馮 源， 劉曉虎， 夏 立

(海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

在嵌入式技術(shù)學(xué)習(xí)中，理論與實(shí)踐是緊密聯(lián)系，相輔相成的，用理論來指導(dǎo)實(shí)踐，用實(shí)踐來加強(qiáng)理論。但傳統(tǒng)的教學(xué)方法由于在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容方面過于簡單、教學(xué)過程中教師講述過細(xì)、學(xué)生態(tài)度不積極，使得其效果不是很好[1-5]。如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)有更深刻的理解是一個(gè)迫切需要解決的問題[6-16]。為此，結(jié)合“電力有源濾波器項(xiàng)目”提出了一種綜合實(shí)驗(yàn)方案，以Luminary LM3S8962為主控芯片，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括LM3S8962的定點(diǎn)數(shù)學(xué)庫使用、SCI串口編程、多路AD轉(zhuǎn)化、雙路DA轉(zhuǎn)換，事件管理器PWM以及外部中斷的設(shè)計(jì)，基本涵蓋了8962的學(xué)習(xí)內(nèi)容，并將這些內(nèi)容綜合應(yīng)用到電力有源濾波器項(xiàng)目，相對(duì)于傳統(tǒng)的嵌入式技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。

1 嵌入式技術(shù)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的及選題

綜合實(shí)驗(yàn)的目的主要包括要求學(xué)生掌握IAR EWARM 5.x的安裝、設(shè)置；定點(diǎn)數(shù)學(xué)庫的應(yīng)用；采樣模塊；SCI串口編程；事件管理器編程；外部中斷；綜合上述內(nèi)容從三相負(fù)載電流中檢測出諧波電流，并采用PWM技術(shù)對(duì)電網(wǎng)電流進(jìn)行諧波補(bǔ)償。綜合實(shí)驗(yàn)可以安排4個(gè)人一組，分工合作，增加合作能力。

實(shí)驗(yàn)提供廣州周立功公司LM3S8962用戶板，通用J-Link-USB仿真器一個(gè)，泰克示波器一臺(tái)，實(shí)驗(yàn)框圖如圖1所示。

LM3S8962 為系統(tǒng)的控制核心原件。LM3S8962內(nèi)部自帶10位單精度AD轉(zhuǎn)換器，參考電壓為0～3 V，故從電網(wǎng)采集的交流信號(hào)必須要經(jīng)過信號(hào)處理，才能滿足AD轉(zhuǎn)換器輸入的要求[3]。學(xué)生必須自己設(shè)計(jì)調(diào)制電路，將輸入交流信號(hào)調(diào)理成0～3 V單極性信號(hào)。其次學(xué)生要設(shè)計(jì)電網(wǎng)電壓過零電路，將電網(wǎng)電壓信號(hào)經(jīng)過過零電路送入外部中斷，對(duì)電網(wǎng)相位角置零。并且運(yùn)用諧波檢測算法計(jì)算出諧波成分。另外對(duì)事件管理器進(jìn)行編程，輸出PWM信號(hào)到智能功率模塊。為了便于便于加深學(xué)員對(duì)電力有源濾波器的理解，系統(tǒng)增加了2路DA，學(xué)員進(jìn)行DA的編程，同時(shí)學(xué)員還要進(jìn)行串口的編程，了解如何通過上位機(jī)來控制控制單片機(jī)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排5周，對(duì)象為大四學(xué)員，實(shí)驗(yàn)室全天開放，具體安排如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排

2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)及調(diào)試

硬件電路設(shè)計(jì)包括以下工作：①設(shè)計(jì)三相交流電路電壓和電流的采集電路，運(yùn)用仿真軟件驗(yàn)證設(shè)計(jì)的電路能否滿足LM3S8962對(duì)采樣信號(hào)的要求。②領(lǐng)取實(shí)驗(yàn)元件和實(shí)驗(yàn)板，及電烙鐵等工具，規(guī)劃及焊制電路板。③測試系統(tǒng)是否短路。④測試焊制電路板是否短路及虛焊。⑤通電測試，首先測試輸入信號(hào)測試濾波后信號(hào)。⑥調(diào)制后信號(hào)應(yīng)滿足0～3 V要求，如果正確則繼續(xù)，否則通過調(diào)整電路使其達(dá)到要求。⑦電網(wǎng)電壓過零信號(hào)是否為3 V TTL電平。⑧在教師驗(yàn)收完全正確的情況下，正確連接電路板和LM3S8962開發(fā)板[4-5]。

硬件電路設(shè)計(jì)和焊接過程中，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師僅僅提實(shí)驗(yàn)要求，并提供器件及工具，并沒有提供具體電路圖，就要求學(xué)生自己通過查資料，自己設(shè)計(jì)電路，焊接電路板并調(diào)試硬件電路，極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性，通過這樣的訓(xùn)練可以提高學(xué)生動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力。

2.2 軟件的設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)包括5個(gè)部分的內(nèi)容：

(1) 串口通訊部分。在TI公司提供的SCI例程進(jìn)行修改，按照中斷方式編寫串口接收程序，由學(xué)員自己定義一種協(xié)議，主要接收上位機(jī)的三種指令：即運(yùn)行/停止指令；模擬輸出通道1數(shù)據(jù)選擇以及模擬輸出通道2數(shù)據(jù)選擇。

(2) 數(shù)據(jù)采樣及歸一化處理。在TI公司提供的AD例程進(jìn)行修改，按照中斷方式編寫采樣程序，采樣的觸發(fā)由定時(shí)器的下溢產(chǎn)生，電壓電流采樣數(shù)據(jù)按規(guī)一化方式處理，然后按Q24 定標(biāo)處理。

(3) 過零檢測。利用LM3S8962的外部中斷1引腳對(duì)電壓過零信號(hào)進(jìn)行處理，正確設(shè)計(jì)外部中斷引腳的電平類型，編寫外部中斷到來時(shí)對(duì)正弦信號(hào)的復(fù)位處理。

(4) 諧波檢測算法及諧波補(bǔ)償算法。包括坐標(biāo)變換，PI調(diào)解，低通濾波的子模塊編寫，要求按定點(diǎn)方式編程。

(5) PWM模塊。利用LM3S8962的PWM模塊進(jìn)行開發(fā)。通過該模塊學(xué)習(xí)如何設(shè)置事件管理器，通過事件管理器的編程，可以進(jìn)行其他電力電子設(shè)備的開發(fā)。

2.3 實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫

實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫要求如下:①實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的任務(wù);②有源濾波器工作原理;③三相交流采集電路控制系統(tǒng)原理框圖;④系統(tǒng)框圖中各單元的具體電路圖及其工作原理說明;⑤整個(gè)控制系統(tǒng)的電路原理圖;⑥寫出每一級(jí)電路的傳遞函數(shù)及元件選擇依據(jù);⑦畫出軟件編程的流程圖;⑧實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程中遇到的問題及其解決方法，并分析出現(xiàn)的原因;⑨對(duì)本實(shí)驗(yàn)建議和心得體會(huì);附錄中展示自己實(shí)物照片及程序。實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式按照畢設(shè)論文要求，通過此訓(xùn)練，使學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中能夠更好地撰寫畢業(yè)論文。

3 實(shí)驗(yàn)效果分析及成績?cè)u(píng)定

驗(yàn)收分為4個(gè)階段：即硬件電路、軟件電路、系統(tǒng)驗(yàn)收及實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這樣起到了督促學(xué)生每個(gè)階段任務(wù)都能及時(shí)完成，防止任務(wù)累積，學(xué)生互相照抄。

(1) 硬件電路驗(yàn)收。驗(yàn)收成績占總成績的30%。硬件部分的驗(yàn)收包括兩個(gè)部分，首先交流信號(hào)的調(diào)理電路是否達(dá)到要求，本系統(tǒng)要求采樣信號(hào)等于傳感器信號(hào)衰減一半然后疊加1.5 V，合格標(biāo)準(zhǔn)如圖2(a)所示；而硬件過零檢測要求將電網(wǎng)交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的數(shù)字信號(hào)，正弦波的正半波變換為高電平，正弦波的下半波變換為低電平，合格標(biāo)準(zhǔn)如圖2(b)所示。

(a) 調(diào)理電路驗(yàn)收波形

(b) 硬件過零電路驗(yàn)收波形

(2) 軟件驗(yàn)收。軟件完成占總成績20%，軟件的驗(yàn)收包括兩個(gè)部分，即諧波檢測的驗(yàn)收和空間矢量模塊的檢查。諧波檢測的檢查可以設(shè)定輸入為基波加一定比例的5次諧波和一定比例的7次諧波，看檢測出的基波是否和原模擬的基波一致，檢查波形見圖3(a)，而空間矢量模塊軟件的編程可以固定基波頻率50 Hz，開關(guān)頻率10 kHz，調(diào)制度0.9，檢查PWM輸出和PWM輸出濾波后的波形見圖3(b)。

(3) 系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)收。占總成績30%，合格標(biāo)準(zhǔn)為通過往電網(wǎng)注入諧波，電網(wǎng)電流的波形得到明顯改善，THD能夠從降低到5%以下。驗(yàn)收波形如圖4所示。

(4) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告。占20%。實(shí)驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)包括上文中所要求的內(nèi)容，必須認(rèn)真撰寫，這樣對(duì)同學(xué)撰寫畢業(yè)論文和以后工作中行文都有非常重要的幫助。

4 結(jié) 語

本文提出一種以電力有源濾波器設(shè)計(jì)為主線的嵌入式技術(shù)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，該方案有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先該方案綜合了嵌入式技術(shù)的絕大部分學(xué)習(xí)內(nèi)容，解決了以往實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一的問題。其次通過該綜合實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生初步掌握嵌入式技術(shù)工程設(shè)計(jì)的基本過程和方法，開拓思維能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和團(tuán)隊(duì)精神。最后開好綜合性實(shí)驗(yàn)為進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)和將來從事實(shí)際工作打下良好的基礎(chǔ)。

(a) 諧波檢測驗(yàn)收波形

(b) 空間矢量驗(yàn)收波形

圖4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)驗(yàn)收波形

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