基于A(yíng)RM的數字調壓控制系統設計與實(shí)現

3 PCB的板級設計與仿真

當完成系統的硬件設計和原理圖繪制之后，開(kāi)始進(jìn)行PCB電路板設計，本系統的PCB設計使用Cadence 16.3進(jìn)行。進(jìn)行PCB板級設計之前應做好如下準備工作：做好元器件的模型庫和元器件的封裝，設計PCB板。根據前文所述，本系統硬件采用底板加核心板的設計方法，因此要根據實(shí)際需求的尺寸分別設計底板和核心板的PCB板，設計板子的疊層，根據需求核心板設置為6層板，底板設置為2層板，之后進(jìn)行布局和布線(xiàn)操作。由于本系統中內存和處理器之間的電路屬于高速電路，因此需要對內存的時(shí)鐘線(xiàn)及數據線(xiàn)進(jìn)行仿真，來(lái)驗證布線(xiàn)的正確性，仿真使用Allegro PCB SI GXL進(jìn)行。

DDR時(shí)鐘線(xiàn)是內存電路中最重要的線(xiàn)路，布線(xiàn)時(shí)采用差分對走線(xiàn)。仿真時(shí)打開(kāi)本設計的PCB文件，首先建立DDR時(shí)鐘的差分對，之后進(jìn)行仿真前的參數設定，包括板子的疊層設置、差分阻抗設置、測量差分緩沖延遲及為內存和處理器分別分配SI模型。由于Cadence PCB SI在仿真過(guò)程中使用的是DML模型，因此在仿真前需要將器件的IBIS模型進(jìn)行驗證，沒(méi)有錯誤后轉換成DML模型，然后添加到模型庫的路徑之下。在測量差分緩沖延遲時(shí)，在處理器模型的引腳列表中找到DDR時(shí)鐘的兩個(gè)引腳，并進(jìn)行引腳的耦合設置。上一步完成之后，開(kāi)始進(jìn)行內存時(shí)鐘差分對的仿真。首先設置互連模型參數，使用SigXplorer PCB SI GXL進(jìn)行拓撲的提取。打開(kāi)約束管理器，選中DDR時(shí)鐘的差分對，提取其拓撲結構，如圖4所示。

然后對相關(guān)仿真參數和差分驅動(dòng)器激勵進(jìn)行設置，設置完成后使用無(wú)損互連分析對內存時(shí)鐘差分對進(jìn)行仿真。波形的眼圖如圖5所示。

使用如上同樣的方法對內存數據線(xiàn)進(jìn)行波形圖和波形的眼圖仿真，依據得到的眼圖判定布線(xiàn)是否合理得當，若眼圖較亂則需要調整布線(xiàn)，之后再進(jìn)行仿真驗證。

4 ARM數字調壓控制系統的軟件設計

ARM數字調壓控制系統使用Linux操作系統，系統應用程序軟件在Qt 4.0環(huán)境下開(kāi)發(fā)。系統啟動(dòng)后自動(dòng)運行應用程序，其主界面如圖6所示。界面中預置了固定電壓輸出按鈕、步長(cháng)調節按鈕、微調按鈕、復位按鈕和輸出校對按鈕。程序中提供了兩種不同的步進(jìn)調節長(cháng)度，步進(jìn)可選為1 V或5 V步進(jìn)。系統啟動(dòng)后默認為1V步進(jìn)長(cháng)度。按復位鍵后輸出電壓被清零。

本系統的軟件流程圖如圖7所示。當使用本系統進(jìn)行數字調壓控制的時(shí)候，首先啟動(dòng)本系統，待系統正常上電啟動(dòng)后，系統自動(dòng)運行控制應用程序，用戶(hù)通過(guò)可視化的輸入界面選擇需要輸出的電壓值，用戶(hù)選擇后應用程序調用底層驅動(dòng)程序將指令數據傳遞給處理器進(jìn)行處理，處理器接到調用請求后將指令數據通過(guò)同步串行接口發(fā)送給數模信號轉換模塊，轉換結果輸出給正弦波調壓模塊以得到所需的電壓值;同時(shí)也可通過(guò)up、down調節按鈕對輸出電壓進(jìn)行微調，直到得到理想的輸出值為止。復位鍵用來(lái)對調壓模塊進(jìn)行復位，使得輸出端壓降為0 V。數模信號轉換過(guò)程中使用的公式如下：

其中，n為轉換精度，此處等于12;D為二進(jìn)制指令代碼，12位長(cháng)度;AVDD為參考電壓值，等于5 V;VOUT為調制輸出電壓值，范圍是0～5 V。

5 實(shí)驗結果

對于本系統的測試分兩步進(jìn)行。首先將家用節能燈泡連接至正弦波調壓模塊的輸出端，檢查連接無(wú)誤后打開(kāi)系統開(kāi)關(guān)，上電啟動(dòng)系統。首先按復位鍵，將輸出清零，此時(shí)燈泡處于熄滅狀態(tài)，之后連續按下“up”鍵將看到燈泡逐漸變亮，相反按下“down”鍵燈泡逐漸變暗直到完全熄滅。本步實(shí)驗的目的是進(jìn)行系統的功能驗證，即驗證本系統是否存在調壓功能。本次試驗結束后，將燈泡取下，將振動(dòng)器連接至正弦波調壓模塊的輸出端，本步實(shí)驗的目的是定量測試系統調壓功能是否具有線(xiàn)性特性。同樣方法檢查連接無(wú)誤后上電啟動(dòng)系統，系統啟動(dòng)后按下復位鍵，將輸出端電壓清零。此時(shí)連續按下“up”鍵，使電壓從0 V開(kāi)始逐漸增大，然后反方向按下“down”鍵，使電壓逐漸減小到0 V，測試過(guò)程中使用萬(wàn)用表測量輸出端電壓和電流，并使用測振儀測量振動(dòng)器的振動(dòng)幅度，記錄測量結果。本次試驗反復測量4次，每次記錄37次

結果，將4次測量結果取平均值，并繪制電壓、電流及對應振動(dòng)幅度的變化趨勢如圖8所示。

6 結論

文中詳細描述了基于ARM的數字調壓控制系統的設計流程及實(shí)現方法，并進(jìn)行了試驗檢測。通過(guò)第一步測試證明了本系統對電壓調節控制的有效性，而第二步測試結果的變化趨勢圖表明，輸出端電壓呈明顯線(xiàn)性變化，電流在線(xiàn)性增大到一定數值后變化趨緩。而在電壓、電流的共同影響下振動(dòng)幅度呈指數上升趨勢變化，由于受到測振儀的測量精度限制，5微米以下振幅變化較緩，敏感度較低，5微米以上振動(dòng)幅度呈較明顯線(xiàn)性上升變化趨勢。

文中所述的數字調壓控制系統可以實(shí)現理想的線(xiàn)性調壓控制，具有調節精度高、速度快、易于操作使用等優(yōu)點(diǎn)，在后期的改進(jìn)中仍需要對調節誤差進(jìn)行控制，使精確度進(jìn)一步增大。在應用控制軟件上根據實(shí)際控制需求進(jìn)行功能的擴展與優(yōu)化。