焊接機(jī)節(jié)制嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合在焊接機(jī)控制系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程中碰到的一些問(wèn)題，分析討論嵌入式系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法。

　　1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　在基于嵌入式系統(tǒng)的焊接機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以AT91RM9200作為系統(tǒng)核心微處理器，依據(jù)控制系統(tǒng)要求外擴(kuò)了SDRAM、SRAM、Flash，鍵盤、液晶顯示電路可進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)整、顯示并在出錯(cuò)時(shí)報(bào)警，RS485串行接口完成數(shù)據(jù)傳輸通信，可進(jìn)行紅外遙控操作。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　2 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)電源工作原理

　　AT91RM9200是完全圍繞ARM920T處理器構(gòu)建的系統(tǒng)芯片。它有豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)的接口，從而成為低功耗、低成本的嵌入式工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。AT91RM9200提供了全功能電源管理控制器(PMC)，優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的功耗，并支持普通、空閑、慢時(shí)鐘及Standby工作模式，提供不同的功耗等級(jí)及事件響應(yīng)延遲時(shí)間[1]。在空閑模式下，ARM處理器時(shí)鐘禁用并等待下一次中斷(或主復(fù)位);慢時(shí)鐘模式是復(fù)位后選擇的模式，在此模式下主振蕩器

　　振蕩器是收發(fā)設(shè)備的基礎(chǔ)電路,它的作用是產(chǎn)生一定頻率的交流信號(hào)，是一種能量轉(zhuǎn)換裝置——將直流電能轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電能。及PLL關(guān)閉以降低功耗;Standby模式是慢時(shí)鐘模式與空閑模式的結(jié)合，它使能處理器以快速響應(yīng)喚醒事件，并保持較低的功耗。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)由外界直流電源供電并對(duì)電池充電，外電源斷開(kāi)時(shí)自動(dòng)切換到內(nèi)部后備電池供電。

　　2.2 電源電路設(shè)計(jì)

　　AT91RM9200有5種類型的電源引腳：VDDCORE引腳用于向內(nèi)核供電，一般為1.8 V;VDDPLL、VDDOSC分別給PLL或者振蕩器供電，一般為1.8 V;VDDIOP、VDDIOM分別用于給外設(shè)I/O口線、USB收發(fā)器以及外部總線接口I/O口線供電，一般為3.3 V。此外，系統(tǒng)的鍵盤、顯示電路的供電電壓需要+5 V電源。因此，本控制系統(tǒng)需要使用3組電源。通過(guò)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的控制要求和性能進(jìn)行分析，確定本系統(tǒng)的負(fù)載電流大約為3 A。因此，系統(tǒng)電源的穩(wěn)壓芯片選用了ON公司的LM2576系列穩(wěn)壓器，把外部直流電源穩(wěn)壓成系統(tǒng)需要的+3.3 V和+5 V電源。由于系統(tǒng)內(nèi)核電源供電要求1.8 V，因此系統(tǒng)應(yīng)采用二級(jí)電源轉(zhuǎn)換電路。本文選用TI公司的微功耗、極低壓差PMOS穩(wěn)壓器(LDO芯片)TPS72518作為內(nèi)核電源轉(zhuǎn)換芯片，把+3.3 V穩(wěn)壓成+1.8 V，為處理器內(nèi)核提供工作電源。系統(tǒng)電源電路如圖2所示。圖2中給出了嵌入式系統(tǒng)電源去耦等PCB設(shè)計(jì)方法。C3、C6是穩(wěn)壓芯片的電解旁路電容，在電路中接入它們能使電路穩(wěn)定地工作;C2、C5、C8為輸出穩(wěn)定電容，對(duì)于減小輸出紋波、輸出噪聲以及負(fù)載電流變化的影響有較好的效果，根據(jù)穩(wěn)壓器自身的工作要求，電容分別選用10 μF、100 μF的電解電容

　　電解電容是一種由兩塊平行金屬板以及兩金屬板之間放置電解液所構(gòu)成的電容。電容器依照所使用的電極材料.電解液之種類而付予電容器的名稱。介質(zhì)有電解液涂層有極性，分正負(fù)不可接錯(cuò)。

　　圖2 系統(tǒng)電源電路圖

　　基于32位微處理器的嵌入式系統(tǒng)性能在很大程度上取決于時(shí)鐘電路的穩(wěn)定性和可靠性，而時(shí)鐘電路的穩(wěn)定性主要取決于系統(tǒng)鎖相環(huán)(PLL)的穩(wěn)定性。因此，在PLL模擬部分供電電源應(yīng)采用濾波電路，以保證供電的穩(wěn)定性[2]。微處理器內(nèi)部時(shí)鐘、電源和復(fù)位控制等關(guān)鍵部件的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)各種運(yùn)行方式起著重要甚至是決定性的作用。因此，為了保證在各種運(yùn)行方式下所設(shè)置的參數(shù)不變，通常在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提供后備電池的供電電路。如圖2所示，采用TI公司的電池充電器BQ24200作為系統(tǒng)電源的后備電池，系統(tǒng)正常工作時(shí)外部電源對(duì)它進(jìn)行充電，外部電源被切斷后由它提供系統(tǒng)電源，以便系統(tǒng)保存重要參數(shù)。

　 3 系統(tǒng)電源的調(diào)試

　　3.1 調(diào)試的內(nèi)容及步驟

　　一個(gè)比較大的嵌入式系統(tǒng)硬件電路，應(yīng)該分模塊進(jìn)行焊接、調(diào)試，避免遇到問(wèn)題時(shí)無(wú)從下手檢查。由于系統(tǒng)中每個(gè)電路模塊都需要接入輸入電源，如果電源輸入不當(dāng)，則會(huì)使輸出結(jié)果不正確甚至燒壞集成電路

　　集成電路是采用半導(dǎo)體制作工藝，在一塊較小的單晶硅片上制作上許多晶體管及電阻器、電容器等元器件，并按照多層布線或遂道布線的方法將元器件組合成完整的電子電路。它在電路中用字母"IC"(也有用文字符號(hào)"N"等)表示。 　因此應(yīng)該首先安裝、調(diào)試系統(tǒng)電源模塊。系統(tǒng)電源電路模塊的成功調(diào)試是整個(gè)硬件電路調(diào)試成功的關(guān)鍵。

　　依據(jù)電路圖焊接好元器件之后，仔細(xì)檢查元器件是否焊接有誤，電路板是否存在虛焊或焊渣短路等現(xiàn)象，檢查無(wú)誤后進(jìn)行上電調(diào)試。由直流穩(wěn)壓電源

　　能為負(fù)載提供穩(wěn)定直流電源的電子裝置。直流穩(wěn)壓電源的供電電源大都是交流電源，當(dāng)交流供電電源的電壓或負(fù)載電阻變化時(shí)，穩(wěn)壓器的直流輸出電壓都會(huì)保持穩(wěn)定。 直流穩(wěn)壓電源隨著電子設(shè)備向高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的方向發(fā)展，對(duì)電子設(shè)備的供電電源提出了高的要求。

　　發(fā)生器輸出電源接入系統(tǒng)電源模塊的輸入端口(POW1)，輸入電源Vin調(diào)為+6 V，用示波器檢查系統(tǒng)電源的1.8 V、3.3 V、5 V輸出端口，沒(méi)有電壓輸出。斷電重新檢查電路，發(fā)現(xiàn)電解電容C6已經(jīng)被燒成黑色，原因是C6的正負(fù)極性接反了。換了新電容焊接正確后上電調(diào)試，1.8 V、5 V電壓輸出端正常，而3.3 V電壓輸出端電壓不到3 V。查看穩(wěn)壓芯片LM2576的數(shù)據(jù)手冊(cè)之后，調(diào)節(jié)輸入電源Vin，同時(shí)檢測(cè)三組系統(tǒng)電源的電壓值，當(dāng)三組電源輸出正確時(shí)，輸入電壓Vin的值為6.7 V左右。由于本控制系統(tǒng)的負(fù)載電流大約是3 A，因此在電路中加入負(fù)載電流為3 A的負(fù)載電阻，以此來(lái)測(cè)試系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)調(diào)試，電容、電感等元件發(fā)熱正常，輸出電壓值正確。至此，系統(tǒng)電源模塊調(diào)試成功。

　　接下來(lái)逐步安裝、調(diào)試其他模塊電路。每安裝一個(gè)模塊就上電檢測(cè)，主要檢測(cè)系統(tǒng)電源電壓以及該模塊的輸入電壓、輸出結(jié)果是否正確。當(dāng)把整個(gè)系統(tǒng)硬件電路安裝好之后上電調(diào)試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)電源不穩(wěn)定，即直流穩(wěn)壓輸入電源經(jīng)常掉電，致使系統(tǒng)電源工作不正常。由于系統(tǒng)電路比較多，檢查比較困難，問(wèn)題一直沒(méi)有解決。在多次上電檢測(cè)、調(diào)試之后，發(fā)現(xiàn)電路中的一個(gè)電壓(升壓)轉(zhuǎn)換器冒煙——芯片被燒焦了。仔細(xì)查閱該芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，發(fā)現(xiàn)該芯片型號(hào)弄錯(cuò)了，正負(fù)反饋電壓引腳接反。把該芯片拆除之后，系統(tǒng)電源工作正常。

　　3.2 調(diào)試結(jié)果分析

　　對(duì)系統(tǒng)電源調(diào)試以及整個(gè)系統(tǒng)硬件電路的安裝調(diào)試過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)合在安裝、調(diào)試過(guò)程中碰到的問(wèn)題，得出以下結(jié)論：

　?、?貼片電阻

　　片式固定電阻器，從Chip Fixed Resistor直接翻譯過(guò)來(lái)的，俗稱貼片電阻(SMD Resistor),是金屬玻璃鈾電阻器中的一種。是將金屬粉和玻璃鈾粉混合，采用絲網(wǎng)印刷法印在基板上制成的電阻器。耐潮濕， 高溫， 溫度系數(shù)小。

　　電容器的基片大多采用受碰撞易破裂的陶瓷材料制作，而貼片式集成電路的引腳數(shù)量多、間距窄、硬度低，極易造成引腳焊錫短路、虛焊等故障，因此在拆卸、焊接時(shí)應(yīng)掌握控溫、預(yù)熱、輕觸等技巧。

　?、?在進(jìn)行電源模塊調(diào)試之前，必須仔細(xì)檢查元器件安裝是否有誤，用電壓表檢測(cè)電路是否存在虛焊或者焊渣短路等現(xiàn)象，確保電路的正確性，避免燒壞元器件。

　?、?上電時(shí)如果沒(méi)有太大把握，可考慮使用帶限流功能的可調(diào)穩(wěn)壓電源，將穩(wěn)壓電源的電壓值慢慢往上調(diào)，檢測(cè)輸入電流(電壓)及輸出電壓，直到輸出電壓滿足要求。

　?、?當(dāng)調(diào)試比較大的系統(tǒng)電路時(shí)，應(yīng)先安裝、調(diào)試系統(tǒng)電源，調(diào)試成功后再逐步安裝、調(diào)試其他模塊。每安裝好一個(gè)模塊就上電測(cè)試，確保無(wú)誤后再調(diào)試另一個(gè)模塊。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文以基于AT91RM9200的嵌入式控制系統(tǒng)為例，重點(diǎn)分析系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)思路、方法以及系統(tǒng)電源的安裝與調(diào)試過(guò)程，結(jié)合調(diào)試過(guò)程中碰到的問(wèn)題，對(duì)嵌入式系統(tǒng)電路的調(diào)試方法及注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析。隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，電源電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試尤為重要，本文的設(shè)計(jì)與調(diào)試思路值得借鑒。