硬件电路（精选8篇）
硬件电路 篇1
0 引言
随着专用集成电路中可编程逻辑器件的发展，新的数字系统设计正愈来愈多地采用可编程逻辑器件实现[1,2]。因此，可编程逻辑器件代表了现代数字技术的发展方向[3]。随着现代电子技术和信息技术的飞速发展，数字电路已从简单的电路集成走向数字逻辑系统集成，即把整个数字逻辑系统制作在一个芯片上(SOC)。
随着可编程逻辑器件的广泛应用，硬件描述语言(Hard Description Language,HDL)已成为数字系统设计的主要描述方式[4,5]。采用硬件描述语言对数字系统进行描述是现代数字系统设计的发展方向，掌握硬件描述语言十分必要。目前较为流行的硬件语言有VHDL、Verilog HDL等。
由于硬件描述语言描述电路具有许多优点，本文提出在数字电路的教学中，融合硬件描述语言进行数字电路的描述，便于提高对数字电路的理解，且能够提高创新设计能力[6]。
1 硬件描述语言的优点
(1）采用自上至下的设计方法
数字系统已经发展到超大规模集成电路方向。过去设计采用分离元件和小规模集成电路的设计方法是积木式的方式，先进行组合“试错”。而采用硬件描述语言的方法则可以在开始从全局描述数字系统功能，即采用自顶层向下层设计的方法。
(2）设计的系统采用ASIC芯片实现
采用硬件描述语言设计的数字系统可以通过可编程芯片或专用芯片(ASIC)来实现，方便修改功能和升级设计，大大提高了灵活性。而采用分离元件或小规模集成电路的设计方法则是使用固定的器件，无法对器件功能进行改造。
(3）设计中存在的问题发现和修改容易
采用硬件描述语言进行设计，在设计中可以借助EDA工具在早期发现问题，且修改程序非常容易。而采用分离器件或小规模器件的积木设计方法,则是在设计完成后才能实验，且一旦发现设计问题，修改设计方案和分离器件不太方便，且修改后又必须全部设计完成才能再次实验，因而灵活性差。
(4）降低了硬件设计的难度
采用硬件描述语言对数字系统进行设计，设计人员可以专心于数字逻辑功能和语言的语法规则，而可以不必掌握数字硬件芯片的内部结构，大大降低了硬件的设计难度。在最后才采用可编程器件或ASIC来实现硬件，可以交给专门人员进行。
(5）描述简洁
比较流行的硬件描述语言有VHDL和Verilog HDL两种。这两种硬件描述语言类似于计算机的程序设计语言，特别是Verilog HDL类似于C语言，学习掌握比较容易。采用硬件描述语言描述数字部件非常简洁。
(6）阅读修改保存方便
采用硬件描述语言描述的数字系统是程序文件，而不是电路图。相对而言，电路图阅读起来比程序难懂,电路图保存的是图纸;而采用硬件描述语言设计的数字系统是程序，保存也非常方便。
(7）设计实验方便
采用硬件描述语言完成设计后，借助于EDA(电子设计自动化)软件工具可以方便地验证设计，而不必采用器件实现和采用昂贵的逻辑测试仪进行验证。例如：采用硬件描述语言Verilog HDL设计一个二输入与门数字电路，设计的代码为：
module AND(A,B,L);
input A,B;%A,B为输入
output L;%L为输出
reg L;%L为寄存器
always@(A|B)
begin
L=A&B;%与门运算
end
endmodule
在EDA软件中验证，得到仿真功能如图一所示。
从图一可见，输入A和B都为低电平0时，输出L为低电平0;输入A为低电平0,B为高电平1时，输出L为低电平0;输入A为高电平1,B为低电平0时，输出L为低电平0;输入A和B都为高电平1时，输出L为高低电平1。可见，设计满足了二输入与门的逻辑功能，设计达到了要求。在该验证中，仅仅是采用了EDA软件，大大降低了设计实验的成本，提高了效率。
2 数字电路内容与硬件描述语言内容的分析
2.1 数字电路与硬件描述语言两门课程的主要内容
数字电路教学的内容包括：数字逻辑、逻辑代数、逻辑门电路、组合逻辑电路、锁存器和触发器、时序逻辑电路、存储器、脉冲的变换与产生、数-模和模-数转换电路等。
在数字电路内容中，一般不安排硬件描述语言的内容，单独将硬件描述语言列出作为另一门课程开设，硬件描述语言的内容包括：硬件描述语言程序构成、硬件描述语言的语法规则(数据类型、运算操作符、控制语句等)、组合逻辑的硬件描述语言设计、时序逻辑电路的硬件描述语言设计、存储器的硬件描述语言设计。
2.2 数字电路与硬件描述语言两门课程分离的缺点
将这两门课程独立，存在以下缺点：(1)内容重复。这两门课程在门电路、组合电路、锁存器和触发器、时序电路设计和存储器等方面存在重复内容;(2)课时分配不恰当。在数字电路教学中，一般安排的课时较多。数字电路的实验课程一般也安排比较充分。硬件描述语言往往是作为选修课程，因而课时安排较少，特别是采用硬件描述语言进行设计的实践环节方面安排的课时较少;(3)重视力度不够。数字电路是基础课程，特别是考研课程，容易引起学生的高度重视。而硬件描述语言这门课程作为选修课程往往不引起注意,这恰恰是抓不到重点;(4)不利于提高设计能力。数字电路和硬件语言的设计思路可以完全不一样。注重基础的数字电路，固然可以掌握牢固的知识，但数字电路实验大多是验证性的，设计性实验较少。而采用硬件描述语言的内容恰好是设计实验多，验证可以少。
2.3 数字电路与硬件描述语言融合的优势
将数字电路和硬件描述语言这两门课程内容融合，可以起到以下优势：(1)改变了设计思路。数字电路是传统的自下至上的设计思路，而硬件描述语言是采用EDA工具的自上而下的设计新思路;(2)整合了知识体系。数字电路和硬件描述语言在内容都存在重合的内容，因而可以合为整体;(3)节约了课时。数字电路和硬件描述语言都分别需要独立课时完成内容的传授。整合为一体后，可以充分压缩总课时;(4)保存学习的连贯性。数字电路一般放在低学年进行教学，而数字电路内容学习完成后，一般不是马上就开始进行采用硬件描述语言的数字系统设计教学，往往是在高年级才进行硬件描述语言的教学。这使得学习后续课程又必须重新温习前面学习的课程，造成衔接不顺利。
3 数字电路与硬件描述语言的融合方法
3.1 在教学内容上融合
重新将数字电路与硬件描述语言两门课程的内容进行整合，重新安排教学内容的顺序。由于数字逻辑是数字电路和硬件语言的基础，所以首先必须安排教学数字逻辑基础,然后再进入基本的门电路和触发器学习，再分别安排学习组合电路和时序电路内容，在此基础上再学习存储器。安排的内容为：数字逻辑、逻辑代数、门电路、组合电路、锁存器和触发器、时序电路、存储器，并在每部分加入硬件描述语言的设计内容。至于脉冲信号变换和产生、数字模拟与模拟数字变换内容，可以单独融入其它课程开设，例如，在《接口电路》、《传感器应用》等课程中开设。
3.2 在实验中融合
在数字电路与硬件描述语言融合后，可以将数字电路与硬件描述语言的实验进行融合。具体是在实验中保持部分验证实验，如：门电路逻辑验证实验的同时，增加设计性实验。设计时要求采用硬件描述语言设计方法而不是采用分离器件或小规模集成数字电路设计，并且采用EDA软件验证，在条件许可的同时还可以采用可编程器件进行验证设计。
3结束语
本文提出了数字电路与硬件描述语言融合，提高设计数字电路与系统能力的思路。采用硬件描述语言设计数字电路具有许多优点。本文分析了数字电路和硬件描述语言两门课程为内容，然后分析了这两门课程分离的缺点与融合优点,提出了在教学内容和实验中融合，提高设计能力。在数字电路的教学中，融合硬件描述语言进行数字电路的描述，便于提高数字电路的理解，且便于提高创新设计能力。
参考文献
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[6]陈帅,钟先信,刘积学.数据双向缓冲器IP核设计与仿真[J].工业仪表与自动化装置,2008,204(60):20-22.
硬件电路 篇2
关键词：AT89S51；光电检测；硬件电路；太阳能跟踪系统
中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0001-03
1 内核设计
51单片机是本系统的核心处理器，在本设计中它的主要作用是：接收从光电检测部分得到的信号，通过对该信号的分析处理后，输出信号控制步进电动机转动，从而带动太阳光接收装置水平竖直双轴转动，最终实现对太阳能的跟踪。
本设计中采用的是AT89S51单片机。AT89S51是一个低功耗高性能单片机，DIP40封装有40个引脚，32个外部双向并行I/O口线，2个外部中断源，2个16位可编程的定时/计数器，2个全双工串行通信口，支持在线编程。
2 光电检测模块的设计
2.1 光电传感器的选择
本设计采用光敏二极管作为前端太阳能电池板上的检测传感装置，因其具有良好的光电特性和较高灵敏度，且具有良好的稳定性和输出持续性。其符号和外形，如图1所示。
光敏二极管的参数：
①Umax：最高工作电压，无光照，其反向电流不超过0.1安培时，两端所加的反向最高电压值。
②Tr：响应时间，将光信号转换为电信号所需的时间。
③IL：光电流，有光照时，其两端加有正常反向工作电压时的电流值。
④Sn：光电灵敏度，光敏二极管对光的敏感程度。
⑤ID：暗电流，无光照射时，光敏二极管两端加有正常工作电压时的反向电流。
主要型号与参数，如图2所示。
根据上表，对价格、响应时间、灵敏度等参数进行综合考量后，确定了本设计中光敏二极管的型号：
①2CU1E作为检测昼夜的光敏元件。原因：响应时间短，光敏区大，易接收光线。
②2CU101D作为检测阴晴的光敏元件。原因：灵敏度高，细微的光线变化也能检测到
③3DU33作为晴天时检测太阳光是否正射的光敏元件，原因光敏区大，感应电流大，响应时间短。
2.2 前端太阳能检测装置的设计
前端太阳能光线检测装置由五个光敏二极管的组成，外部套有顶部开孔的圆柱形罩子，如图3 所示。
要想达到理想的检测效果，则需对罩子上开孔的直径、罩子的高度、内部光敏二极管的排列及间距等有严格的要求。照射的示意图，如图4所示。
为了达到良好的照射效果，圆柱体外罩上孔的直径D应为光敏二极管3DU33（D0）的直径5 mm。并处于其正上方。确保阳光直射时，完全照射到D0上。
同时必须注意的是：D0与D1、D2、D3、D4中任一个光敏二极管之间的距离不可以小于5 mm，各二极管之间的间距略大于光敏二极管的直径便可，确保光线时刻都能照射到任一个光敏二极管，且只能照射到卫衣一个光敏二极管上。因此，本设计中将间距定为6 mm（二极管直径为5 mm）。
我们设定每次检测的间隔时间为15 min，直射D0开始， 15 min后，太阳偏移，光线经外罩中孔斜射入内，照射二极管。当太阳光斜射时，设斜射角度为β，则可计算出圆柱型外罩的高度。在下一次检测到来之前，即15 min内，光线要从正射D0移动到照射D0不足直径的一半，或能照射到D1＼D2＼D3＼D4中的任意一个的直径一半以上。则阳光移动距离的L要大于或等于0.5倍光敏二极管的直径，即>=2.5 mm，同时要小于或等于1.5倍光敏二极管直径，再加二极管之间6mm的间距，即<=13.5 mm。
故可得以下结论：L=Htanβ，（2.5≤L≤13.5）（1）
H=Lcotβ（2）
太阳24个小时旋转360 °，每10 min移动的角度是一个定值。每小时15 °，则太阳15 min约为 4 °，可计算出：36 mm≤H ≤193 mm。本设计中取高度为40 mm。
2.3 光电检测电路设计
光电检测部分的电路主要有：昼夜检测电路、阴晴检测电路、晴天光线检测电路。
2.3.1 昼夜检测电路
昼夜检测电路的作用是通过初检判断当前是白天还是黑夜，若为黑夜，则系统进入中断，无需工作，切换为睡眠模。若为白天，则进一步进行阴晴检测步骤。
工作原理：采用2CU1E型光敏二极管作为光敏元件，用其判断白天黑夜。比较电路采用运算放大电路，该运放的输出端接单片机P3.2上。运放的反相输入端接固定电压+5 V，运放的同相输入端接2CU1E光敏二极管的正极，通过试验确定R51=100 kΩ，R52=1 kΩ，R2=1 kΩ，R53=1 kΩ。昼夜检测电路原理图，如图5所示。
2.3.2 阴晴检测电路
本设计中采用两种太阳能跟踪方法：光电跟踪法和角度跟踪法。由于白天的太阳光线的强弱是不确定的，有阳光灿烂的晴天，也有阴云密布的阴天。有时阴天的太阳光线较弱，无法使光敏二极管导通，从而导致系统的光电检测模块失效，甚至是整个系统的混乱，此时采用角度跟踪法更加合理。所以，在确定为白天之后，需要判断的是否为晴天。电路图，如图6所示。
2.3.3 晴天时的光电检测电路
该电路是本设计中实现太阳能光电跟踪方式的核心电路。将五个3DU33型光敏二极管按照图5安放在前端圆柱形太阳光接收装置的底部。与接收阳光照射的电池表面平行，目的是保持统一的阳光入射角度。
此电路由D0-D4五个3DU33型光敏二极管、R0-R4五个定值电阻 、一个LM324芯片（封装四个运算放大器U1-U3）构成。具体接线如下：5个3DU33型光敏二极管的负极共接电源；它们的正极分别与LM324芯片的输入端相接：LM324芯片的4个同相输入端均连接在D0的正极上，芯片的4个反相输入端分别与剩余四个3DU33型光敏二极管D1-D4的正极相连接。构成了D0与D1、D2、D3、D4组成的四个相同的比较电路。LM324芯片的四个输出端即四个运放的输出端与单片机 AT89S51 P2.0-P2.3并行I/O口线相连接。因此，通过读取P2.0-P2.3端口输入电平的高低即可判断出太阳光线入射的角度。电路图，如图7所示。
3 电机控制电路设计
在前篇所述的光电检测电路中，光信号一步一步被转化为单片机可识别的电信号，从而完成由单片AT89S51为内核的太阳能跟踪系统的实现。本设计采用步进电动机来控制前端太阳能接收装置的角度调整。而电机的转动是通过AT89S51来控制的，通过对两级 NPN三极管导通和截止的控制，进而实现对继电器闭合或断开的控制，从而达到控制电机的转动目的。如图8所示。
该电路的工作原理：当太阳光未正射前端接收装置，通过前端的光电检测电路，将电信号转换为单片机AT89S51可以识别的电信号，假设D1受到光照，此时单片机的P2.0口线会输入一个低电平。此时通过软件控制系统的程序将P1.4口线清零，导致电机控制电路的第一个晶体管Q1截止，第二个晶体管Q2导通，于是继电器闭和，电动机有电流而转动，由此实现了单片机对电动机的控制。
4 时钟电路设计
当光电检测电路检测到当前天气为阴天时，软件控制系统将转变太阳能跟踪方式，采用角度跟踪方式，由于角度跟踪方式是将当地当时的太阳角度参数的计算函数写入，只需确定当前时间就可计算出确切数值。
本设计中采用DALLAS公司生产的DS1302串行实时时钟芯片，与单片机相连，需要的串行时钟SCLK、数据线I/O、复位线RST三根线。数据是以一次1-31个字节进行传送的。如图9所示。
5 结 语
基于AT89S51单片机的太阳能跟踪系统，采用光电检测追踪与角度追踪相结合的太阳能跟踪方式，使用电机带动双轴实现360度无死角旋转，能够实现低成本、高精度、高稳定性的跟踪效果。
参考文献：
[1] 王涛.基于光敏感应及角度计算的太阳追踪系统的设计与实现[D].成 都：电子科技大学，2009.
[2] 王东娇，朱林泉，薛忠晋.太阳能独立光伏发电系统控制系统的研究与 设计[J].山西电子技术，2010，（2）.
[3] 崔惠柳.串行实时时钟芯片DS1302及其应用[J].广西工学院学报，
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leveling PV output powerfluctuations of PV-diesel hybrid systems
connected toisolated power utility[J]. 2009.
[5] Zekai en .Solar energy in progress and future research trends.
硬件电路 篇3
计数是一种最简单基本的运算[3]计数器就是实现这种运算的逻辑电路, 计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数, 以实现测量、计数和控制的功能。
2 硬件测试电路设计
测试电路由4个部分组成, 即锁相环模块, 计数器模块, 防抖电路, 译码模块, 每个部分均由VHDL语言编写合成图形模块, 从上而下组件成系统模块。
锁相环PLL可以与输入的时钟信号同步, 并以其作为参考信号实现锁相, 从而输出一至多个同步倍频或分频的片内时钟, 以供逻辑系统应用, 以供逻辑系统应用。
由于干扰抖动信号是一群宽度狭窄的随即信号[4]在串入时, 很难整齐地同时使与门输出为1, 只有足够的宽度的信号通过此电路, 从而起到“滤波”的功能。译码模块设计中由七段数码显示译码器设计。
3 总体设计
3.1 综合编译
系统利用QuartusⅡ自带仿真器, 采用ALTERA公司Cyclone III系列的EP3C5E144C8芯片。该系统的每个模块均在VHDL语言编辑下完成, 实现整体设计电路图。如图1所示。
本次设计总共应用了27个逻辑单元, 小于总逻辑单元个数的1%, 使用引脚28个, 是总引脚的29%。总体来看, 虽然出现了警告, 但是没有错误。仿真的结果达到了预期效果。
3.2 整体仿真
该设计中输入信号有模拟的时钟信号CLK和按键k8, 输出时为了验证数码管、蜂鸣器、LED灯等, 分别设置了6个输出按键, 仿真波形如图2所示。仿真起始延时时间10.175us, 并不影响系统性能。效果较好。
4 结论
本文完成了基于FPGA的硬件测试电路设计和仿真, 以PC机为平台, 利用ALTERA公司的Quartus II 9.0软件编译仿真。可以通过引脚锁定和下载, 对PCB板的实际操作进一步验证本设计的成功性。
参考文献
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通用数字电路板测试系统硬件设计 篇4
关键词：数字电路板测试,嵌入式硬件设计,FPGA
随着设计技术和制造能力的发展,实际应用系统中的数字电路规模越来越大,功能也日趋复杂[1]。测试是认识世界以取得定性或定量信息的基本方法,是信息工程的源头及组成部分,据资料显示,目前测试成本已达到所研制设备成本的50%、甚至70%[2]。传统的数字系统测试与诊断工作是工程技术人员凭借经验和理论知识,借助一些常规工具,比如万用表、示波器或逻辑分析仪来完成的,测试的速度慢、自动化程度低、可靠性不高,因此使用数字电路自动测试系统成了最佳选择。目前国内仪器、仪表公司和科研机构研制的数字电路板测试系统,价格昂贵,且各项性能指标都有提升的空间。比如北京新润泰思特测控技术有限公司的XR3168A大规模数字集成电路测试系统,主要支持TTL系列、CMOS系列等器件,测试通道数可达256通道,动态功能测试速率1.6 kHz～20 MHz,支持I/O引脚输入高、低电平,输出高、低电平,输出三态和输出屏蔽等格式。
文中针对市场上数字电路板测试系统在各项技术指标上所存在的不足,提出一套高性能、操作使用方便的通用数字电路板测试系统硬件设计方法。该测试系统的主要技术指标如下:测试通道数32路,每通道独立、可同步工作,可输出最大电流50 mA,均有短路保护,均可设置为输入或输出:设置为输入时,可检测低电平、高电平和不定状态;设置为输出时,可发送低电平、高电平和高阻态3种状态;测试电平范围为-6～9 V,可编程电平步长为100 mV;单通道存储深度最大为1 Mbit,测试频率最高达50 MHz,并可设置为100 MHz的整数分频。
1 测试系统概述
文中介绍的是一套高性能、自动化、通用的数字电路板测试系统,可完成各种型号的数字电路板测试工作,方便对被测电路板进行故障分析与诊断,其系统总体结构如图1所示。
上位机初始化测试电平、测试频率及测试通道数后,下位机将上位机发送的测试向量保存到发送缓存模块,通过发送调理电路连续地输出至被测数字电路板;被测电路板响应后,经接收调理电路保存至接收缓存模块,最后集中发往上位机供其分析。通过对比发送的测试向量与被测电路板的响应向量,可对被测电路板进行故障检测与分析。
2 测试系统硬件设计
2.1 系统电源设计
文中考虑实际工作环境里均使用220 V、50 Hz的交流电作为总电源输入且电源模块的体积不能太大,遂选取朝阳电源公司定制的轻系列开关电源,再通过线性电源稳压芯片对其输出进行稳压,减小输出纹波,以满足测试系统的电源需求。开关电源输出+18 V经Linear公司的LT1085-ADJ输出+14V为测试向量发送调理模块及接收调理模块正极电源,开关电源输出-15 V经Linear公司的LT1033输出-12 V为测试向量发送调理模块及接收调理模块负极电源,开关电源输出+7.5 V经Linear公司的LT1085-5输出+5 V为D/A等器件电源。
2.2 FPGA最小系统设计
FPGA有较大可编程灵活性及可移植性,用户可通过反复编程,使得在外围电路不改变的情况下用不同硬件描述语句实现不同的功能,这是DSP、ARM等嵌入式C处理器所不可匹敌的。文中选用Altera公司CycloneIII系列芯片EP3C25F324C8作为发送控制模块处理单元芯片,该FPGA芯片具有24 624个LE,4个PLL,608 256 bit Memory Block以及多达215个可编程IO口,内部资源满足本课题的应用需求[3]。选取Linear公司的LT1085-3.3提供3.3 V电源,可输出3 A电流,纹波在2%以内;选取AMS公司的AMS1117-2.5提供2.5 V电源,可输出0.8 A电流,纹波在1.6%以内;选取Sipex公司的SPX3819-1.2提供1.2 V电源,可输出0.5 A电流,纹波在2%以内。
2.3 高速存储模块设计
测试向量发送与接收高速缓存选用单倍速率动态随机存储器即SDRAM,具有单位空间存储容量大、读写速度快以及价格便宜等优点。文中选用两片位宽为16位、容量为64 Mbit的镁光公司SDRAM产品MT48LC4M16A2TG-75组成容量为128 Mbit的存储单元,该芯片读写时钟频率可达133 MHz,满足设计指标每通道测试存储深度达1 Mbit的需求,其电路连接如图2所示。
2.4 测试电平调节电路设计
测试电平调节电路的为发送调理模块提供发送参考电平以及为接收调理模块提供比较参考电平,由D/A转换电路与偏置放大电路组成。选用Analog Devices公司8位、8通道低功耗D/A转换芯片AD8801[4]及单片四通道运放OP482,原理如图3所示。其中VREF为高精度稳压芯片TL431输出3.15 V,R3与C1组成低通滤波电路滤除高频噪声,输出电压VO连至发送驱动芯片的VL、VH及接收比较芯片的-IN1、-IN2端,通过编程D/A转换的数字量DATA改变VDA,可得到-12.6～+12.4 V范围电平,分辨率为100 mV,具体计算方法如下式:
2.5 发送驱动电路设计
测试向量发送驱动电路实现对测试向量的调理,将从发送控制模块即FPGA的IO发出的测试向量电平转换成测试系统需要的-6～+9 V电平及高阻输出,提高电流驱动能力。为保证测试频率、电平范围及驱动能力,文中采用Intersil公司的高性能管脚驱动芯片EL1056为发送驱动芯片,可输出电平范围-12～+12 V,频率达66 MHz,峰值驱动电流达140 mA,并具有短路保护功能[5],发送驱动电路如图4所示。
每路测试通道占用发送控制模块即FPGA的4个IO口,分别连至发送驱动芯片EL1056的数据脚D、低优先级使能脚OE、高优先级使能脚E以及芯片过载保护指示脚SENSE。要实现发送3种状态,每个通道需用两位并行数据表示,假设为test_vec[1:0]:test_vec[1]为高位,接EL1056低优先级使能脚OE;test_vec[0]为低位,接EL1056数据脚D。测试时先进行初始化,通过对D/A编程设置EL1056的3脚VH及23脚VL的电压值。当test_vec[1:0]=‘10’时,EL1056输出低电平,电压为VL;当test_vec[1:0]=‘11’时,EL1056输出高电平,电压值为VH;当test_vec[1:0]=‘00’或‘01’时,EL1056输出高阻态。其实现测试向量三态输出。利用FPGA实时监控EL1056的SENSE脚电平,其跳变为低电平时,将高优先级使能脚E置为低电平将EL1056输出高阻,从而实现发送驱动的过载保护。
2.6 接收比较电路设计
测试向量接收比较电路实现对被测数字电路板响应向量的比较,将从被测电路板接收到的响应向量电平转换成与接收控制模块即FPGA的IO口相兼容的电平并对其进行判断。考虑被测电路板的响应频率及电平范围,文中采用Intersil公司的EL2252作为接收比较芯片,该芯片上集成两路独立的比较器,可比较频率达50 MHz、电平范围为-12～+12 V的信号[6],如图5所示。
为检测被测电路板响应向量的状态,将响应信号接至两路比较器的正端,与两路比较器的负端进行对比,所得数据需两位并行数据表示,设为test_vec[1:0]:test_vec[1]为高位,接EL2252第二端比较器输出脚;test_vec[0]为低位,接EL2252第一端比较器输出脚,接收原理方框图如图6所示。测试时先进行初始化,通过对D/A编程设置EL2252的3脚-IN1及5脚-IN2的电压。当检测到test_vec[1:0]=‘11’时,接收到的状态判定为高电平;当test_vec[1:0]=‘00’时,接收到的状态判定为低电平;当test_vec[1:0]=‘01’时,接收到的状态判定为不定状态,通常将此状态定为故障状态;test_vec[1:0]不可能出现‘10’的状态。双端比较器的输出即test_vec[1:0]连至FPGA的IO口,通过检测IO口的电平可实现被测电路板响应向量3种状态检测[7,8]。
3 测试结果分析
数字电路板测试系统作为一种测试仪器,其是否能实现提出的性能指标设计要求以及稳定地运行,调试和验证是重要环节。文中使用Verilog HDL对FPGA进行电路描述,编写测试程序对系统指标进行验证。使用边沿触发方式观察到测试向量输出结果如图7所示,其中图7(a)中1通道为50 MHz测试频率+5 V、-5 V方波,2通道为25 MHz,+9 V、-6 V方波;图7(b)和图7(c)是(a)中测试向量频率调为1 MHz、500 kHz、100 kHz、50 kHz的波形;图7(d)2通道为输出LVTTL电平方波;图7(e)1通道为10 MHz测试频率+5 V、-5 V方波,2通道为接收比较后的波形。无论数字电路的功能有多复杂,都可施加二值逻辑即一串连续的“0”和“1”组成的数字序列来测试。从以上波形可看出文中介绍的测试系统发送的测试向量电平、频率均满足预期要求,对被测电路板的响应也能正确接收。
4 结束语
文中针对某航修单位的应用需求,介绍一种可对军用数字电路板在内进行测试的高性能、通用数字电路板测试系统的硬件设计方案,核心处理系统采用FPGA+两片SDRAM方案实现,解决了传统数字电路测试系统灵活性低、存储深度小、测试速度慢等问题。该系统可按操作人员的要求发送测试波形至被测电路板,接收其响应后存储并上传到上位机供操作人员分析处理,其可以迅速判断被测电路板的性能是否正常并定位故障位置,达到事半功倍的效果,具有广阔的应用前景。
参考文献
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硬件电路 篇5
在机场助航灯光系统中,几乎所有的灯具都安装在户外,灯具的供电电缆也大都采用野外地埋的方式,相应的对电缆接头的绝缘处理一般是使用环氧树脂或热缩管等材料加强很薄弱的接头处的绝缘,但是由于温度、湿度、霉菌等环境因素的影响都会使电缆的绝缘性变差,如果长时间不对绝缘变差的地方进行技术处理,就很可能出现电缆芯对地短路的情况。在一点接地的时候,调光器的输出与地不构成回路,对灯光还没有太大的影响,但是如果出现了两点或多点接地的情况,就会使接地两点之间电路短路,从而造成几个甚至大面积灯泡不亮的情况,这就不同程度地影响了飞机飞行、着陆的安全。
为了解决这个问题,机场的维修人员大都采取定期检测的方法,即每隔一段时间用兆欧表测量回路的绝缘电阻,这种方法实时性很差,误差也较大,而且浪费大量的人力,如果不能频繁测量就很难及时了解回路的绝缘情况。由于在运行过程中灯光回路电缆上有几千伏的高压,因为耐压的问题,用普通的兆欧表不能实现在线测量,针对以上一系列问题,经过研究和实验,完成了绝缘电阻检测硬件电路的设计。解决了机场助航灯光系统中绝缘电阻在线测量的问题。
1 绝缘电阻测量原理
普通电阻的测量通常有低压下测量和高压下测量2种方式。而绝缘电阻的测量根据其耐压要求,所施加的测量电压都是直流高电压,因此绝缘电阻检测电路中应该具有直流高电压产生电路,本文所研究的助航灯回路绝缘电阻检测需要的高电压为900 V左右。绝缘电阻测量原理如图1所示。
在测量电阻Rx时,需直流高压稳压电源输出一个直流高压,随着Rx的变化,R1、R2分得电压Ui、Uv,通过采集量转换电路后,将标准的采集量送入到调光器监控单元中,便可以得到被测电阻Rx的阻值。
2 总体设计思路
绝缘电阻检测硬件电路由直流高电压测量电路和采集量转换电路构成,如图2所示。
直流高电压测量电路产生恒定的直流高电压,用于测量助航灯回路和大地之间的绝缘电阻,然后经采集量转换电路,将采集的电压转换为标准的4～20 mA的电流,送入助航灯光调光器监控系统中。
2.1 直流高电压测量电路设计
绝缘电阻的测量根据其耐压要求,所施加的测量电压都是直流高压,因此绝缘电阻测试电路中应该具有直流高压产生电路。直流电压测量电路首先将220 V交流电压通过升压变压器转换成660 V左右的高压交流电,然后经过桥式整流、电容滤波,将电压转换为900 V左右的直流电压,将该高电压一端接在助航灯回路上,另一端与大地相连,来测量助航灯回路和大地之间的电阻,电路图见图3。
通过测量R2两端的电压Uv,R1两端电压Ui,来计算绝缘电阻Rx。
假定R2和R3串联电路两端电压为U,流过R1电流为I,则R2两端电压;绝缘电阻上电流;总电阻;所以
2.2 采集量转换电路设计
采集量转换电路主要采用运算放大器和线性光耦组成。采集量转换电路是将测量的电压Uv、Ui转换为标准的4～20 m A电流,送到助航灯光调光器监控系统中。这部分电路由电压转换电路和电压/电流隔离转换电路来实现。
2.2.1 电压转换电路
由于Uv转换电路与在Ui转换电路原理一样,在这里介绍Uv转换电路即可。电压转换电路见图4。
首先通过电压跟随器将采集到的电压送到下一个运算放大器中,当运算放大器工作在放大状态下时,分析计算输出电压与输入电压关系:输出电压选定可得
此时,根据检测出的电压Uv的范围,将电压调整为:0.1～0.7 V。
2.2.2电压/电流隔离转换电路
在这部分电路中,为了隔离测量电路与控制电路,采用了性价比较高的线性光耦隔离转换电路,由于线性光耦输入端和输出端是通过光耦进行耦合的,并且芯片本身的电气隔离性能可靠,所以不仅能够对直流电压进行高精度检测,也不会将高电压侧的电磁干扰耦合到控制电路中,从而实现直流电压侧和控制电路的高强度电气隔离[1]。
图5是电压/电流隔离转换电路,将采集到的电压Uv转换为4～20 m A的电流。
电路中采用HCNR201型线性光耦,它包括一个高性能的发光二极管LED和两个同种工艺制成的具有严格比例关系的光电二极管[2]。LED是隔离信号的输入端,当有电流流过时就会发光,两个光敏二极管在有光照射时就会产生光电流,光敏二极管感应出的电流正比于LED的光电流。
在该电路中发光二极管LED与两个光电二极管在一个线性光耦芯片内,运放的输入端输出端分别接有PD1和LED,并构成反馈电路。假设运放的反向输入端电势不变,若同向端电势升高,经运算放大器放大,输出端电势明显增加,输出端所接三极管基极电势也会明显增加,这样流过发光二极管LED上的光电流就会减少,发光强度也会减弱。而流过光电二极管PD1的光电流取决于线性光耦芯片内的LED光照强弱。LED发光减弱,流过PD1和PD2的电流就会变小(IPD1=IPD2)。而为了使输出电流不变,所以R20上的电压就会增加,假定运放同向端电势不变,反向电势会减少。这样,运放两端形成负反馈,两个输入端相当于“虚短”,电压为零,假设输出电流为I0流过PD2两端电流为:IPD2=(-I0)×R20/(R19+R20)。假设输入电压为:U0=IPD1R21;又IPD1=IPD2;综合可得:。
从而可以看出输出和输入是成正比关系的,由于U0的范围已经通过上一部分计算出来,则I0可以计算出范围。通过设定R19=25Ω、R20=10kΩ、R21=10 kΩ,来确定U0、I0的比例。则该比例值为0.000 1。得出I0在4～12 m A之间,符合要求。
3 测试结果
将I0送入到助航灯光调光器监控系统中,测试结果如表1所示。
经过测试,误差在允许范围内,达到了满意的效果。从而可以判断助航灯回路的绝缘性、安全性是否良好,便于及时发现问题。
4 结语
本文所设计的助航灯回路绝缘电阻检测硬件电路,在实验室的助航灯光调光器监控系统中进行了测试,能够快速、准确的完成测量。
摘要：针对机场助航灯回路的安全性问题,设计了机场助航灯回路绝缘电阻检测硬件电路。介绍了绝缘电阻检测的原理,给出了直流高电压测量电路和采集量转换电路两个主要的硬件电路设计方法,测试结果表明,该电路能快速准确地完成测量,误差在允许范围内,达到了满意的效果。
关键词：机场助航灯回路,绝缘电阻检测,硬件电路设计
参考文献
[1]郑良广,倪喜军,闫安心,等.基于线性光耦的强隔离直流电压检测方法[J].电工电气,2009(11):53-55.
硬件电路 篇6
1 DSP系统
研究表明, 基于DSP设计的导航计算机, 可以有效地提高捷联惯导系统的运算精度和速度, 减小系统的体积。数字信号微处理器 (DSP) 是近十几年来兴起的一项新技术。DSP以其速率快、功能强的特点, 逐渐进入传统单片机所占据的工业和消费领域。在众多以PC机为终端的数据采集和控制系统中, 由于通信协议的严格性导致外围的微处理器除需完成数据采集、控制等工作外, 还需要担负起与PC主机通信、传递数据等任务。这种负担在高速的数据采集中显得就更为突出。主机程序主要完成HPI寄存器的选择、时序的构建和数据读/写等。限于篇幅, 此处只列举主机读DSP片内RAM存储区的时序构建及其与DSP间的通信握手。
TMS320F2812数字信号处理器是TI公司最新推出的32位定点DSP控制器, 是目前控制领域最先进的处理器之一。其频率高达150 MHz, 大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力。因此本系统以TMS320F2812为核心, 对采样数据执行加窗处理、FFT变化求其功率谱、功率谱的延伸、叠加等处理得到多普勒频偏值, 求得流速。并将流速信息通过SPI传送给单片机。DSP和外围3.3 V分开供电, LE D1, LE D2和LED3可用来显示电源供电情况。电源和地分模拟和数字, 用电感隔离。由CPLD提供各种控制信号, 如读、写、复位等。F2812通过SPISIMO, SPISOMI, SPICLK和SPISTE端口和单片机连接, 来实现流速信息的传送。
2 电路板的设计
对于主要模拟部分, 在布局时得要遵守输出模拟信号线最短输出, 输入模拟信号线最短输入, 模拟器件的模拟地以最短距离到地的原则。在布线时, 先布信号流的线, 而后布其他信号线和电源, 最后连接地线。由于数字电路对信号抗干扰要求不高, 作者在布局布线的时候主要考虑以下几点。
(1) 信号线最短输入、最短输出, 两层的信号线采取交叉走线。
(2) 电源线到芯片要尽量短, 并要加粗。
(3) 高频信号要尽量单独走线。
(4) 为了美观, 把贴片封装的芯片尽量靠在一起, 插针的尽量在一起。
当系统中有数字电源和模拟电源时, 两种电源必须要分开, 一般有两种要领:第一是采用被动滤波电路, 即在两种电源之间自接加上电感或者磁珠, 这种要领比较基本;第二是从数字电源中运用电源模块产生模拟电源, 这样也就是绝对的分离了。本系统采取第一种要领。系统中有数字地和模拟地, 一般有两种考虑要领:采用一点相连;采用电感或者磁珠相隔离。在本系统中采用的是后者, 分隔是通过一个200m H的电感实现的。
3 DPS处理外部拓展
本系统设计采用DSP+单片机的双CPU体系结构方案, DSP主要负责数据的处理, 单片机主要负责系统的输入输出控制, 两者结合实现优势互补, 充分发挥各自的特长。此外, 如何解决好DSP与单片机的接口与数据通讯问题是设计DSP与单片机双CPU控制系统的关键。经过分析论证, 本文提出了一种结构简单、成本低且易于实现的双机通信方法。系统中, 单片机通过CPLD扩展双总线, 并利用其中一条总线与DSP模块共享片外存储器。
以DSP TMS320F2812为核心对两路频差信号分别执行采样、加窗处理、FFT变换求功率谱和功率谱的延伸、叠加等处理得到多普勒频偏值, 求得流速。接收模块。该模块主要是将探头接收到的信号执行调理, 得到含有流体流速信息的多普勒频偏信号, 供后续数字系统部分做进一步分析处理。接收探头接收到的信号分别通过中心频率为1MHz和640k Hz的窄带带通波器滤去其中的低频杂散噪声, 放大以后送入解调器, 输出含有流速信息的低频多普勒频偏信号, 然后送入TMS320F2812的模/数转换器。
高性能、低功耗的DSP芯片则为大量实时的导航、滤波等数学计算提供了强有力的硬件平台。这种双处理器组合模式的导航计算机, 可以提高组合导航、制导与控制系统性能, 有效地控制系统整体功耗和体积, 丰富的外设接口为其广泛的应用性提供了保证。单片 (多片) DSP为处理器进行外部电路扩展, 串口或其他类型端口输出其特点是信息处理速率高, 精度高, 但DS P外设接口少, 控制功能有限, 需进行扩展, 这将会增大功耗和体积, 且结构较为固定。
4 结语
本论文研究数字信号处理芯片 (DSP) 在捷联式惯性导航系统导航计算机中的应用, 提出了一种基于DSP、单片机和大规模可编程逻辑器件 (CPLD) 构建导航计算机系统硬件平台的新方法。文中结合现代导航技术发展的特点和导航计算机系统的实际需求, 详细阐述了导航计算机硬件设计的主要设计思想, 经过分析研究和选型, 设计了导航计算机系统的总体方案和硬件电路。
参考文献
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[3]郑春龙.DSP在数字控制中的应用[J].机电工程, 1997 (6) .
硬件电路 篇7
因此对数据采集系统提出了要求:一方面, 要求接口简单灵活且有较高的数据传输率;另一方面, 由于数据量通常都较大, 要求主机能够对实时数据做出快速响应, 并及时进行分析和处理, 并在单片机和PC机之间进行高速和可靠的通讯。传统的外设与主机的通信接口难以满足上述第一个方面的要求, 一般采用PCI布线或RS-232串行总线, PCI总线虽然有很高的传输率, 还能“即插即用”, 但是它们的扩展槽有限, 且插拔不方便;RS-232串行总线虽然连接方便, 可是它的带宽有限, 传输速度太慢, 而且1条RS-232串口通信电缆只能连接1个物理设备。
USB技术正是顺应这一要求提出的, 它集PCI和RS-232的优点于一身:具有较高的传输速率, 实现了真正意义上的“即插即用”, 同时USB上最多可以连接127个外设, 解决了如资源冲突、中断请求和直接数据通道等问题。因此, USB技术非常适合实时数据采集的场合, 是目前较为流行的通讯方式。
1 USB接口及芯片选择
1.1 USB接口
当今的计算机外设, 都在追求高速度和通用性, 为了满足用户的需求, 以Intel为首的7家公司于1994年推出了USB (Universal Serial Bus通用串行总线) 总线协议, 专用于低、中速的计算机外设。目前, USB端口已成为了微机主板的标准端口。
USB接口和普通并口及串口相比较而言, 主要优势表现在以下几个方面:
(1) 使用方便, 连接外设不必再打开机箱;允许外设热插拔, 而不必关闭主机电源。
(2) 速度快, USB支持3种设备传输速率:1.5Mb/s (低速设备) 、12Mb/s (中速设备) 和480Mb/s (高速设备) 。
(3) 独立供电, USB接口提供了内置电源。
(4) 连接灵活, 1个USB接口可以连接127个USB设备, 既可以使用串行连接, 也可以使用集线器Hub, 把多个设备连接在一起, 再同PC机的USB口相接。
(5) 成本低, 为了把外设连接到PC上, USB提供了一种低成本的解决方案。
1.2 USB100模块与同类产品的比较
USB100模块在传输速率上具有突出优势, 对系统没有特殊的要求, 是其中性价比最高又能实现高速数据传输要求的最佳选择, 见表1。
2 微控制器选型
当今微控制器的种类很多, 从生产厂家来说有几十家, 例如:美国Intel公司、TI公司、美国微芯公司、韩国现代 (LG) 公司、台湾义隆公司和凌阳公司等。下面通过对当前流行的微控制器的介绍, 阐述选择PIC单片机的依据。
2.1 凌阳16位单片机
随着单片机功能集成化的发展, 其应用领域也逐渐地由传统控制扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理等领域;它的CPU内核采用凌阳最新推出的μ′n SPTM (Microcontroller and Signal Processor) 16位微处理器芯片 (以下简称μ′nSPTM) 。围绕μ′nSPTM所形成的16位μ′n SPTM系列单片机采用的是模块式集成结构, 以μ′n SPTM内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件, 借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成, 便可形成各种不同系列派生产品, 以适合不同的应用场合, 这样做使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。
从目前的应用来看, 凌阳16位单片机的优势在于它具有强大的语音处理功能, 然而, 它在工业控制现场的应用案例较少, 在控制领域并不具备突出的竞争力。
2.2 MCS-51系列单片机
传统的51系列微控制器, 在国内使用时间比较长, 开发产品的资料也比较多, 但其片内资源较少, 在外围电路中需加入多种模块, 如:A/D转换器、PWM、RAM和ROM存储器等。它的优点是外围电路易于扩展, 尤其是存储器的容量可以按需求增大, 缺点是在线调试程序不方便。如果应用到数据采集中, 外围扩展电路比较复杂, 电路板空间和制造成本较大, 而且在硬件电路的制作和调试方面也有一定的困难。
2.3 PIC系列单片机
PIC系列单片机是美国微芯公司 (Microchip) 的主要产品, 有PIC16系列、PIC17系列和PIC18系列等。PIC系列单片机CPU采用RISC结构, 它具有运行速度快、工作电压低、功耗低、较大的输入输出直接驱动能力、价格低和体积小等优点。
选用的PIC16F877单片机是PIC系列的中档产品, 其内部资源非常丰富, 含有8K的FLASH程序存储器、368B的RAM数据存储器、256B的EEPROM数据存储器、8通道10位A/D转换器、3个定时器、2个捕捉/比较/脉宽调制、1个同步串行端口SPI和通用同步/异步收发器?USART等。另外, 它具有外围接口电路简单、工作性能稳定等特点。
选择该芯片作为下位机控制器的核心, 利用上述丰富的资源来完成A/D转换、收发数据和输出显示信号等处理和指定的控制任务。
3 USB100模块的典型应用电路
图1为PIC16F877单片机与USB100模块通信的原理图, 其可取之处在于:
(1) 用USB自带的5V直流电源供电, 减小了系统的硬件电路制作量, 充分利用了现有的系统资源。
(2) USB传输线、电源线 (USBVCC) 与地线之间加两级滤波电容, 能有效的抑制传输过程中的噪声干扰。
(3) USB100模块输出电源VCC先经过电源开关, 接0.3A保险丝后为PIC单片机及其他用电器件供电;这样既为单片机安全用电提供了一定的保证, 又为其他器件用电留下了余量。
(4) PIC单片机的电源线和地线之间接入LED指示电路, 起到工作指示作用。它可以明确的反映出单片机是否有电源接入, 并能起到相当好的电路自检作用。
(5) 复位电路中将电容换成了电阻, 并装上了复位按钮, 可以方便地执行复位操作。
(6) USB100的I/O数据口和标志位控制端子均接入1.8kΩ的电阻, 即使发生短路等严重事故输入输出电流也不会超过3mA, 最大限度保证了电路的安全工作。
4 单片机硬件设计
美国Microchip技术公司的PIC系列单片机采用精简指令集计算机 (RISC———Reduced Instruction Set Computer) 、哈佛 (Harvard) 双总线和两级指令流水线结构的高性能价格比的8位嵌入式控制器;其高速度、低工作电压、低功耗和较大的输入输出直接驱动LED能力、一次性编程芯片的低价位、小体积、指令简单易学易用等特点, 都体现了单片机工业发展的新趋势。在全球都可以看到PIC单片机在不同领域的广泛应用, 它在世界单片机市场份额排名中逐年提前, 以致成为一种新的8位单片机的世界标准和最有影响力的主流嵌入式控制器, 所以选用PIC16F877作为主控制器。
PIC单片机外围电路如图2所示, PIC16F877微控制器的引脚功能配置如下:
(1) 端口D作为LED输出接口显示控制。
(2) RA0口为压力模拟信号输入端。
(3) RA1和RA2为USB100模块的标志位RXF和TXE。
(4) RA3和RC7为USB100模块的存入 (WR) 和读出 (RD) 标志位。
(5) 端口RC0、RC1、RC2、RC3分别为4位LED动态显示的片选控制端。
(6) B口作为USB100模块的数字I/O口。
(7) RA5可以根据编程设置, 起到工作状态监视作用。
5 结论
本文主要介绍了USB100模块的特点, 微控制器PIC16F877单片机的选择及外围电路的设计, 还简要介绍了USB100和PIC16F877单片机的典型应用案例, 在单片机应用中有一定的参考价值。
参考文献
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硬件电路 篇8
四旋翼飞行器是一种具有6个自由度和4个控制输入的可垂直起降、悬停、前飞、侧飞和倒飞的无人驾驶飞行器, 4只旋翼可相互抵消反扭力矩, 不需要专门的反扭矩桨。被广泛应用于无人侦察、森林防火、灾情监测、城市巡逻等领域。飞行控制系统是四旋翼飞行器的核心部分, 其性能的好坏决定了整个系统的性能。近年来, 微小型四旋翼无人机的自主飞行控制得到了研究人员的广泛关注[1]。随着计算机技术和电子技术的发展, 国内的小型飞行器研究开发工作逐渐升温, 许多公司形成了产业。例如大疆公司将四轴飞行器等多轴飞行器实现了商业化应用。国内研究的重点主要为三个方面:姿态控制、传感器技术发展以及新材料的应用、电池领域技术的研究。典型代表有哈工大、北京航空航天大学、南京航空航天大学、国防科技大学等[2]。在控制算法上, 先进PID控制得到广泛应用[3,4]。
本文以ARM Cortex-M3架构的STM32C8T6作为飞行器控制处理器, 以MPU-6050作为飞行器的姿态传感器, 以低功耗2.4GHz的n RF24L01作为无线传输器件, 以HC-RS04超声波作为障碍物报警传感器设计系统硬件电路。经过实验调试, 硬件系统能够稳定、可靠运行。
1 系统总体结构设计
1.1 物理结构设计
四旋翼飞行器由一个十字支架和四个螺旋桨组成, 支架中间安放飞行控制处理器及外部设备, 四个螺旋桨半径和角度相同, 呈左、右、前、后四个方向两两对称排列。四个电机对称安装在支架端, 其中, 电机1和电机3逆时针旋转, 电机2和电机4顺时针旋转, 通过改变四个电机的转速来控制电机的运行状态。其结构形式如图1所示。
1.2 工作原理
四旋翼飞行器在工作时, 是通过电机调速系统对四个电机的转速进行调节, 以实现升力的不同变化, 从而控制飞行器的运行状态。飞行器的电机1和电机3呈逆时针旋转, 电机2和电机4呈顺时针旋转, 此时飞行器的陀螺效应和空气扭矩效应均被抵消, 从而保证飞行器能够平衡稳定的飞行。通过适当地改变电机的转速, 来控制飞行器的飞行状态。
1.3 飞行器控制系统总体系统设计
飞行控制系统分为地面和机载两部分, 其在物理上是彼此单独的, 在逻辑上是彼此相连的。地面部分又分为地面站部分和遥控器部分, 这两部分相互独立。整个飞行控制系统由微控制器模块、无线模块、电机驱动模块、姿态测量模块、高度测量模块、报警电路模块、地面站和遥控器等部分组成。系统总体框图如图2所示。
2 系统主要功能模块硬件电路设计
2.1 微控制器模块
本控制系统是一个多输入多输出系统, 控制模块的主要输入信号有各个传感器的测量数据, 输出信号为四路变脉宽电机控制信号, 需要多个定时/计数器控制信号脉宽。系统需要处理很多传感器传来的数据, 并且需要将数据送回地面系统, 需要实时控制, 响应速度必须要快。此外, 本系统传感器的接口多样化, 需要更多样的接口才能便于软件读取。基于这些需求, 本设计中飞行器微处理器模块选用ARM Cortex-M3内核的STM32F103C8T6, 它的时钟频率可以达到72MHz, 并且拥有IIC总线接口、JTAG接口、SPI接口、AD采集接口、多路PWM输出和多个串口, 便于多样化传感器的挂接和程序的下载与调试。此微控制器具有8个定时器, 对于信号采集和PWM输出均能满足。
2.2 姿态测量模块
四旋翼飞行器受电机振动和外界干扰影响较大, 精确数学模型建立较难, 且其载重有限, 一般以惯性器件作为姿态测量装置, 姿态测量部件是整个硬件系统的重要部分。本设计综合考虑硬件设计原则, 采用MPU-6050作为飞行器的姿态传感器。MPU-6050通过IIC协议接口进行通讯, 只需要将MPU-6050的SDA数据线和SCL时钟线与STM32通用I/O口相连接, 其电路如图3所示。为了稳定输出, 避免空闲总线开漏, 利用R2与R3作为SDA和SCL的上拉电阻, 提高总线的负载能力。电路中C9为数字供电电压滤波电容, C8为校准滤波电容, C10为电荷泵电容, C11为供电电压滤波电容。
2.3 无线通讯模块
系统在这三个方面需要无线通讯:首先需要将遥控器的信号通过无线模块发送出去。其次, 地面站需要接收飞控端的姿态数据, 并需要发送控制参数。最后, 在飞控端需要接收遥控器和地面站的数据。结合通讯距离, 成本等因素, 本设计选用n RF24L01无线模块器件。其发射电路可以通过LC振荡电路构成。为了便于维修, 利用接口将无线模块独立出来。
2.3.1 遥控器模块
本设计采用摇杆控制方式, 利用数-模转换器将摇杆的模拟量转化为数字量, 再将转化后的数字信号传递给小型控制器, 经过一定的数据处理, 通过无线发射出去, 供飞行器控制器接收利用。采用n RF24L01作为遥控器的无线发射器件, 为了便于数-模转换, 遥控器摇杆采用摇杆电位器, 通过采集电位器的电压值去衡量遥控的行程量;由于遥控器处理信号单一, 不需要高速的处理器, 采用8位的51单片机STC89C52RC作为遥控器的控制器, 用来采集摇杆的模拟信号和发送采集到的数据。采用PCF8591作为数据获取器件, 其含有4路模拟量输入, 1路模拟量输出, 属于标准的IIC通讯, 能够满足本设计要求。遥控器硬件电路如图4所示。
2.3.2 地面站模块
飞行器地面站主要完成以下两个方面的功能: (1) 在飞行器稳定飞行时检测飞行器的飞行状态, 传递控制参数给飞行器, 使其按照控制算法运行; (2) 在飞行器调试阶段, 完成飞行器PID参数的修改和调整。由于PC机一般留给用户操作的多为USB接口, 然而n RF24L01通讯接口为SPI接口, 本设计选用51单片机读取n RF24L01的数据, 继续由单片机将数据通过USB转串口芯片与PC机通讯, 完成地面站数据的传输功能。
2.4 电机驱动模块
2.4.1 电机驱动原理
本设计选用直流无刷电机作为飞行器的动力驱动设备。根据无刷直流电机的换向原则, 无刷直流电机的控制形式分为:开环控制、转速负反馈控制和电压反馈加电流正反馈控制。其中, 开环控制无反馈进行校对, 应用于转速精度要求不高的场所;转速负反馈控制的机械性能好;电压反馈加电流正反馈控制一般应用在动态性能要求高的场合。针对本设计来说, 需要实时调整电机的转速, 并且调速频率比较大, 所以在本设计中采用电压反馈加电流正反馈控制方法。
2.4.2 电机驱动电路设计
根据电机控制原理, 本设计将电机驱动电路划分为三个部分:微处理器、反电动势检测和功率驱动部分。
(1) 微处理器
由于无刷直流电机的换向频率比较高, 不宜使用低频率的处理器, 再加上电机的旋转会产生旋转的磁场, 对处理器有很大的干扰。通过比较, 本设计采用ATMEG A8单片机作为电机驱动微处理器。
(2) 反电动势检测
在换向的过程中, 需要不停地检测转子的位置, 通过转子产生的反电动势就可以知道转子的位置信息, 通过分压衰减原理, 检测电机三相反电动势电压相对中性点的电压, 从而确定转子的位置。反电动势检测电路如图5所示。
其中, A、B、C端子为电机三相电压, R33~R38为分压电阻, P-A、P-B、P-C分别三相反电动势对应电压, P-M为中性点电压。
(3) 功率驱动
功率驱动是为了给电机提供大的电流, 使其达到能够稳定运行的目的, 本设计采用并联MOS管提高输出的电流, 在每一相上桥臂并联3个P沟道MOS管, 达到三相全桥可控的目的, 在每一相的下桥臂上也并联3个N沟道MOS管。
3 硬件系统调试
3.1 PWM控制飞行器驱动电机调试
通过对4个电机进行通电, 加上不同占空比的PWM波形, 来控制电机的转速, 记录电源电压、电流的变化情况, 在稳定输出11.1V, 不同的占空比下, 电源电流变化情况如表1所示。
由表1可知:占空比越大, 电机驱动工作需要的电流越大;在占空比达到接近极限值时, 电流输出变化很小, 实验表明硬件系统能够可靠运行。
3.2 无线通讯调试
通过测试无线的连通性、传输距离和丢包率, 来确定无线模块的性能特性。把遥控器设置为发送模式, 地面站设置为接收模式, 利用地面站的报警灯来指示接收的状态, 成功接受一次闪一下, 通过改变遥控器和接收机之间的距离, 记录一分钟内指示灯闪烁的次数, 来评估无线传输质量;测试分别在教学楼楼道和空旷操场进行, 详细记录见表2。
由表2可知:无线通讯在15m之后的传输效果有明显下降, 这是由无线通信模块的功率决定的, 实验表明无线通信部分在设计需求范围内能够可靠运行。
3.3 综合调试
图6为PID控制算法下载到四旋翼飞行器控制器进行实际飞行控制的姿态曲线图, 其中 (1) 代表横滚角, (2) 代表俯仰角, (3) 代表偏航角。图6为飞行器受到侧风干扰后, 姿态角受控重新收敛到平稳 (0, 0, 0) 状态的角度数据。下图为飞行器从某一个姿态受控收敛到平稳 (0, 0, 0) 状态的角度数据。从实验结果可以看出系统能稳定运行。
4 结束语
完成了四旋翼飞行器控制系统方案设计以及系统各个模块硬件器件选型和电路设计, 进行了系统硬件电路的调试, 实验结果表明, 系统能够稳定、可靠运行。
参考文献
[1]姬江涛, 扈菲菲, 贺智涛, 等.四旋翼无人机在农田信息获取中的应用[J]农机化研究, 2013, 35 (2) :1-4
[2]王史春.四旋翼飞行器力学模型与控制系统设计[J].中北大学学报, 2014, 35 (2) :218-223
[3]宿敬亚, 樊鹏辉, 蔡开元.四旋翼飞行器的非线性PID姿态控制[J].北京航空航天大学学报, 2011, 37 (9) :1054-1058