基于fpga的多功能壓電泵驅動電源的制作方法

基于fpga的多功能壓電泵驅動電源的制作方法
【專利摘要】一種基于FPGA的多功能壓電泵驅動電源，本實用新型的目的是提供可實現兩路正弦波輸出，其輸出頻率、幅值（峰峰值）和相位均可調節的基于FPGA的多功能壓電泵驅動電源及驅動方法。本實用新型是由輸入回路、前級AC-DC模塊、前級PWM調壓模塊、兩路DC-AC功率模塊、控制及驅動模塊組成。本實用新型的優點和積極效果：可輸出兩路正弦波，并且其幅值（峰峰值）、頻率和相位均可調，其中幅值（峰峰值）可調范圍為80～350V，步進為1V，頻率可調范圍為50～800Hz，步進為1Hz，相位可調范圍為0～360°，步進為1°；可擴展性強，只要在DC-AC功率模塊中再加一路或兩路逆變橋，在控制模塊中加上相應的驅動電路，修改一下程序，就可以設計出3路、4路輸出的驅動電源；可通過監控軟件和按鍵同時控制其輸出，不連接監控軟件時可用按鍵獨立操作，具有友好的操作界面，監控軟件可以實時保存輸出參數；采用模塊化的設計方法，對各模塊分別進行設計和制板，以減小模塊間電磁干擾。
【專利說明】基于FPGA的多功能壓電泵驅動電源【技術領域】
[0001]本發明屬于電源領域。
【背景技術】
[0002]壓電泵是近年來開發的一種新型泵，是壓電驅動器的一個重要分支。它以其獨特的工作方式和特殊的性能日益受到各國學者的廣泛重視，因此世界各國都競相開展對壓電泵驅動電源的研究。現有的驅動電源大多采用高壓運算放大器構成電壓放大、功率放大或兩者組合式驅動電源，其具有靜態性能好、集成度高、結構簡單等優點，但其輸出電流小，動態性能受到限制，并且高壓運算放大器普遍價格偏高，不利于實際應用。目前學者研究的壓電泵驅動電源，也大多集中在單路輸出，雖然頻率和幅值(峰峰值)均可調節，但相位無法調節。對于具有兩個或兩個以上腔體的多腔泵，由于其需要各腔驅動電源相位有一定差值，目前現有的驅動電源就不能滿足要求了。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是提供可實現兩路正弦波輸出，其輸出頻率、幅值(峰峰值)和相位均可調節的基于FPGA的多功能壓電泵驅動電源。
[0004]本發明是由輸入回路、前級AC-DC模塊、前級PWM調壓模塊、兩路DC-AC功率模塊、控制及驅動模塊組成，
[0005]輸入回路:P2為電源輸入端，輸入端P2與輸出端AC_220H、AC_220L間有保險絲F1、功率型NTC熱敏電阻RT1、薄膜電容C101、C102、C103、C104、共模電感L_power，電容C101、C102、C103、C104和電感L_power構成低通濾波器；
[0006]供電模塊:通過AC_220H、AC_220L與輸入回路連接，設置有電源變壓器AC_DC_T1、整流橋AC-DC_D1、集成穩壓芯片AC-DC_U1、穩壓二級管AC_DC_D2、集成穩壓芯片AD_DC_U2和AC-DC_U3、六個用于濾波的電解電容、用于限流的電阻AC-DC_R1、用于電源指示燈的發光二極管LED ；
[0007]前級AC-DC模塊的整流和功率因數校正回路:其輸入端的兩個接線端分別接輸入回路的輸出端的AC_220H、AC_220L，其電源輸入端接供電模塊的直流輸出端；
[0008]前級PWM調壓模塊:對應于PWM調壓模塊和反饋回路，MOSFET驅動芯片Ul的電源輸入端VDD接輸入電路的輸出端，其輸入引腳INA接FPGA的PWM輸出引腳，輸出引腳OUTA通過電阻R3后接MOSFET的控制端；T1為變壓器；輸入電壓VIN為功率因數校正電路；電阻R1、電容Cl和快速恢復二級管Dl構成變壓器一次測的放電回路；變壓器副邊的輸出電壓經過快速恢復二級管D2整流和電容C4、C5及扼流圈LI濾波后作為模塊的輸出直流電壓；電容C3和電阻R2構成快速恢復二級管D2的保護回路；電阻R6~R9構成反饋回路；VFB接C8051F340的模擬信號輸入引腳；最小系統電路C8051F340:C8051F340的引腳P0.0,P0.1作為串口 I的輸入輸出引腳，經過電平轉換芯片MAX232后連接到DB9接口上；P0.4、P0.5為串口 O的輸入輸出引腳，分別連接到FPGA的串口輸出輸入引腳上；P1.0~Pl.5為六個按鍵的輸入端口 ；P1.7接前級PWM調壓模塊的電壓反饋信號VFB ；P2.0?P2.2接第二路逆變橋的電流、電壓、溫度反饋信號；P2.3、P2.5、P2.6接第一路逆變橋的電壓、溫度、電流反饋信號；P2.4、P2.7接D5、D6指示燈；P3.0?P3.7接12864液晶屏的數據端串口中，P4.1?P4.6接12864液晶屏的各控制端口 ；C2D、C2CK為C2接口，連接到了 JK2端口 ；
[0009]按鍵、串口通信、穩壓及液晶接口電路:按鍵電路的SI?S6按鍵通過KEYl?KEY6與C8051F340的KEYl?KEY6分別相連；U8為電平轉換芯片MAX232，Jl為DB9接口 ；U9為穩壓芯片，由U9組成的穩壓電路為C8051F340單片機供電；液晶顯示屏IXD接C8051F340單片機的P3 口，P41?P46與C8051F340單片機P41?P46相連；
[0010]FPGA系統:PWM引腳接前級PWM調壓模塊的PWM輸入引腳，SPWM1_A?SPWM2_D為兩路SPWM輸出引腳，分別接兩路DC-AC逆變橋，RXO、TXO為串口輸入輸出引腳，接C8051F340單片機的TXO、RXO引腳；
[0011]第一路驅動電路:U1的SPWM波輸入端HLN、LIN均加入了由三級管Q1、Q2和電阻R15、R16 組成的互鎖電路；U2 與此同理；SPWM1_A、SPWM1_B 'SPmiLCSPWMlD 接 FPGA 系統的四個SPWM輸出引腳，即FPGA系統中的SPWM1_A?SPWM1_D引腳；SPWM1_H01、SPWM1_L01、SPWM1_H02、SPWM1_L02通過排線接到兩路DC-AC功率模塊第一路逆變橋的四個MOSFET ；U5為比較器LM393，其輸入信號為第一路逆變橋的電流反饋信號IFB_1，信號進入IR2110的過電流信號輸入引腳SD引腳，電壓反饋信號VFBl經過限流電阻后進入C8051F340的模擬信號采集引腳，溫度反饋信號TFBl經電阻分壓、限流后也進入C8051F340的模擬信號采集引腳，即 C8051F340 中的 SPWM1_VFB、SPWM1_TFB 引腳；
[0012]第二路驅動電路與第一路相同；
[0013]第一路DC-AC逆變橋=DC-AC逆變橋中端口 P3通過排線連接到第一路驅動電路P3端口 ；輸入電壓VIN接前級PWM調壓模塊的輸出電壓Vout，輸入電壓經過電容Cl、C2濾波后進入逆變橋；第一路逆變橋SPWM輸入信號SPWM1_H01、SPWM1_L01、SPWM1_H02、SPWM1_L02連接到第一路驅動電路中Ul、U2的對應輸出引腳；VFB_1為電壓反饋信號，經過R13、R14、R15、C6、C7進入單片機C8051F340的AD輸入引腳；TFB_1為溫度反饋信號；P5端口輸出的為第一路正弦波電壓；
[0014]第二路DC-AC逆變橋與第一路相同。
[0015]本發明的優點和積極效果:
[0016]1、可輸出兩路正弦波，并且其幅值(峰峰值)、頻率和相位均可調，其中幅值(峰峰值)可調范圍為80?350V，步進為IV，頻率可調范圍為50?800Hz，步進為IHz，相位可調范圍為O?360°，步進為1° ；
[0017]2、可擴展性強，只要在DC-AC功率模塊中再加一路或兩路逆變橋，在控制模塊中加上相應的驅動電路，修改一下程序，就可以設計出3路、4路輸出的驅動電源；
[0018]3、可通過監控軟件和按鍵同時控制其輸出，不連接監控軟件時可用按鍵獨立操作，具有友好的操作界面，監控軟件可以實時保存輸出參數；
[0019]4、采用模塊化的設計方法，對各模塊分別進行設計和制板，以減小模塊間電磁干擾。
【專利附圖】

【附圖說明】[0020]圖1是本發明驅動電源總體結構框圖；
[0021]圖2是本發明輸入回路電路圖；
[0022]圖3是本發明供電模塊電路圖；
[0023]圖4是本發明前級PWM調壓模塊電路圖；
[0024]圖5是本發明C8051F340最小系統電路圖；
[0025]圖6是本發明按鍵、串口、穩壓及液晶接口電路圖；
[0026]圖7是本發明FPGA最小系統接口圖；
[0027]圖8是本發明第一路驅動電路；
[0028]圖9是本發明第一路DC-AC逆變橋；
[0029]圖10是本發明上位機監控軟件；
[0030]圖11是本發明C8051F340程序流程圖；
[0031]圖12是本發明FPGA程序流程圖；
[0032]圖13是本發明上位機監控軟件程序流程圖。
【具體實施方式】
[0033]本發明是由輸入回路、前級AC-DC模塊、前級PWM調壓模塊、兩路DC-AC功率模塊、控制及驅動模塊組成，
[0034]電源經過保護回路和低通濾波回路組成的輸入回路進入，然后分為兩路，其中一路經過降壓、整流、穩壓和濾波組成的供電模塊后產生低壓直流電，為系統中的低壓芯片供電；另一路經過整流后進入功率因數校正回路，從而實現390V直流電壓的輸出，并且提高了電源的功率因數，其輸出的390V直流電壓進入前級PWM調壓模塊進行調壓；
[0035]C8051F340與電腦(PC)間和與FPGA間均采用串口通信，C8051F340接收按鍵信號和驅動液晶屏顯示，根據液晶屏上的提示，通過按鍵來設置最終輸出正弦波電壓的頻率、幅值、相位及控制電源的啟動和停止；C8051F340利用其內部的AD模塊對兩路DC-AC功率模塊的反饋信號和前級PWM高壓模塊的反饋信號采樣，并將采樣結果通過串口傳遞給FPGA，實現輸出的閉環控制；FPGA輸出的PWM波作用于PWM調壓模塊，輸出的SPWM波通過驅動電路后作用于兩路DC-AC功率模塊；
[0036]PWM調壓模塊的輸出為直流電壓，輸出連接到了兩路DC-AC功率模塊，作為待逆變的電壓；兩路DC-AC功率模塊具有兩路逆變橋，可輸出兩路正弦波；上位機監控軟件運行在電腦上，通過軟件界面操作實現與按鍵同樣的功能，其指令通過電腦的串口傳遞給C8051F340，從而實現控制操作，同時軟件界面可對輸出波形進行監控；
[0037]輸入回路:P2為電源輸入端，輸入端P2與輸出端AC_220H、AC_220L間有保險絲F1、功率型NTC熱敏電阻RT1、薄膜電容C101、C102、C103、C104、共模電感L_power，電容C101、C102、C103、C104和電感L_power構成低通濾波器；
[0038]供電模塊:通過AC_220H、AC_220L與輸入回路連接，設置有電源變壓器AC_DC_T1、整流橋AC-DC_D1、集成穩壓芯片AC-DC_U1、穩壓二級管AC_DC_D2、集成穩壓芯片AD_DC_U2和AC-DC_U3、六個用于濾波的電解電容、用于限流的電阻AC-DC_R1、用于電源指示燈的發光二極管LED ；
[0039]前級AC-DC模塊的整流和功率因數校正回路:其輸入端的兩個接線端分別接輸入回路的輸出端的AC_220H、AC_220L，其電源輸入端接供電模塊的直流輸出端；
[0040]前級PWM調壓模塊:對應于PWM調壓模塊和反饋回路，MOSFET驅動芯片Ul的電源輸入端VDD接輸入電路的輸出端，其輸入引腳INA接FPGA的PWM輸出引腳，輸出引腳OUTA通過電阻R3后接MOSFET的控制端；T1為變壓器；輸入電壓VIN為功率因數校正電路；電阻R1、電容Cl和快速恢復二級管Dl構成變壓器一次測的放電回路；變壓器副邊的輸出電壓經過快速恢復二級管D2整流和電容C4、C5及扼流圈LI濾波后作為模塊的輸出直流電壓；電容C3和電阻R2構成快速恢復二級管D2的保護回路；電阻R6?R9構成反饋回路；VFB接C8051F340的模擬信號輸入引腳；最小系統電路C8051F340:C8051F340的引腳P0.0,P0.1作為串口 I的輸入輸出引腳，經過電平轉換芯片MAX232后連接到DB9接口上；P0.4、P0.5為串口 O的輸入輸出引腳，分別連接到FPGA的串口輸出輸入引腳上；P1.0?Pl.5為六個按鍵的輸入端口 ；P1.7接前級PWM調壓模塊的電壓反饋信號VFB ；P2.0?P2.2接第二路逆變橋的電流、電壓、溫度反饋信號；P2.3、P2.5、P2.6接第一路逆變橋的電壓、溫度、電流反饋信號；P2.4、P2.7接D5、D6指示燈；P3.0?P3.7接12864液晶屏的數據端串口中，P4.1?P4.6接12864液晶屏的各控制端口 ；C2D、C2CK為C2接口，連接到了 JK2端口 ；
[0041]按鍵、串口通信、穩壓及液晶接口電路:按鍵電路的SI?S6按鍵通過KEYl?KEY6與C8051F340的KEYl?KEY6分別相連；U8為電平轉換芯片MAX232，Jl為DB9接口 ；U9為穩壓芯片，由U9組成的穩壓電路為C8051F340單片機供電；液晶顯示屏IXD接C8051F340單片機的P3 口，P41?P46與C8051F340單片機P41?P46相連；
[0042]FPGA系統:PWM引腳接前級PWM調壓模塊的PWM輸入引腳，SPWM1_A?SPWM2_D為兩路SPWM輸出引腳，分別接兩路DC-AC逆變橋，RXO、TXO為串口輸入輸出引腳，接C8051F340單片機的TXO、RXO引腳；
[0043]第一路驅動電路:U1的SPWM波輸入端HLN、LIN均加入了由三級管Q1、Q2和電阻R15、R16 組成的互鎖電路；U2 與此同理；SPWM1_A、SPWM1_B 'SPmiLCSPWMlD 接 FPGA 系統的四個SPWM輸出引腳，即FPGA系統中的SPWM1_A?SPWM1_D引腳；SPWM1_H01、SPWM1_L01、SPWM1_H02、SPWM1_L02通過排線接到兩路DC-AC功率模塊第一路逆變橋的四個MOSFET ；U5為比較器LM393，其輸入信號為第一路逆變橋的電流反饋信號IFB_1，信號進入IR2110的過電流信號輸入引腳SD引腳，電壓反饋信號VFBl經過限流電阻后進入C8051F340的模擬信號采集引腳，溫度反饋信號TFBl經電阻分壓、限流后也進入C8051F340的模擬信號采集引腳，即 C8051F340 中的 SPWM1_VFB、SPWM1_TFB 引腳；
[0044]第二路驅動電路與第一路相同；
[0045]第一路DC-AC逆變橋=DC-AC逆變橋中端口 P3通過排線連接到第一路驅動電路P3端口 ；輸入電壓VIN接前級PWM調壓模塊的輸出電壓Vout，輸入電壓經過電容Cl、C2濾波后進入逆變橋；第一路逆變橋SPWM輸入信號SPWM1_H01、SPWM1_L01、SPWM1_H02、SPWM1_L02連接到第一路驅動電路中Ul、U2的對應輸出引腳；VFB_1為電壓反饋信號，經過R13、R14、R15、C6、C7進入單片機C8051F340的AD輸入引腳；TFB_1為溫度反饋信號；P5端口輸出的為第一路正弦波電壓；
[0046]第二路DC-AC逆變橋與第一路相同。
[0047]以下結合附圖對本發明做進一步詳細的描述:
[0048]兩路輸出的多功能壓電泵驅動電源總體結構框圖如圖1所示，具體實施步驟如下:
[0049](I)如圖1所示，220V市電經過保護回路和低通濾波回路組成的輸入回路進入本驅動電源，然后分為兩路，其中一路經過降壓、整流、穩壓和濾波組成的供電模塊后產生14VU2V和5V直流電，為系統中的低壓芯片供電；另一路經過整流后進入功率因數校正回路，從而實現390V直流電壓的輸出，并且提高了本電源的功率因數，其輸出的390V直流電壓進入前級PWM調壓模塊進行調壓。
[0050](2)如圖1所示，C8051F340與電腦(PC)間和與FPGA間均采用串口通信，C8051F340接收按鍵信號和驅動液晶屏顯示，可根據液晶屏上的提示，通過按鍵來設置最終輸出正弦波電壓的頻率、幅值(峰峰值)、相位及控制電源的啟動和停止；C8051F340利用其內部的AD模塊對兩路DC-AC功率模塊的反饋信號和前級PWM高壓模塊的反饋信號采樣，并將采樣結果通過串口傳遞給FPGA，從而實現輸出的閉環控制；FPGA輸出的PWM波作用于PWM調壓模塊，輸出的SPWM波通過驅動電路后作用于兩路DC-AC功率模塊。
[0051](3)如圖1所示PWM調壓模塊的輸出為直流電壓，輸出連接到了兩路DC-AC功率模塊，作為待逆變的電壓；兩路DC-AC功率模塊具有兩路逆變橋，可輸出兩路正弦波；上位機監控軟件運行在電腦上，可通過軟件界面操作實現與按鍵同樣的功能，其指令通過電腦的串口傳遞給C8051F340，從而實現控制操作，同時軟件界面可對輸出波形進行監控，但對于本系統上位機監控軟件不是必須的。
[0052]二、圖1中各功能框圖所對應的具體實施電路如下:
[0053](I)圖2為輸入回路電路圖，對應于圖1中的保護回路和低通濾波回路。圖中P2為220V市電的輸入端，輸入電壓允許有土 10%的波動，即輸入電壓在198V至242V變化時對本電源輸出無影響；F1為保險絲其額定電流為2A、額定電壓為250V交流；RT1為功率型NTC熱敏電阻，用于抑制浪涌電流，阻值為5 Ω，額定電流為6A，VAR1為壓敏電阻，用于抑制瞬時電壓突變，額定電壓為275V ;C101、C102、C103、C104均為薄膜電容，耐壓值均為275V交流電容值依次為0.1uF,0.1uF,4.7nF、4.7nF ；L_power為共模電感，電感值20mH ；電容ClOl、C102、C103、C104和電感L_power構成低通濾波器，其具有兩個作用:一是防止輸入電源竄入噪聲干擾，抑制浪涌電壓和尖峰電壓的進入；二是阻止、限制本電源所產生的噪聲、高頻電磁干擾信號進入電網；AC_220H、AC_220L為其輸出端，輸出電壓分為兩路分別作為供電模塊和功率因數校正模塊功率級電路的輸入電壓。
[0054](2)圖3為供電模塊電路圖，對應于圖1前級AC-DC模塊虛線框內的降壓、整流、穩壓和濾波環節。所示AC_220H、AC_220L為供電模塊的輸入端，輸入信號AC_220H、AC_220L分別與圖2中輸出信號AC_220H、AC_220L相連；AC_DC_T1為一個220V轉18V的電源變壓器，AC-DC_D1為整流橋，其額定電流為2A，耐壓值為50V ;AC_DC_U1為集成穩壓芯片L7815，用于產生15V直流電；AC-DC_D2為14V穩壓二級管，用于產生14V直流電；AD_DC_U2為集成穩壓芯片L7812，用于產生12V直流電；AC-DC_U3為集成穩壓芯片L7805，用于產生5V直流電；圖中 AC-DC_C1、AC-DC_C2、AC_DC_C3、AC_DC_C4、AC_DC_C5、AC_DC_C6 均為電解電容，均用于濾波；AC-DC_C1大小為lOOOuF，耐壓值為50V ;AC_DC_C2大小為470uF，耐壓值為50V ；AC-DC_C3 大小為 IOOOuF,耐壓值為 50V ;AC_DC_C4 大小為 470uF，耐壓值為 25V ;AC_DC_C5大小為0.luF，耐壓值為25V ；AC-DC_C6大小為470uF，耐壓值為16V ;AC_DC_R1為電阻，用于限流，大小為IK Ω ;LED為發光二極管，在本回路中作為電源指示燈。[0055](3)圖1前級AC-DC模塊虛線框內的整流和功率因數校正回路是參照TI(Texas Instruments)公司的 UCC28070 應用手冊“UCC28070 300-ff Interleaved PFCPre-Regulator Design Review”所搭建的，具體原理、工作過程和參數計算過程可參見該手冊。其輸入端的兩個接線端分別接圖2輸入回路的輸出端的AC_220H、AC_220L，其14V電源輸入端接圖3供電模塊的14V直流輸出端，功率因數校正回路的輸出電壓為390V，最大電流為0.77A，輸出最大功率為300W。
[0056](4)圖4為前級PWM調壓模塊電路圖，對應于圖1中前級PWM調壓模塊虛線框內的PWM調壓模塊和反饋回路。圖中所示Ul為MOSFET驅動芯片，其型號為UCC27324，它的電源輸入端VDD接圖2中輸出的12V直流電，其輸入引腳INA接FPGA的PWM輸出引腳，輸出引腳OUTA通過電阻R3后接MOSFET的控制端；T1為變壓器，其磁芯用的是EE50，原邊匝數為78，副邊匝數為156，即匝數比為1:2，可產生2倍的升壓。輸入電壓VIN為功率因數校正電路的390V輸出電壓，可知當PWM占空比在0.2~0.45內連續變化時，輸出端Vout可輸出80~350V連續變化的電壓；電阻R1、電容Cl和快速恢復二級管Dl構成變壓器一次測的放電回路。變壓器副邊的輸出電壓經過快速恢復二級管D2整流和電容C4、C5及扼流圈LI濾波后作為本模塊的輸出直流電壓，即Vout。電容C3和電阻R2構成快速恢復二級管D2的保護回路。電阻R6~R9構成反饋回路，反饋電壓VFB由R9與R6~R7分壓所得，VFB接C8051F340的模擬信號輸入引腳。圖中Cl、C2、C4、C5為聚酯電容，耐壓為630V，大小分別為0.01uF、47uF、luF、IuF ；C3為瓷片電容，耐壓為50V,大小為0.01uF ；C6為瓷片電容，耐壓為16V，大小為3.3nF ;D1、D2為快速恢復整流二級管，型號為UF5406，D3為快速恢復二級管，型號為1N4148 ;Q1為M0SFET，型號為IRF840 ；R1為47 ΚΩ電阻，額定功率為3W ;R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9為碳膜電阻，功率均為0.25W，大小分別為IK Ω、4.7 Ω、IOK Ω、IM Ω、1ΜΩ、1ΜΩ、21.5ΚΩ ;R5為康銅絲，直徑為1_，阻值為0.01 Ω。
[0057](5)圖5為C8051F340最小系統電路圖，對應于圖1控制及驅動模塊中的C8051F340最小系統。圖中U7是新華龍公司生產的增強型51單片機，型號為C8051F340，在本電源中作為總控制器。C8051F340的引腳P0.0、P0.1作為串口 I的輸入輸出引腳，經過電平轉換芯片MAX232后連接到DB9接口上；P0.4、P0.5為串口 O的輸入輸出引腳，分別連接到FPGA的串口輸出輸入引腳上；Ρ1.0-Ρ1.5為6個按鍵的輸入端口 ；Ρ1.7接圖4前級PWM調壓模塊電路圖的電壓反饋信號VFB ；Ρ2.0-Ρ2.2接第二路逆變橋的電流、電壓、溫度反饋信號；Ρ2.3、Ρ2.5、Ρ2.6接第一路逆變橋的電壓、溫度、電流反饋信號；Ρ2.4、Ρ2.7接D5、D6指示燈，用于指示和報警；Ρ3.0~Ρ3.7接12864液晶屏的數據端串口中，Ρ4.1~Ρ4.6接12864液晶屏的各控制端口 ；C2D、C2CK為C2接口，連接到了 JK2端口，用于下載和調試程序；+3.3V直流電壓由AMS1117-3.3穩壓芯片提供，C41為電解電容，耐壓為16V，大小為IOuF ；C42為瓷片電容，耐壓為16V，大小為0.1uF ;D5、D6為發光二級管；R37、R38為碳膜電阻，用于分壓，功率為0.25W，大小為390 Ω。
[0058](6)圖6為按鍵、串口通信、穩壓及液晶接口電路，按鍵、串口通信、液晶在圖1控制及驅動模塊中均有對應框圖，穩壓電路屬于C8051F340最小系統。圖6中左側虛線框內為按鍵電路，S1~S6為按鍵，KEYl~KEY6與圖5中KEYl~KEY6分別相連；中間上方虛線框內為串口通信電路，U8為電平轉換芯片MAX232，Jl為DB9接口；中間下方虛線框內為穩壓電路，輸入電壓為5V直流，輸出電壓為3.3V直流，給C8051F340單片機供電，U9為AMSl117-3.3穩壓芯片；右側為液晶顯示屏接口電路，IXD為一個20 口的插針接口，接一塊ST7920控制器驅動的12864液晶屏，DBO?DB7為數據端口，接C8051F340單片機的P3 口，P41?P46與C8051F340單片機P41?P46相連。圖6中C39?C52均為瓷片電容，耐壓為16V，大小為
0.1uF ;C38、C40為電解電容，耐壓為16V，大小為IOuF ；D7為發光二級管，作為電源指示燈用；R36為碳膜電阻，用于分壓，功率為0.25W，大小為390Ω ;R45為碳膜電阻，用于調節液晶屏的亮度，大小根據實際需要確定。
[0059](7)圖7為FPGA最小系統接口圖，對應于圖1控制及驅動模塊中的FPGA最小系統，P1、P2為兩個22*2的排針座，用于插接一塊FPGA最小系統板，本電源FPGA為Altera公司生產的Cyclone系列芯片，型號為EP4CE6E22C8N，FPGA最小系統板是深圳微雪電子有限公司開發、生產的EP4CE6E22C8N最小系統板，其引出兩排22*2排針，可直接插接在排針座上。圖7中+5V直流電由供電模塊提供，+3.3V為最小系統輸出電壓；PWM引腳接前級PWM調壓模塊的PWM輸入引腳，SPWM1_A?SPWM2_D為兩路SPWM輸出引腳，分別接兩路DC-AC逆變橋，RXO、TXO為串口輸入輸出引腳，接C8051F340單片機的TXO、RXO引腳，用于它們之間的串口通信。
[0060](8)圖1控制及驅動模塊虛線框內驅動電路中有兩路驅動電路，分別驅動兩路DC-AC逆變橋，圖8為第一路驅動電路，第二路驅動電路與第一路相同。U1、U2為IR2110，每片IR2110可驅動全橋中一個橋臂上的上下兩個M0SFET，在Ul的SPWM波輸入端HLN、LIN均加入了由三級管Q1、Q2和電阻R15、R16組成的互鎖電路，以防止一個橋臂上的兩個MOSFET同時導通，而造成嚴重后果，U2與此同理；SPWM1_A、SPWM1_B、SPWM1_C、SPWM1_D接FPGA最小系統的4個SPWM輸出引腳，即圖7中SPWM1_A?SPWM1_D引腳；SPWM1_H01、SPWM1_L01、SPWM1_H02、SPWM1_L02通過排線接到兩路DC-AC功率模塊第一路逆變橋的4個MOSFET。U5為比較器LM393，它具有兩路比較器，在本設計中其輸入信號為第一路逆變橋的電流反饋信號IFB_1，經過一個比較器后得到過電流信號，該信號進入IR2110的過電流信號輸入引腳SD引腳，以控制SPWM信號的輸出，比較器的閥值電壓由R8、R9分壓所得，這里所分得的電壓為0.65V。電壓反饋信號VFBl經過限流電阻后進入C8051F340的模擬信號采集引腳，溫度反饋信號TFBl經電阻分壓、限流后也進入C8051F340的模擬信號采集引腳，即圖5中的SPWM1_VFB、SPWM1_TFB引腳。圖8中C9、CIO、Rll為備用元件,實際電路中不焊接；C1、C2、C6、C7、C8、C12、C16、C18、C20 為瓷片電容，耐壓為 16V, C7、C8 大小依次為 IOOOpF,0.0luF，其它電容大小均為0.1uF ;C5、C11、C13、C14、C15、C17、C19為鉭電容，耐壓為16V，大小均為IOuF ;D1、D2為快速恢復二級管，型號為FR107 ；Q1?Q4為PNP型三級管，型號為2SA1015，亦可用S8550替代；圖8中電阻均為碳膜電阻，功率均為0.25W，Rl、R8、R12、R13大小均為IOR K Ω，R 2、R3大小為100 Ω，R7大小為IK Ω，R9大小為1.5ΚΩ , R14?R21大小均為5.1ΚΩ。
[0061](9)圖9為第一路DC-AC逆變橋，是圖1中兩路DC-AC逆變橋的第一路，第二路DC-AC逆變橋與第一路相同。圖9中端口 P3通過排線連接到圖8第一路驅動電路的P3端口，圖9所示輸入電壓VIN接前級PWM調壓模塊的輸出電壓Vout，輸入電壓經過電容C1、C2濾波后進入逆變橋；SPWM1_H01、SPWM1_L01、SPWM1_H02、SPWM1_L02為第一路逆變橋的SPWM輸入信號，連接到第一路驅動電路中Ul、U2的對應輸出引腳，用于驅動MOSFET的開和關；在調制波的正半周期，V2、V3關斷，Vl導通，V4控制端輸入的是經調制的SPWM波，電流在V4導通時，依次經過V1、負載、V4和康銅絲流入地，在V4關斷時電感LI有一定續流和平滑的作用。在調制波的負半周期，V1、V4關斷，V2導通，V3控制端輸入的是經調制的SPWM波，電流在V3導通時，依次經過V2、負載、V3和康銅絲流入地，在V3關斷時電感LI有一定續流和平滑的作用。SPWM1_VS1、SPWM1_VS2為高壓側浮動供應偏置電壓，通過排線分別輸入給圖8中Ul、U2的VS引腳；IFB_1為電流反饋信號，其經過圖8中比較器U5后進入Ul、U2的SD引腳，起到過電流保護作用；VFB_1為電壓反饋信號，它從輸出端的一相引入，經過R13、R14、R15、C6、C7構成的正弦波輸出電壓調整電路調整后最終進入單片機C8051F340的AD輸入引腳，可通過定位器調節其最大電壓，以使其滿足單片機測量范圍；TFB_1為溫度反饋信號，其值由熱敏電阻RTl與圖8中相應電阻分壓得到，熱敏電阻RTl帖在MOSFET的散熱片上，以反應MOSFET的溫度；P5端口輸出的即為第一路正弦波電壓。圖7中C1、C2為電解電容，耐壓為450V，大小分別為47uF、IOOuF ;C3?C5為CBB電容，耐壓為630V，大小分別為0.1uF,0.1uF,2.2uF ;C6、C16為瓷片電容，耐壓為16V，大小分別為0.1uF,0.0luF ；C7為電解電容，耐壓為16V，大小為4.7uF ；D1為快速恢復二級管，型號為1N5408 ;D2?D5為快速恢復二級管，型號為1N4148 ;V1?V4為N溝道M0SFET，型號為IRF840 ;R3?R6為碳膜電阻，功率為0.25W，大小均為4.7Ω ;R7?RlO為碳膜電阻，功率為0.25W，大小均為IOK Ω ;R11、R12為康銅絲，直徑為1mm，大小均為0.01 Ω ;R13、R15為碳膜電阻，功率為0.25W，大小分別為200ΚΩ、10ΚΩ ;R14為定位器，大小為10ΚΩ ;RT1為NTC型熱敏電阻，大小為IOK Ω。
[0062](10)圖10為上位機監控軟件的界面，圖中上位機監控軟件包括輸出波形顯示部分、第一路輸出設置及顯示部分、第二路輸出設置及顯示部分、系統設置部分。輸出波形顯示部分用于顯示兩路正弦波輸出的波形；第一路輸出設置及顯示部分可對第一路正弦波輸出信號的頻率、幅值、相位進行設置，并且可顯示當前輸出正弦波的頻率、幅值、相位；第二路輸出設置及顯示部分與第一路同理；系統設置部分可對輸入串口號和記錄時間間隔進行選擇、打開或關閉串口、開始或結束監控和記錄、查看記錄結果和退出程序。
[0063]三、控制流程如下:
[0064](I)圖11為C8051F340的控制程序流程圖，在進行各步驟時12864液晶屏均有相應的顯示或提示，為使流程圖簡單明了，未將液晶屏的顯示流程加入該程序流程圖。系統上電后，程序開始執行，對程序各模塊進行初始化，如液晶顯示屏、AD模塊和串口等，如初始化不正常則返回繼續初始化，初始化次數大于3次后，圖5的指示燈Dl閃爍報錯；如初始化正常，則進入無限循環程序，此時單片機等待按鍵按下和串口中斷。當有按鍵按下時，進行鍵值處理，得出命令值，如果為設置參數命令則調用參數設置程序，液晶屏進入設置界面，可根據提示設置相應參數，如果為退出命令則退出當前界面，如為確定命令則將所設置的參數通過串口 O發送給FPGA，FPGA會對參數進行解析，輸出相應的PWM波和SPWM波，同時C8051F340啟動AD模塊對反饋信號進行采樣，將結果發送給FPGA，同時判斷是否有參數超標，并調用相應函數進行處理；當有串口中斷時，判斷是串口 O中斷還是串口 I中斷，并調用相應的串口中斷處理程序，當為串口 I中斷時，判斷是否為上位機請求連接命令，如果是則向上位機發送本電源當前輸出波形的參數數據，如果不是則進行與按鍵相同的命令值處理。
[0065](2)圖12為FPGA的程序流程圖。FPGA在運行時是并行處理的，在一個時鐘周期內會對滿足執行條件的所有語句執行一次，所以程序的流程是由If語句和case語句控制的。FPGA的配置信息存儲在了配置芯片上，所以系統上電后它要先從配置芯片上讀取配置信息，然后開始執行程序。先初始化變量，如頻率控制字、相位控制字；進行串口時鐘分頻，得到串口時鐘，按時鐘查尋串口引腳是否有電平變化，以接收數據，如果為設置命令則設置相應的控制字，如果為輸出命令則按時鐘查尋FPGA的ROM區，得到各波形幅度的二進制數據，將正弦波與三角波幅度進行比較得到SPWM波，同時改變PWM頻率控制字得到PWM波。
[0066](3)圖13為上位機監控軟件的程序流程圖。軟件啟動后界面進行顯示初始化，同時每秒更新一次右下角的時鐘，使之與電腦時間同步，然后等待界面中的按鈕按下和文本框的輸入。當點擊“打開串口”鍵時，判斷串口是否可用，如不可用，則提示錯誤，可更改串口號后再試，如可用則打開串口，同時按鈕名稱變為“關閉串口”，點擊“關閉串口”可關閉串口 ；當點擊“開始監控”鍵時，判斷串口是否打開，如未打開，則提示出錯，可打開串口后再試，如串口已打開，則按鈕名稱變為“停止監控”，同時初始化監控，向C8051F340發送請求連接命令，開啟定時器，定時讀取串口值，實時更新各路的當前值顯示，并繪制輸出曲線，點擊“停止監控”可關閉定時器、停止監控；當點擊“開始記錄”鍵時，判斷監控是否開始，如未開始，則提示錯誤，可先開啟監控后再試，如已開始監控，則按鈕名稱變為“停止記錄”，同時讀取記錄間隔，初始化excel表格,按記錄時間間隔將各路數據保存在excel表格里,點擊“停止記錄”可停止向excel表格中填寫數據；當點擊第一路的“確定”鍵時，先判斷是否監控已開始，如未開始，則提示出錯，可先開啟監控后再試，如已開始監控，則將第一路各文本框內的數據通過串口發送給C8051F340，以更改第一路正弦波的輸出參數，第二路同理；在開始記錄后，點擊“打開監控記錄”可打開excel表格，以查看記錄，關閉時會提示是否保存；點擊“退出”鍵，會彈出是否確定退出對話框，點擊“確定”鍵可退出，否則回到主界面。提示錯誤指彈出一個錯誤提示對話框。
[0067]四、參數調節及波形產生原理:
[0068](I)參數調節原理:在電壓進入逆變橋前經過了前級PWM調壓電路，因此改變其輸入的PWM波占空比就可使之輸出的電壓大小發生改變，即實現了最終輸出正弦波幅度(峰峰值)的調節；逆變橋的輸入信號為SPWM波，SPWM波由信號波和載波經過調制得到，而最終輸出正弦波的波形、頻率、相位與信號波的波形、頻率、相位相同，因此使信號波為正弦波，改變其輸出頻率和相位，就可以實現最終輸出正弦波頻率、相位的調節。
[0069](2)波形的產生原理:
[0070]1、FPGA使用的是50MHz的外部有源晶振，定義兩個10位的整形變量分別為PWM頻率累加器和PWM頻率控制字，PWM頻率控制字由設定的最終輸出正弦波的幅度值確定，是一個O?500的整數。在每個時鐘同期PWM頻率累加器加1，加到1000時，頻率累加器歸0，同時將PWM頻率累加器值與PWM頻率控制字值進行比較，當PWM頻率累加器值小于等于PWM頻率控制字值時PWM波輸出引腳輸出高電平，否則輸出低電平，可用當改變PWM頻率控制字時，可在PWM波輸出引腳輸出一個頻率為50KHz占空比在O?50%內可變的PWM波。
[0071]2、將幅度在O到2內變化的正弦波的一個周期等分為4096份，每個周期等分點對應一個幅度值，將幅度值放大2048倍并取整數，將這些值按等分點順序依次保存在FPGA內4096個12位的ROM塊中，向塊中寫地址就能得到相應的幅度值。先定義一個40位的整形變量為正弦波頻率累加器、一個12位的整形變量為正弦波頻率控制字、一個12位的整形變量為正弦波相位控制字和A、B、C、D為SPWM波的四個輸出引腳。頻率控制字和相位控制字大小由最終輸出正弦波的頻率和相位確定，在每個時鐘周期內頻率累加器值加上頻率控制字值得到新的頻率累加器值，新的頻率累加器值再加上相位控制字值，取其結果的前12位為ROM塊的地址，從ROM塊取出對應正弦波幅度值，如此周而復始，便可得到一個正弦波，改變其頻率控制字和相位控制字就可以改變正弦波的頻率和相位，三角波產生原理與此相同。將正弦波作為信號波，三角波作為載波，載波比為256。每個時鐘周期，判斷一下正弦波的幅度值大小，并與三角波幅值相比較，當正弦波幅度大于等于2048時，A腳始終輸出高電平，B、C腳始終輸出低電平，當正弦波幅度小于等于三角波幅度時，D腳輸出高電平，否則輸出低電平；當正弦波幅度小于2048時，C腳始終輸出高電平，A、D腳始終輸出低電平，當正弦波幅度小于等于三角波幅度時，B腳輸出高電平，否則輸出低電平，這樣周而復始，A、B、C、D四個腳輸出的就是SPWM波。
【權利要求】
1.一種基于FPGA的多功能壓電泵驅動電源，其特征在于:是由輸入回路、前級AC-DC模塊、前級PWM調壓模塊、兩路DC-AC功率模塊、控制及驅動模塊組成， 輸入回路:P2為電源輸入端，輸入端P2與輸出端AC_220H、AC_220L間有保險絲F1、功率型NTC熱敏電阻RT1、薄膜電容C101、C102、C103、C104、共模電感L_power，電容C101、C102、C103、C104和電感L_power構成低通濾波器； 供電模塊:通過AC_220H、AC_220L與輸入回路連接，設置有電源變壓器AC_DC_T1、整流橋AC-DC_D1、集成穩壓芯片AC-DC_U1、穩壓二級管AC_DC_D2、集成穩壓芯片AD_DC_U2和AC-DC_U3、六個用于濾波的電解電容、用于限流的電阻AC-DC_R1、用于電源指示燈的發光二極管LED ； 前級AC-DC模塊的整流和功率因數校正回路:其輸入端的兩個接線端分別接輸入回路的輸出端的AC_220H、AC_220L，其電源輸入端接供電模塊的直流輸出端； 前級PWM調壓模塊:對應于PWM調壓模塊和反饋回路，MOSFET驅動芯片Ul的電源輸入端VDD接輸入電路的輸出端，其輸入引腳INA接FPGA的PWM輸出引腳，輸出引腳OUTA通過電阻R3后接MOSFET的控制端；T1為變壓器；輸入電壓VIN為功率因數校正電路；電阻R1、電容Cl和快速恢復二級管Dl構成變壓器一次測的放電回路；變壓器副邊的輸出電壓經過快速恢復二級管D2整流和電容C4、C5及扼流圈LI濾波后作為模塊的輸出直流電壓；電容C3和電阻R2構成快速恢復二級管D2的保護回路；電阻R6~R9構成反饋回路；VFB接C8051F340的模擬信號輸 入引腳；最小系統電路C8051F340:C8051F340的引腳P0.0,P0.1作為串口 I的輸入輸出引腳，經過電平轉換芯片MAX232后連接到DB9接口上；P0.4、P0.5為串口 O的輸入輸出引腳，分別連接到FPGA的串口輸出輸入引腳上；P1.0~Pl.5為六個按鍵的輸入端口 ；P1.7接前級PWM調壓模塊的電壓反饋信號VFB ；P2.0~P2.2接第二路逆變橋的電流、電壓、溫度反饋信號；P2.3、P2.5、P2.6接第一路逆變橋的電壓、溫度、電流反饋信號；P2.4、P2.7接D5、D6指示燈；P3.0~P3.7接12864液晶屏的數據端串口中，P4.1~P4.6接12864液晶屏的各控制端口 ；C2D、C2CK為C2接口，連接到了 JK2端口 ； 按鍵、串口通信、穩壓及液晶接口電路:按鍵電路的SI~S6按鍵通過KEYl~KEY6與C8051F340的KEYl~KEY6分別相連；U8為電平轉換芯片MAX232，Jl為DB9接口 ；U9為穩壓芯片，由U9組成的穩壓電路為C8051F340單片機供電；液晶顯示屏IXD接C8051F340單片機的P3 口，P41~P46與C8051F340單片機P41~P46相連； FPGA系統:PWM引腳接前級PWM調壓模塊的PWM輸入引腳，SPWM1_A~SPWM2_D為兩路SPWM輸出引腳，分別接兩路DC-AC逆變橋，RXO、TXO為串口輸入輸出引腳，接C8051F340單片機的TX0、RX0引腳； 第一路驅動電路:U1的SPWM波輸入端HLN、LIN均加入了由三級管Q1、Q2和電阻R15、R16組成的互鎖電路；U2與此同理；SPWM1_A、SPWM1_B> SPWM1_C、SPWM1_D接FPGA系統的四個 SPWM 輸出引腳，SP FPGA 系統中的 SPWM1_A~ SPWM1_D 引腳；SPWM1_H01、SPWM1_L01、SPWM1_H02、SPWM1_L02通過排線接到兩路DC-AC功率模塊第一路逆變橋的四個MOSFET ；U5為比較器LM393，其輸入信號為第一路逆變橋的電流反饋信號IFB_1，信號進入IR2110的過電流信號輸入引腳SD引腳，電壓反饋信號VFBl經過限流電阻后進入C8051F340的模擬信號采集引腳，溫度反饋信號TFBl經電阻分壓、限流后也進入C8051F340的模擬信號采集引腳，即 C8051F340 中的 SPWM1_VFB、SPWM1_TFB 引腳；第二路驅動電路與第一路相同； 第一路DC-AC逆變橋=DC-AC逆變橋中端口 P3通過排線連接到第一路驅動電路P3端口 ；輸入電壓VIN接前級PWM調壓模塊的輸出電壓Vout，輸入電壓經過電容Cl、C2濾波后進入逆變橋；第一路逆變橋 SPWM 輸入信號 SPWM1_H01、SPWM1_L01、SPWM1_H02、SPWM1_L02連接到第一路驅動電路中Ul、U2的對應輸出引腳；VFB_1為電壓反饋信號，經過R13、R14、R15、C6、C7進入單片機C8051F340的AD輸入引腳；TFB_1為溫度反饋信號；P5端口輸出的為第一路正弦波電壓； 第二路DC-AC逆變橋與 第一路相同。
【文檔編號】H02M5/458GK203399001SQ201320346106
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月18日 優先權日:2013年6月18日
【發明者】梁亮, 李新波, 蔣楠, 周秀文, 劉國君, 楊志剛, 聶磊, 石要武 申請人:吉林大學