基于堆栈遍历的智能断电控制系统设计

黄冠华，陆兴华

(广东工业大学华立学院，广州　511325)

基于堆栈遍历的智能断电控制系统设计

黄冠华，陆兴华

(广东工业大学华立学院，广州511325)

摘要：通过设计电源的智能断电控制系统，避免过载导致电器设备的损坏。提出一种基于堆栈遍历的智能断电控制系统设计方法。系统主要包括了预处理机动态增益控模块、放大器模块、智能断电滤波模块和电源模块。设计了时钟信号驱动电路、时钟电路、复位电路和动态增益控制电路，在Visual DSP++ 4.5软件开发环境下进行系统软件开发，并进行了仿真实验。

关键词：智能断电控制；电压；堆栈；系统设计

[1]

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(本文编辑：严加)

电力与电源的控制系统是一种高精度高可靠性的控制系统，特别是电力控制系统中的电源断电控制系统，是保障整个电力系统安全可靠运行的关键。通过设计电源的智能断电控制系统，避免过载导致电器设备的损坏。随着科技技术的发展和现代集成化电子元器件的不断革新，采用集成DSP数字处理芯片，结合嵌入式计算机控制方法，进行电源的断电控制成为未来智能断电控制系统发展的趋势，随着对电力精确控制提出更高的要求，研究智能断电控制系统优化设计方法具有重要意义[1]。

智能断电控制系统工作原理是通过输出电脉冲信号实现对过载峰值电压的量化分析，传统的断电控制系统设计采用单一道址计数方法进行断电控制，当达到器件所能承受的最高负荷时进行智能断电，该方法受到分离元件工作温度的影响较大，控制性能不好。对此，相关文献进行了改进设计[2-3]，其中，文献[4]提出一种基于分散DCS控制的智能断电控制系统设计方法，基于模块化设计思想，采用ADSP-BF537控制电源智能断电，通过CAN通信模块设计进行峰值电压和峰值电流的判断，实现断电控制，但该控制方法的抗干扰性能不好，避免了温漂现象。文献[5]提出一种基于交流耦合误差补偿的智能断电控制方法，对断电脉冲采用缓冲寄存方法，在缓冲区设置成双缓冲，提高断电的准确度，但该方法需要CAN总线发送的远程帧，导致远程控制性能不好。

针对这些问题，本文提出一种基于堆栈遍历的智能断电控制系统设计方法，首先进行了断电控制系统的总体设计和性能参数指标描述，然后进行了系统的硬件设计和软件设计，最后通过系统仿真实验进行了性能测试和验证，仿真实验表明，采用该方法具有较好的控制性能，展示了较好的应用价值。

1智能断电控制系统总体设计和模块分析

1.1智能断电控制系统总体设计

智能断电控制系统是采用电压脉冲探头对电源的电脉冲信号进行检侧，检测到脉冲峰值后进行能谱测量，先通过VXI总线驱动的高速电压脉冲检测器进行数据的A/D转换，基于模拟信号预处理进行断电信息的采集和控制[6]，通过电流传感器采集电流信号，采用AD9225设计智能断电控制系统的时钟电路，峰值保持器将电源的电压峰值锁止在低速A/D采样端口，当电源收集到一个断电脉冲后，进行循环堆栈寻址，对应单片机内存加1，最后把断电信息通过人机交互实现信息显示。

系统总体工作流程如图1所示。

图1　智能断电控制系统总体工作流程

在图1中，A/D转换器前通过CAN总线发送短电控制脉冲，在VisualDSP++ 4.5软件中[7]，通过小型化、低功耗的低速A/D将SP内部缓冲额短短峰值电压进行量化，转为数字信号，过D/A调节高压放大倍数，增加驱动能力，采用Aeroflex公司发布3280系列高端逻辑芯片控制中间件配置，在上一个缓冲区中，设计DC-DC电源转换模块、PLC可编程逻辑控制，此时智能断电控制系统的整流电路的放大倍数为：

智能断电控制系统的D/A转换器输出的电压阻抗，利用匹配网络来控制系统功放管内阻，进行智能断电控制，智能断电控制系统的总体设计框图如图2所示。

图2　智能断电控制系统的总体设计框图

由图2可见，智能断电控制系统主要包括了预处理机动态增益控模块、放大器模块、智能断电滤波模块和电源模块。下面分别对各个模块的运行参量和原理进行分析。

1.2断电控制系统的模块分析

智能断电控制系统的数据采集与处理系统是整个系统设计的关键，在智能断电控制的DSP系统中，通过外部晶体配合电压脉冲进行时钟信号的驱动，得到智能断电控制系统的时钟信号驱动电路如图3所示。

图3　智能断电控制系统的时钟信号驱动电路

其中，VCE为A/D芯片的采样降，与智能断电控制系统的电流大小有关，VCE随晶振的供电电源的电压而增大。在不会影响晶振时，VCE一般在10V左右(运放手册可查)，采用堆栈循环遍历原理对断电控制电路进行循环堆栈控制，得到输出的导纳及阻抗参数分别为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

在智能断电A/D转换控制中，根据串并联复合匹配进行断电控制系统的特征采样，得到智能断电控制系统的设计过程描述如下：

(1)采用电容进行交流耦合控制，阻抗值G、B和堆栈循环控制阻抗为SvL，电容充电完毕后，确定GX值。

(2)输入信号的平均幅度，指定φX值(如φX≤20°)，进行电荷脉冲堆积，按式(1)计算值。

(3)由式(2)计算BL2值，当脉冲频率较低时由式(3)、式(4)求R、ZX。

(4)假设V代表耦合电容，由式(4)确定ZLC值。

(5)由式(5)确定L1、C值。L1、C值需要在各频率点进行循环堆栈遍历控制，随参数不断变化，直到各点的cosφXi均满足要求，当高端DI大时，抑制了基线漂移。

(6)计算PL、PD。实现智能断电控制。

2系统设计与实现

2.1系统硬件设计

在智能断电控制的总体设计和原理分析的基础上，进行系统硬件设计。系统设计主要是对智能断电控制系统的时钟电路设计和控制电路设计，采用16位定点DSP内核进行式中电路控制，使用有源晶振。

采用ADSP-BF537的内核，经24倍频后形成103 838Hz时钟电路内核，从串行的TWI存储器引导，采用串行的SPI存储器引导数据加载到DSP中，得到智能断电控制系统的时钟电路如图4所示。

图4　智能断电控制系统的时钟电路

为了提高断电系统的时钟控制性能，在电源入口处放1个10～100μF的晶振电容，在时钟电路的末端要放1个0.1μF的电容抑制低频干扰，布线应尽可能的短发射功率可以小一点，允许相位角适当大一点，在时钟控制电路中产生EMI辐射，引起阻抗变化，本文设计的智能断电控制系统具有VCC检测功能，设计独立的看门狗电路，在看门狗输出为低电平时进行电压复位，确保DSP系统中电路稳定，复位电路采用分立元件构成，当VCC不足3.3V时进行看门狗复位，本文设计的智能断电控制系统的复位电路原理图和芯片接口图如图5所示。

在复位电路设计的基础上，进行程序加载电路设计，实现对智能断电控制系统的动态增益控制模，智能断电控制系统的动态增益控制的准确度稳定在±1/2LSB，IO电源(3.3V)，采用10、0.1、0.001μF的电容并联进行功率补偿、CCDF功率，采样时钟由CLKBUF给出，第二级选用VCA810，工作电压±1.5V，DG3301在3.3V到5V的电平转换，在MAX7425的前级采用数字地和模拟地进行直流偏置控制，通过SCSI-68反馈动态增益控制双端口RAM，通过0电阻单点相连，实现对智能断电控制系统的动态增益电路设计，智能断电控制系统的动态增益模块如图6所示。

图6　智能断电控制系统的动态增益模块

智能断电控制系统的高压部分由电压信号控制，在VisualDSP++ 4.5软件开发环境下进行系统设计和调试，软件设计部分描述如下。

2.2智能断电控制系统的软件设计

在智能断电控制系统的硬件模块设计的基础上，进行软件设计，通过软件开发实现人机交互控制，在VisualDSP++中采用集成开发环境IDDE进行信息交换，开发应用程序之前，进行智能断电控制及程序加载，智能断电控制系统中使用的交叉编译器统一为arm-linux-gcc-4.1.2，arm-linux-gcc-4.1.2编译器，文中采用的交叉编译以及使用标准GCC编译的方式，用来配置qtx11、编译和安装，脚本名为install-qt-x11.sh，编译GSL库、Tslib库文件，实现智能断电控制中的诸如滤波、去抖、校准等流程，智能断电控制系统软件开发实现流程如图7所示。

图7　智能断电控制系统软件开发实现流程

首先进行初始化，包括：智能断电控制的时钟频率初始化、智能断电控制的存储器初始化，数据指针中断初始化，判断A/D采样是否完成，同步串口0初始化，智能断电控制的初始化流程如图8所示。

图8　智能断电控制的初始化流程

进一步配置CAN_MD1寄存器，判断CAN配置的完整性，通过PPI接口的DMA功能进行中断标志位通知，程序运行过程中采用循环堆栈遍历进行断电的高压调节，要调节的数字量ΔD=65 536×V/5，输出范围为0～5V，接通，过烧写器烧写AT25HP512与DSP的接口，修改最上层的Makefile文件，实现智能断电控制，在指定交叉编译器的执行“Makemenuconfig” ，程序为：

exportIHIHIHY:JKKJGGYFT:= $(SEOHBWSNH)

ARCH?=armSoundcardsupprt

CROSS_COMPILE?=arm-linux-

Apihonkolks(assgrweet-legbb) --->

(/homesghghments/nfs)BusyBbgexInssvgrgnbrefix

BusyboxLidfhgnbryTudgthnng---> [*]Supportfor/etc/networks

3实验分析

为了测试本文设计的基于循环堆栈遍历的智能断电控制系统的性能，进行了仿真实验。系统测试中，断电脉冲的采样频率为600MHz，nop为单周期指令，断电控制系统的高压调节低电平为3.3V，始调用内核中的AD7656.ko驱动模块，开始AD采集，得到智能断电控制系统A/D输入端为25MHz的正弦信号。

输入波形如图9所示。

图9　智能断电控制系统的输入波形

根据上述系统输入波形为采样样本，进行智能断电控制，在输入端接入标准信号发生器，输出端接入示波器，调理电路的低通截止频率为80Hz，得到断电控制的脉冲响应输出见图10。

图10　智能断电脉冲输出响应

从图10可见，采用本文方法能有效实现智能断电控制，断电控制信号发生器接入到四路AD采集通道，检测到断电控制信号的AD能完整采集断电控制请求脉冲信号，有效抑制了温度漂移和基线漂移，展示了较好的应用价值。

4结语

通过设计电源的智能断电控制系统，避免过载导致电器设备的损坏。传统的断电控制系统设计采用单一道址计数方法进行断电控制，当达到器件所能承受的最高负荷时进行智能断电，受到分离元件的工作温度的影响较大，控制性能不好。

本文提出的基于堆栈遍历的智能断电控制系统设计方法，在VisualDSP++ 4.5软件开发环境下进行系统软件开发，仿真实验表明，采用该方法设计的系统具有较好的智能断电控制性能，断电控制信号的AD能完整采集断电控制请求脉冲信号，有效抑制了温度漂移和基线漂移，性能优越。

参考文献：

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(本文编辑：严加)

Design of Intelligent Power Off Control System Based on Stack Traversal

HUANG Guan-hua, LU Xing-hua

(HualiCollege,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou511325,China)

Abstract:The design of the intelligent power shutdown control system can help avoid electrical equipment damage caused by overload. This paper presents an intelligent power shutdown control system based on stack traversal. The system mainly includes the dynamic gain control module, the amplifier module, the intelligent power off filter module and the power module. The clock signal driving circuit, clock circuit, reset circuit and dynamic gain control circuit are designed. The system software is developed in DSP++ Visual 4.5 software development environment.

Key words:intelligent power off control; voltage; stack; system design

DOI：10.11973/dlyny201603004

基金项目：2012广东省质量工程项目(粤教高函[2012]204号)；2013年广东省高等学校专业综合改革试点项目(粤财教[2013]329号)；2013广东省大学生创新创业训练计划项目(1365613040)；2012广东省质量工程项目(粤教高函[2012]204号)

作者简介：黄冠华(1992)，男，主要研究方向为电力电子技术。

中图分类号：TP273

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)03-0282-05

收稿日期：2016-03-15 2016-03-18