盧淞巖，譚俊松，陳 蘭，鄒 紅，青娉楚

（1.川東北強(qiáng)天氣研究南充市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川南充 637000；2.南充市氣象局，四川南充 637000；3.遂寧市氣象局，四川遂寧 629000）

1 DSP概述

DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號(hào)處理），主要是利用計(jì)算機(jī)或者專(zhuān)用的處理設(shè)備，通過(guò)數(shù)字的形式實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、變換、濾波、識(shí)別等，得到能夠滿(mǎn)足實(shí)際需求的信號(hào)形式。數(shù)字信號(hào)處理可以看作是以數(shù)字形式來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行表示和處理的技術(shù)，能夠?qū)B續(xù)模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量或者濾波。數(shù)字信號(hào)處理輸出環(huán)節(jié)同樣需要變換到模擬域，這種操作一般是通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。在處理前，需要將信號(hào)從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，其實(shí)現(xiàn)的核心設(shè)備是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)信號(hào)處理技術(shù)和相關(guān)設(shè)備都具有靈活精準(zhǔn)的特點(diǎn)，抗干擾能力較強(qiáng)，造價(jià)低廉，而且速度相對(duì)較快，這些優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理技術(shù)和設(shè)備無(wú)法比擬的[1]。

DSP 的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在幾個(gè)方面：①能夠簡(jiǎn)化器材的數(shù)量，減少其所占據(jù)的空間。②可以減少器材之間相互連接的接頭和線(xiàn)材，也能夠減少人為疏忽引發(fā)的接線(xiàn)錯(cuò)誤。③器材的減少能夠在很大程度上減少能源消耗。④軟件本身有著巨大的開(kāi)發(fā)潛力，整體功能強(qiáng)大。⑤定點(diǎn)計(jì)算。在實(shí)踐中，多數(shù)DSP 采用的都是定點(diǎn)計(jì)算而不是浮點(diǎn)計(jì)算，雖然其對(duì)于數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性有著較高的要求，浮點(diǎn)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)也更加簡(jiǎn)單，但是定點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行速度更快，而且成本也更加低廉。為了避免定點(diǎn)計(jì)算中出現(xiàn)數(shù)據(jù)精度不高的問(wèn)題，DSP 處理器必須在硬件和指令集方面，支持飽和計(jì)算和移位；⑥專(zhuān)門(mén)的尋址方式。DSP 處理器一般都支持專(zhuān)門(mén)尋址模式，對(duì)于常規(guī)信號(hào)的才做和處理非常有用，如模塊尋址、位倒序?qū)ぶ返龋@些專(zhuān)門(mén)的尋址模式只能通過(guò)相應(yīng)的軟件才能實(shí)現(xiàn)[2]。

2 自動(dòng)氣象站發(fā)展現(xiàn)狀

自動(dòng)氣象站是在某個(gè)區(qū)域內(nèi)，依照實(shí)際需求建設(shè)的，能夠自動(dòng)完成多個(gè)要素探測(cè)，自動(dòng)生成報(bào)文并定期發(fā)送到中心站的氣象站，能夠?qū)臻g區(qū)域上氣象探測(cè)數(shù)據(jù)存在的空白進(jìn)行彌補(bǔ)。自動(dòng)氣象站的主要結(jié)構(gòu)包括了氣象傳感器、電源系統(tǒng)、全天候防護(hù)箱、通信模塊以及微電腦氣象數(shù)據(jù)采集儀等，可以對(duì)包含風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等在內(nèi)的10多個(gè)氣象要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其基本原理框圖如圖1所示。2021年，我國(guó)處于運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)氣象站的數(shù)量為5.34萬(wàn)個(gè)，對(duì)比2017年下降了7.0%，分析原因，主要是隨著《國(guó)家地面氣象站布局優(yōu)化方案》的頒布實(shí)施，氣象局從將近6萬(wàn)個(gè)區(qū)域氣象觀(guān)測(cè)中，篩選出了8000多個(gè)站點(diǎn)，對(duì)國(guó)家地面氣象觀(guān)測(cè)站系統(tǒng)進(jìn)行了補(bǔ)充，使得區(qū)域自動(dòng)氣象站點(diǎn)的數(shù)量有所下降。2019—2020年，我國(guó)區(qū)域自動(dòng)氣象站的數(shù)量穩(wěn)定在5萬(wàn)～5.5萬(wàn)個(gè)。

圖1 自動(dòng)氣象站原理

3 基于DSP的自動(dòng)氣象站開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

從解決傳統(tǒng)氣象站運(yùn)行問(wèn)題的角度，設(shè)計(jì)出了一種基于DSP 的開(kāi)關(guān)電源，其能夠很好地滿(mǎn)足自動(dòng)氣象站運(yùn)行中對(duì)于電能的需求。開(kāi)關(guān)電源對(duì)自動(dòng)氣象站中設(shè)備進(jìn)行控制的基本原理，是在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)兩種不同數(shù)字形式的對(duì)比分析，借助產(chǎn)生的脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)電源模式驅(qū)動(dòng)控制。在實(shí)際工作中，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)符號(hào)的數(shù)字化轉(zhuǎn)換。可以通過(guò)對(duì)電源系統(tǒng)形式的整合，滿(mǎn)足自動(dòng)氣象站中相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行控制需求，更能夠隨時(shí)對(duì)電源功耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)量輸出電流的大小。開(kāi)關(guān)電源具備的電源自動(dòng)切換和電池欠壓保護(hù)等功能，可以保障氣象站中設(shè)備的運(yùn)行安全。

3.1 總體方案

電源本身包含了多個(gè)模塊。①EMC 模塊，其能夠消除市電共模以及差模造成的干擾，確保開(kāi)關(guān)引發(fā)的高頻干擾不會(huì)進(jìn)入到市電中，降低了對(duì)市電的負(fù)面影響；②PFC 模塊，可以在一定程度上提高電源的功率因數(shù)，有效減少無(wú)功功率；③DC/DC 模塊，主要負(fù)責(zé)電壓轉(zhuǎn)換工作，可以將電壓轉(zhuǎn)化為設(shè)備運(yùn)行所需的電壓；④控制器模塊，該模塊可以對(duì)電壓和電流信息進(jìn)行采集，也能夠?qū)χ绷麟妷哼M(jìn)行控制，保證電壓輸出的穩(wěn)定性，可以將電源狀態(tài)反饋給主機(jī)，真正意義上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能化控制；⑤驅(qū)動(dòng)電路模塊，DSP 輸出的是PWM 波，其本身無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)MOSFET，因此需要借助驅(qū)動(dòng)電路的轉(zhuǎn)換功能，轉(zhuǎn)化為相對(duì)更大的驅(qū)動(dòng)力。開(kāi)關(guān)電源的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)

3.2 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

3.2.1 EMI模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字化的開(kāi)關(guān)電源有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)同樣存在一定的問(wèn)題，即必須考慮電磁兼容對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的影響。開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，電磁兼容問(wèn)題非常關(guān)鍵，一般情況下，想要解決這個(gè)問(wèn)題，會(huì)設(shè)置相應(yīng)的濾波器（圖2）。電路中，共模電感對(duì)于差模干擾無(wú)法起到防范作用，不過(guò)在出現(xiàn)共模干擾時(shí)，線(xiàn)圈本身相同的磁通方向使得耦合后的電感迅速增加，會(huì)對(duì)共模信號(hào)產(chǎn)生感抗，使得其無(wú)法順利通過(guò)。共軛電感的兩個(gè)線(xiàn)圈分別纏繞在鐵氧體磁環(huán)上，電流通過(guò)時(shí)線(xiàn)圈上會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，而在閉合磁環(huán)中，相反的磁場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)相互抵消的情況。

3.2.2 PFC模塊設(shè)計(jì)

在理論上，任意DC/DC 變換器都可以作為PFC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不過(guò)在實(shí)踐中，PFC 電路最為常用的結(jié)構(gòu)是Boost 型變換器，這種變換器的開(kāi)關(guān)器件承受的壓差小于輸出電壓，電感元件的存在降低了電網(wǎng)對(duì)主電路產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊，而且有著很強(qiáng)的電磁兼容性和較低的電磁干擾，相對(duì)加高的輸出電壓可以為后級(jí)電路的處理提供便利。

在Boost 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，假定所有的元件都采用了理論上的最佳器件，功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通后，電流會(huì)先后經(jīng)過(guò)電感和功率管，但是不經(jīng)過(guò)二極管，電感線(xiàn)圈達(dá)到飽和之前，電流會(huì)處于持續(xù)增長(zhǎng)的狀態(tài)，電能也會(huì)被轉(zhuǎn)化為磁能，存儲(chǔ)在電感線(xiàn)圈中。功率開(kāi)關(guān)管再次導(dǎo)通過(guò)后，電感重復(fù)充電，已經(jīng)充電完成的電容和負(fù)載則構(gòu)成回路，由電容向負(fù)載提供電源支持。

3.2.3 DC/DC模塊設(shè)計(jì)

在對(duì)DC/DC 模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在原本模塊的基礎(chǔ)上，加入了二極管形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。副邊二極管所具備的方向恢復(fù)特性使得寄生電容發(fā)生振蕩時(shí)，會(huì)經(jīng)過(guò)繞組的傳遞作用，將副邊電壓映射到原邊，然后二極管得到導(dǎo)通，能夠有效抑制副邊二極管存在的振蕩問(wèn)題和電壓尖峰問(wèn)題。而在整個(gè)過(guò)程中，兩個(gè)二極管都只發(fā)生了一次導(dǎo)通，可以有效減小電流的損耗。

3.2.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

DSP 輸出的PWM 波不管是功率還是電壓等級(jí)，都無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)于MOSFET 的直接驅(qū)動(dòng)，需要借助驅(qū)動(dòng)電路對(duì)PWM 進(jìn)行控制。需要注意的是，如果沒(méi)有對(duì)相應(yīng)的電氣隔離措施進(jìn)行設(shè)置，直接經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路來(lái)對(duì)功率器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，則容易出現(xiàn)控制芯片被干擾的情況，影響其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致反饋電壓損壞。從設(shè)計(jì)人員的角度，需要切實(shí)做好驅(qū)動(dòng)隔離電路的設(shè)計(jì)工作，以此來(lái)提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

在針對(duì)MOSFET 電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要將各方面的影響因素考慮在內(nèi)，如驅(qū)動(dòng)電流、驅(qū)動(dòng)電壓、開(kāi)關(guān)速率、抗干擾性等。目前，比較常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)MOSFET 管的方式有直接驅(qū)動(dòng)、脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)、光耦隔離驅(qū)動(dòng)以及集成驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)等，這里采用的是光耦隔離配合集成驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的方式。開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)頻率控制在100 kHz，周期在13.2 μs，對(duì)于光耦合期間的傳輸速率有著很高的要求。在驅(qū)動(dòng)芯片選擇中，采用的是IR2110經(jīng)典型驅(qū)動(dòng)芯片，配合HVIC 以及門(mén)鎖抗干擾工藝，低端輸入通道和高端輸入通道相互獨(dú)立。以自舉電路作為懸浮電源，高端輸入通道部分的工作電壓最高可以達(dá)到500 V，15 V 運(yùn)行狀態(tài)下，電路的總體功耗只有116 mW。電源端輸出電壓在15～20 V，邏輯電源電壓在5～15 V 左右，要求其必須能夠?qū)崿F(xiàn)與CMOS 以及TTL 電平的有效匹配。考慮干擾因素的存在，邏輯電源區(qū)域和功率區(qū)域之間的最大允許偏差量為5 V，工作頻率最高可以達(dá)到500 kHz。在這種情況下，開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)通延遲僅為120 ns，關(guān)斷延遲為94 ns。結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)，上述驅(qū)動(dòng)方案下，電氣特性可以很好地滿(mǎn)足相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)于不同功率MOSFET 的驅(qū)動(dòng)需要，因此在實(shí)踐中們可以使用同一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)對(duì)所有的進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)中，需要切實(shí)做好系統(tǒng)初始化以及開(kāi)機(jī)自檢工作，對(duì)一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)也不能忽視中斷等待等相關(guān)內(nèi)容。實(shí)踐中，系統(tǒng)初始化包含的內(nèi)容有很多，如變量的初始化、事件管理器的初始化、時(shí)鐘的初始化以及AD 初始化等。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化的過(guò)程中，需要做好輸入電壓取值范圍的準(zhǔn)確判斷，要求其必須能夠處于正常的區(qū)間內(nèi)。在完成初始化操作后，可以進(jìn)行開(kāi)機(jī)自檢。系統(tǒng)本身設(shè)置有兩個(gè)不同的數(shù)字控制核心，可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)于前后兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換電路的有效控制，自檢環(huán)節(jié)要求兩個(gè)電路能夠?qū)崿F(xiàn)相互協(xié)調(diào)。如果在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)環(huán)節(jié)，出現(xiàn)了APFC 異常的情況，則可能導(dǎo)致后級(jí)DC/DC 電路損壞等問(wèn)題。兩個(gè)數(shù)字控制芯片可以采用主從工作的方式，其中，選擇TMS320F28027芯片作為從控制器，設(shè)置在前級(jí)APFC 電路中，選擇TMS320F2812芯片作為主控制器，設(shè)置在后級(jí)DC/DC 電路中，不同的控制核心需要采用不同的自檢程序。在啟動(dòng)環(huán)節(jié)，需要保證啟動(dòng)順序正確，先啟動(dòng)功率因數(shù)校正電路，然后啟動(dòng)移相全橋變換器。在對(duì)功率轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行正式啟動(dòng)前，要求主控芯片能夠?qū)η凹?jí)功率因數(shù)校正電路是否得到了正確啟動(dòng)進(jìn)行確認(rèn)，之后才能對(duì)移相全橋變換器進(jìn)行啟動(dòng)。

3.4 系統(tǒng)調(diào)試

在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，為了保證其可行性和可靠性，還需要根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。在系統(tǒng)主電路中，必須做好相關(guān)元件參數(shù)的合理設(shè)置：輸入電壓220 V，交流電；頻率50 Hz；升壓電感1.2 mH；輸出濾波電容2400 μF；負(fù)載100 Ω。

仿真參數(shù)運(yùn)算中，使用的算法是可變步長(zhǎng)ode25 tb，最大步長(zhǎng)為1×10-6，參數(shù)的相對(duì)精度可以達(dá)到1×10-3。

對(duì)照輸入電壓與電流波形可以明確，電流波形可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于電壓波形的有效跟蹤，兩者的相位差極小，基本能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于功率因數(shù)的有效校正。對(duì)照輸出電壓波形分析，在啟動(dòng)階段，電壓的超調(diào)量很小，可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)，達(dá)到穩(wěn)定的電壓輸出。這表明在功率因數(shù)校正電路中，控制器發(fā)揮了非常有效的控制效果，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)氣象站能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于一定區(qū)域內(nèi)氣象信息的精準(zhǔn)采集，也可以解決無(wú)人值守問(wèn)題，但是，自動(dòng)氣象站在實(shí)際運(yùn)行中仍然存在不穩(wěn)定的問(wèn)題。對(duì)此，在自動(dòng)氣象站帶開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，可引入DSP 技術(shù)，通過(guò)相應(yīng)的軟件完成控制算法，使得在實(shí)際應(yīng)用中能夠依照不同的環(huán)境參數(shù)，通過(guò)改變控制算法和控制策略的方式，提高自動(dòng)氣象站電源控制的效率和精度，保障自動(dòng)氣象站的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。