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第38卷第6期Electric雹珲拽WeldingMachineVol_38No6．2008年6月Jun2008．系统中的应用黄石生白中启陈意庭王振民，，，(华南理工大学机械工程学院，广东广州5100)ApplicationofARMprHUANGShi—ocessorsindigital—con，trols—ystemtincofweldingponwersupplyheng，，BAIZhongqiCHENYiag，WANGZheomin，(MecAbswehanicalEtronginseeringCollegeoSouthChinsuUnivdonersitymofTeoprwashnlogywas，Guangzhou5100dtoscChinlaa)vertract：Dwerigitalconlystemfweldingpowerpplyba．seARMmaicorcessordesignconebemulfifuonctionIGBTin，tldingpoecsource，dependingonLPC2131fwecontrollorAndLPC2131coninlyusedytoantroconltheheduletpufweldingsamplethe．spifiednaandfeedbatheckparameteroldingm，realizeontrolalgorithmerofPID．andfuozzdtroloutandmodulatioystempo，nofPWMationiAndfollymrealizemacdigi~econtrollinganofltifuntenciflanweldingpowfwesoui~eHerea．lspropotworsethatbasedmenonembeddedgwesoptimizfthehuworan—hininterfacedremomonitorigtrooldingpowersupply，nekmanagetamonldingwersources．Keyds：ARMprocessorPIDcontro；l；digitalconl；PWM0前言【】LPC2131’AR帅Ⅷ-s处理器使用了，一}ⅢMB个被称为rI’控制芯片核心ARM7TDIMS为ARM—的独特结构化策略非常适用于那些对存储器有限公司开发的通用32位微处理器具有高性能和低功，制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用THUMB。在”耗的特性。ARM。结构是基于精简指令集计算机(RISC)后面—一个关键的概念是“超精简指令集。原理而设计的指令集和相关的译码机制比复杂指令ARM7TDMIARMS处理器具有两个指令集：标准32位。集计算机要简单得多。使用一个小的廉价的处理、指令集和16位THUMB指令集THUMBARM器就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应，指令集的16位指令长度使其可以达。由于使用了流水线技术处理和存储系统的所到标准16代码两倍的密度却仍然保持，ARM大有部分都可连续工作通常在执行。一条指令的同时多数性能上的优势这些优势是使用16位寄存器的，对下一条指令进行译码并将第三条指令从存储器，位处理器所不具备的因为THUMB代码和。一ARM代中取出码。样在相同的32位寄存器上进行操作THUMB，。收稿日期：20070925；修回日期：20080l14基金项目：华南理工大学青年基金资助项目(B01E5060090)；—一代码仅为ARM代码规模的65％但其性能相当于，连接到16位存储器系统的相同ARM处理器性能的160％具有高的指令吞吐量出色的实时中断响。、国家自然科学基金项目资助(50575074)作者简介：黄石生(1938)男广东人教授博士生导师主要从事科研教学培养博士以及产业新研究开发和现代电源与智能控制等方面的工作一，，，，，应较小的高性价比处理器宏单元等优点、。、。ARM7TDMIS—处理器具有7种操作模式：维普资讯 http://www.cqvip.com
研究与设计 雹焊梭 第３８卷 （１）用户模式——这是ＡＲＭ程序通常执行的 状态，用于执行大多数应用程序。 够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制 的应用可使用１６位ＴＨＵＭＢ模式将代码规模降低 超过３０％，而性能的损失却很小。 较小的封装和极低的功耗使ＬＰＣ２１３１可理想 （２）快速中断ＦＩＱ模式——支持数据传输或通 道处理。 （３）中断ＩＲＱ模式——用于通用中断处理。 （４）超级用户模式——操作系统一种受保护的 模式。 地用于小型系统中，如宽范围的串行通信接口和片 内１６ ｋＢ的ＳＲＡＭ使ＬＰＣ２１３１非常适用于通信网 关、协议转换器、软Ｍｏｄｅｍ、声音辨别和低端成像， 为它们提供巨大的缓冲区空间和强大的处理功能。 （５）中止模式——在数据或指令预取指中止时 进入该模式。 多个３２位定时器、１个或２个１０位８路ＡＤＣ、１０ 位ＤＡＣ、ＰＷＭ通道和４７个ＧＰＩＯ以及多达９个边 沿或电平触发的外部中断，使它们特别适用于工业 控制和医疗系统。 （６）系统模式一一操作系统一种特许的用户模式。 （７）未定义模式——当执行未定义的指令时进 入该模式。 除了用户模式之外，其他模式都被归为模 式，用于服务中断异常或者访问受保护的资源。 １硬件电路设计 １．１主电路结构 主电路包括输入电磁干扰滤波、输入整流滤波、 ＩＧＢＴ逆变器、中频功率变压器、输出整流滤波等。 主电路与控制电路如图１所示。 ＬＰＣ２１３１是基于一个支持实时仿真和嵌入式 跟踪的３２／１６位ＡＲＭ７ＴＤＭＩ—ＳＴＭＣＰＵ的微控制器， 并带有３２ ｋＢ的嵌入的高速Ｆｌａｓｈ存储器。１２８位宽 度的存储器接口和独特的加速结构，使３２位代码能 图１主电路与控制电路拓扑 １．２控制电路设计 弧焊电源控制系统构成如图１所示。可分为： Ｕ）Ｃ２１３１控制器、驱动电路、电流电压检测电路、电 等。ＬＰＣ２１３１控制器有ＰＷＭ控制器，只要通过简单 的程序来控制它的几个寄存器便可以得到所需的 ＰＷＭ信号；ＬＰＣ２１３１控制器也有Ａ／Ｄ转化器，可以 直接对外来的８路模拟信号进行Ａ／Ｄ转换。 １．２．２驱动电路 流电压反馈电路、故障检测电路等。 １．２．１ ＬＰＣ２１３１控制器 ＬＰＣ２１３１控制器主要用来对反馈信号、给定信 号的模拟量的Ａ／Ｄ转换采样；给定信号与反馈信号 的数字ＰＩ运算；ＰＷＭ的输出控制；故障信号的处理 驱动电路主要是将控制器输出的数字ＰＷＭ转 变成具有一定驱动能力的模拟信号，使小功率信号 转换成大功率信号。为实现驱动电路的强电信号与 维普资讯 http://www.cqvip.com
研究与设计 黄石生等：ＡＲＭ处理器在焊接电源数字化控制系统中的应用 第６期 控制器数字信号的隔离来减少强电信号对控制电 路的干扰，必须采取一定的隔离措施，一般采用光耦 隔离和变压器隔离两种方法。在此采用光耦隔离。 １．２．３ 电流电压反馈电路 直流ＴＩＧ控制 程序人ｒ＿Ｉ 、！！籍葬 ≥／／ Ｙ‘ 电流反馈主要是利用霍尔传感器对输出电流 采样、隔离，再经过放大得到一个与电流成线性关 系的电压信号。而电压反馈可以采用直接对输出电 风扇送气Ｉ ｌ笙盟 ： ！ｌ ● 压进行分压的方法，不过经过处理后也要进行隔离， 才能送到ＬＰＣ２１３１处理器的ＡＤ引脚。 由上述可知，数字化控制系统使得模拟电路设 计更加简化，从而减少了由于电路布线带来的干扰 及信号的飘移，然而这也给软件设计带来了闲难， 必须采取一定的措施来提高软件的抗干扰能力。 ２软件系统设计 ２．１ ＰＩ算法 ＰＩ算法的设计是影响电源动特性一个重要因 素。这里采用的是增量式ＰＩ运算，其公式为 Ｅ ）＝Ｉｓ－，ｆ， Ｐ，（ ）：Ｐ，（ 一１）＋ ・Ｅ（ ）一 ・Ｅ（ｋ一１）， 式中Ｅ（ｋ）和Ｅ（ｋ－１）分别为第 及 一１次电流反 馈值与给定值的偏差； 和，ｆ分别为电流（脉冲ＴＩＧ 焊时为基值电流或峰值电流）的给定值与采样值； ｍ（ｋ）和ｍ（ｋ－１）分别为第 及第 －１次输给ＰＷＭ 的控制参量１２１。 ２．２软件流程翻 控制程序主要有时序控制程序和特性控制程 序两个部分。直流ＴＩＧ、脉冲ＴＩＧ、定时器中断控制程 序时序控制框图如图２所示。特性控制程序（恒电流 外特性）主要有：对给定与反馈量的采样、ＰＩ运算、 ＰＷＭ控制，通过给定量与反馈量的ＰＩ运算来决定当 前的ＰＷＭ的脉宽。 通过软硬件方面的设计便可以实现焊接电源 的数字化控制。数字化电源较模拟电源有许多优点， 如数字化电源易于采用先进的控制方法和智能控 制算法；控制灵活，系统升级方便；控制系统可靠性 高，一致性好等。 ３发展趋势与前景 ３．１嵌入式系统Ｈ 嵌人式系统分为实时嵌人式系统和非实时嵌 入式系统。实时嵌人式系统多用于过程控制程序，实 现任务、时间、内存的管理以及任务之间的通信与 上升时间段控制 常焊接时 ＜Ｎ ｌ下降时间段控制 ‘Ｙ 延时程序 ｔ 关气、关风扇 图２直流ＴＩＧ焊、脉冲ＴＩＧ焊、定时器中断程序流程 同步，实现多任务的并发运行，可以稳定与优化软 件系统。同时也可以使用第三方软件来实现其他功 能，如可以添加ＧＵＩ软件来实现图形输出界面显 示、优化人机交互界面。 当前已有很多ＡＲＭ嵌人式产品问世，如ＰＤＡ、 机顶盒等，这些产品７０％是非实时嵌人式系统与ＡＲＭ 处理器结合实现。而ＡＲＭ处理器与实时嵌入式系统 结合应用于过程控制的却不多。 ３．２远程监控与网络化管理嘲 ＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ１ 模块是基于时分多址技术的移动通信的通信 系统。ＡＲＭ嵌入式处理器与ＧＳＭ模块结合可以实现 计算机与远程ＡＲＭ嵌人式处理器的通信。当把多台 ＡＲＭ嵌人式处理器控制的弧焊电源通过ＣＳＭ模 块连接到计算机时，就可以实现同时对多台弧焊电 源进行监控与网络化管理。 参考文献： ［１］ 马忠梅，马广云．ＡＲＭ嵌入式处理器结构与应用基础［Ｍ］． 北京：北京航空航天大学出版社，２００６． ［２］李鹤岐，郝伟，徐德进．微机控制的脉冲ＭＩＧ／ＭＡＧ焊接 电源的研制［Ｊｌ＿甘肃工业大学学报，２００３（３）：１６—１９． ［３］ 吴开源．基于ＤＳＰ的ＧＭＡＷ—Ｐ逆变电源数宁化智能控 制系统研究 ．广州：华南理工大学机械与工程学院，２ｏ０５． 『４】向前，罗大勇．基于ＡＲＭ的嵌入式系统ＧＵＩ设计分析 及实现【Ｊ】．计算机技术与发展，２００６，１６（１２）：１２． ［５］ 张向涛．基于ＧＭＳ和ＡＲＭ的远程监控系统的研究【Ｊ］．广 西通信技术，２００６（３）：１３—１５．
