬件设计

2.1控制器模块

控制器模块是整个驱动电源的核心部分,本系统采用三星公司的S3C2440作为主控芯片。此芯片有100多个多用途输入输出端口GPIO以及2个标准SPI接口,每个端口均可采用软件配置的方式来满足各种设计需求,方便对系统进行扩展[3]。本控制器模块主要承担的任务为:通过对波形发生芯片进行控制字的编程设置,控制波形生成模块所产生波形的种类和频率;控制直流分压信号的大小;与上位机通信,通过控制LCD触摸屏来实现实验参数的设定。主控芯片与波形发生芯片的接口电路如图2所示。

图2　S3C2440与AD9833连接图

2.2模拟信号生成模块

模拟信号生成模块负责生成实验中的各种波形信号,是整个系统硬件部分的核心模块,本系统所需要的高频信号和低频信号都要经过波形生成模块的可编程高精度芯片来产生。模拟信号波形生成模块采用AD公司生产的一款可编程的波形发生芯片AD9833,其可产生三角波,正弦波和方波[4]。AD9833可采用软件编程的方式来控制输出波形的频率,考虑到输出波形调制的需要,本系统采用两片AD9833分别产生低频调制信号和高频载波信号。当需要进行一次实验数据写入时,首先在主控芯片控制下发送片选信号,然后在SPI时钟控制下,控制器模块通过SPI总线以16位数据方式写入AD9833。FSYNC为低电平触发方式,写入数据在低16个时钟脉冲下降沿送入AD9833的移位寄存器。在芯片初始化阶段,为防止产生虚假输出需将RESET设置为高电平,待数据配置完毕再将其设置为低电平,在8～9个MLCK时钟周期才可观察到输出波形。FSYNC可作为片选端,通过S3C2440输出片选信号来分别控制两片芯片,电路如图3所示。

图3　AD9833电路图

2.3信号调制模块

信号的调制是指用携带有信息的基带信号去控制高频振荡信号的频率、幅值或者相位的某一种参数[5]。为方便液晶材料的光电效应以及方便实验数据的频谱分析,系统选用振幅调制的方式。信号调制模块需采用乘法器,系统使用BURR-BROWN公司生产的MPY634。其具有高精度、宽频带等特点,且在四象限内精度为0.5%的偏差,带宽最高可达10 MHz,且无需外部元件[6],其电路原理设计如图4所示。

图4　信号调制模块

如图所示,SF放大因数采用内部校准值10,v1为一路信号产生模块的高频信号输入,w1是调制信号与直流偏压线性叠加后的输入,UMPY1为乘法器输出,即振幅调制后的调制信号。

2.4功率放大模块

在设计完波形发生模块和嵌入式系统控制模块后,常规做法是只需要将经过控制的电信号输送给升压变压器,将低电压信号升高至高电压信号,便可产生满足实验所需的电压信号[7]。但在系统的实际实现中,变压器次级线圈输出端电压只有200 mV电流按照计算也只有0.1 mA。基于上述在设计和实验过程中出现的问题,本项目将嵌入式系统控制模块输出的电信号传送给升压变压器之前需进行功率放大,而完成这部分功能的模块称为功率放大模块。功率放大模块包括了前期运算放大器放大、中期音频信号功率放大芯片和最后升压变压这3部分。前期运算放大前期运放实现跟随器作用,将微弱信号进行初级放大,功率放大芯片将此信号进行功率放大,产生足够的功率驱动下一级升压变压器。升压变压器负责将功放芯片信号提升到最高400 V。经计算和实验验证,功放芯片输出电压在±10 V,因此变压器的升压比为1∶40。

3系统软件设计

系统软件主要负责向各模块发送控制信号,同时接受其他模块芯片的反馈信号,实现对信号的实时控制、输出、显示。对信号的控制体现在对信号控制参数的设置,向各模块发送控制参数命令帧。

3.1主程序设计

系统主程序首先进行系统初始化,系统初始化资源结束后启动控制界面,进行参数的设置,然后调用驱动层API对设备进行使能、频率、幅值等操作。将光信号通过专用数据采集卡采集,最后将数据在控制界面显示。主程序流程如图5所示。

图5　主程序流程图

3.2系统软件标志位

在实验过程中进行参数设定时,需要调用控制器S3C2440的外部中断,然后配置相关中断寄存器。为保证系统程序的正常运行,在软件设计时,设置了4个软件程序标志位,用以保证程序顺利判断所处的状态。其流程图如图6所示。

(1)实验开始标志位IS_Start:用来判断是否可开始实验,是整个系统控制模块的软件总开关;(2)实验开始IS_Up:用于判断是否正在进行一次实验。当系统处于此阶段时,禁止数据收发,以免新参数的输入对当前正在进行的实验造成影响;(3)IS_New:用于判断是否开始一次全新的实验。因每次实验设置有关输出信号的频率,幅值等参数并不相同,可理解成每次实验的初始化操作的程序标志位;(4)发送模拟信号IS_Send:此标志位表示一次实验过程中是否输出模拟信号,当次标志位有效时,开启输出通道,对外输出模拟信号。

图6　软件标志位流程图

3.3模拟信号生成模块子程序

波形发生模块是整个电源的硬件核心模块,只有在生成实验需求高频和低频交流信号的情况下,才能进行后续的升压和放大,最终生成电压和频率幅值都符合要求的交流驱动信号。本系统的波形发生模块采用两片AD9833可编程芯片,通过软件编程的方式,实时产生频率和相位灵活可调的交流信号。首先通过微控制器芯片S3C2440向负责生成高频或者低频信号的AD9833芯片发送片选信号,然后通过SPI通信口向AD9833的控制寄存器、频率寄存器、相位寄存器写入数据,完成芯片的工作模式选择,频率与相位的设定以及波形类型的选择,最后经过8～9个时钟周期,产生输出波形,产生的模拟信号进入下一级波形调制模块。当执行完一次输出后,系统会查询是否有SPI中断请求,如果有中断请求就表示有新的数据要写入波形发生芯片,将返回继续新的操作。其软件流程如图7所示。

图7　波形生成模块软件流程图

4系统性能验证

经现场测试,该系统已成功应用到聚合物分散液晶材料的光性能研究实验中。现场使用效果和反馈数据均表明该驱动电源能较好地满足实验要求。

(1)硬件测试时,模拟信号波形发生模块按照设计要求依次检测低频信号调制信号、高频载波信号和振幅调制信号波形输出情况。结合软件仿真的理论波形与实际现场采集波形进行对比,结果表明模拟信号发生模块能够按照原设计要求输出AM波形。图8(a)是软件仿真的理论波形,图8(b)是实际采集波形,其中调制信号幅度为±200 mV,1 142 Hz;载波信号幅值为500 mV,16 kHz,且每一个调制周期内有14个载波信号震荡。

图8　输出AM波形图

(2)将驱动电源的输出信号加载到液晶材料两端时。从理论上来讲,液晶材料的折射光强度会发生变化,且此变化与信号的电压强度变化是同步的。实际实验过程中,利用正弦信号和振幅调制信号的实验结果证实了以上结论。

图9(a)中是利用频率为1 kHz,占空比为50%,开关时间为10 ms的正弦信号驱动后的实验结果图,一行下方为液晶材料光反应变化图。从图中可看出,正弦信号能正常输出且可按照参数设置来开关,光信号变化图与驱动信号基本同步。

图9(b)是振幅调制信号的实际波形图,图片上方信号为频率40 Hz的调制信号,下方为液晶材料的光信号响应图。从图中可看出,液晶材料的光响应也随波形的变化同步响应,也从而证明了液晶材料对连续变化的驱动信号也具有足够的响应时间。

图9　正弦信号与振幅调制信号实验图

5结束语

本设计的目的是为聚合物分散液晶光性能实验研究中提供一种新型驱动电源的解决方案。该系统能够实现驱动信号的多样化,驱动信号的频率和电压幅值均可按实验要求灵活调整。实验结果也证明了该系统能满足该液晶材料光性能测试系统的基本功能,可作为此领域的一种研究平台。另外,在对此系统进行后续的功能上的延伸扩展后,也可用于电控光学斩光器的研究中。

参考文献

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[5]顾宝良.通信电子线路[M].北京:电子工业出版社,2002.

[6]刘书明,罗军辉.模拟乘法器MPY634应用中的几个问题[J].电子科技,2002(7):50-53.

[7]郝宪锋,成向阳.基于CPLD的双通道高压脉冲信号源[J].工业仪表与自动化装置,2014(5):37-39.

A New Driving Power Supply System Based on S3C2440

WANG Chao,SUN Guoqiang

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractA suitable driving power supply is essential for the research about optical performance of polymer dispersed liquid crystal materials.In view of the low amounts of related commercial products,a design scheme of a driving power supply by using S3C2440 Micro-processor as the main controller is put forward.An output voltage within 400 V is achievable after boost and power amplification by using AD9833 signal chip to generate the waveform,frequency,and amplitude adjustable AC signal.The practical application shows that this system meets the requirement of experiment with simpler procedures and lower cost and overcomes the shortcomings of simple driver signals in conventional experiments.

Keywordspolymer dispersed liquid crystal;S3C2440;AD9833;driving signal

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.003

收稿日期:2015-09-17

作者简介:王超(1987—),男,硕士研究生。研究方向:计算机应用技术,嵌入式。孙国强(1962—),男,副教授。研究方向:计算机应用技术。

中图分类号TN104.3

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)05-008-05