基于CPLD的數(shù)字PWM信號發(fā)生器的設計-

1、技術創(chuàng)新中文核心期刊微計算機信息(嵌入式與SOC2007年第23卷第7-2期PLD CPLD FPGA應用基于CPLD的數(shù)字PWM信號發(fā)生器的設計A Design of Digital PWM Signal Generator Based on CPLD Devices(1.上海工程技術大學;2.中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心;3.四川大學滕旭東1王弘輝2傅友登3TENG XUDONG WANG HONGHUI FU YOUDENG摘要:提出一種基于CPLD(復雜可編程邏輯器件的數(shù)字脈寬調(diào)制波形發(fā)生器的設計。文中詳細介紹以計數(shù)器為中心的PWM 波形產(chǎn)生原理和設計過程,并給出數(shù)字PWM信號發(fā)生器的應用實例

2、。測試結果表明,基于CPLD的數(shù)字脈寬調(diào)制波形具有頻率穩(wěn)定性好、死區(qū)時間可控,結構簡單和調(diào)整靈活等特點,易于實現(xiàn)智能控制。關鍵詞:逆變電源;數(shù)字脈沖寬度調(diào)制信號;CPLD;計數(shù)器中圖分類號:TN787文獻標識碼:AAbstract:A new design of digital PWM signal based on CPLD devices is introduced in this paper.By means of good performance of CPLD devices,The design scheme and working principles of digital PW

3、M generator are analyzed in detail.The testing results show that PWM signal realized by CPLD is more stable and easily be controlled.So it is possible that adjusting and monitoring systems by feedback signal.Key words:welding inverter,digital Pulse Wide Modulator,CPLD,Counter文章編號:1008-0570(200707-2-

4、0178-02引言逆變電源,在弧焊機和超聲波清洗設備等方面應用很廣,其技術核心就是產(chǎn)生PWM(脈沖寬度調(diào)制信號,通過改變PWM信號的頻率和占空比,調(diào)節(jié)和控制功率開關器件的開通以及關斷時間,實現(xiàn)電源頻率和功率輸出的調(diào)節(jié),形成逆變電源。目前,逆變電源常使用模擬/數(shù)字混合設計的專用芯片如TL494、SG3525等來產(chǎn)生PWM信號,這類芯片最大缺點是波形不穩(wěn)定,會受到電磁場和工作環(huán)境溫度的影響,漂移現(xiàn)象嚴重,而且不易用微處理器控制,動態(tài)調(diào)節(jié)頻率和功率困難。考慮到CPLD(復雜可編程邏輯器件具有高可靠性,通用性好,在線可編程等特點,已有研究者開始采用CPLD來設計PWM波形發(fā)生器,然而這些設計過程較為復

5、雜,調(diào)整不靈活,需要資源數(shù)較多的可編程邏輯器件,從而帶來使用不便和成本較高等缺點。本文提出一種基于CPLD的PWM波形發(fā)生器設計原理,具備智能控制及死區(qū)調(diào)整功能,芯片資源占用少,能較好地解決設計功能實現(xiàn)和開發(fā)成本的矛盾。1PWM信號產(chǎn)生原理采樣控制理論中有一個重要結論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同。以該結論為理論基礎,可以利用計數(shù)器和觸發(fā)器設計PWM信號產(chǎn)生電路,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的兩路脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則改變計數(shù)器的數(shù)值,就可以調(diào)整脈沖的寬度,從而實現(xiàn)逆變電源輸出功率和頻率的調(diào)整。在控制大功率電路

6、時,PWM信號發(fā)生電路產(chǎn)生的兩路脈沖要求有一定的死區(qū)時間tp,即為了保證大功率器件不同時導通而設置的所有大功率器件同時處于截止狀態(tài)的時間,如圖1所示。圖1兩路對稱PWM信號及死區(qū)tpFig.Waveforms of PWM pulse and Dead time tp2數(shù)字PWM信號發(fā)生器的設計復雜可編程芯片可以用VHDL語言(硬件電路描述語言或者電路原理圖方式進行自頂向下的設計開發(fā),實現(xiàn)相應的電路功能。根據(jù)上節(jié)介紹的PWM波形產(chǎn)生原理,設計框圖如圖2所示。圖中主要由周期預置計數(shù)器、減一計數(shù)器、零值/中值檢測器、死區(qū)控制器、RS觸發(fā)器和控制信號產(chǎn)生電路等部分組成,實現(xiàn)數(shù)字PWM信號的產(chǎn)生。圖2

7、數(shù)字PWM信號發(fā)生器的原理圖2.1PWM信號的產(chǎn)生滕旭東:碩士基金項目:上海高校培養(yǎng)優(yōu)秀青年教師科研專項基金資助(05XPYQ05技術創(chuàng)新PLD CPLD FPGA 應用您的論文得到兩院院士關注調(diào)用16位計數(shù)器模塊作為周期預置計數(shù)器和減一計數(shù)器。周期預置計數(shù)器先向減一計數(shù)器預置初始值N ,接著減一計數(shù)器在分頻后的時鐘信號CLK1作用下,實現(xiàn)二進制數(shù)N 的減一運算。減一過程中,變化的計數(shù)值與N/2做中值檢測,二者相等時產(chǎn)生高電平信號Half_Flag ,同時計數(shù)器繼續(xù)減一操作;當計數(shù)值減到零值時,由全零檢測器產(chǎn)生高電平信號Zero_Flag ,并重新賦減一計數(shù)器初值N ,下一個時鐘重新計數(shù)。隨著

8、計數(shù)器周而復始的減一操作,于是產(chǎn)生周期為T=N/fclk1的兩路觸發(fā)脈沖信號Half_Sig 和Zero_Sig 。如圖3所示。圖3減一計數(shù)器產(chǎn)生的兩路觸發(fā)脈沖flg.3Dual-Pulses Producing by Down-Counter兩路觸發(fā)脈沖信號經(jīng)脈沖電路整形后,分別送入RS 觸發(fā)器FF0和FF1的輸入控制端。由于觸發(fā)脈沖信號周期為T ,所以觸發(fā)器FF0和FF1的輸出端Q 每隔周期T 才翻轉(zhuǎn)一次且翻轉(zhuǎn)方向相反,從而形成的周期為2T 的數(shù)字脈沖波形信號,即無死區(qū)的PWM 波形,見圖4?？梢妰陕酚|發(fā)脈沖信號的周期T 決定了PWM 信號的頻率值,如果要改變PWM 波形輸出頻率f ,調(diào)整

9、周期預置計數(shù)器的初值N 就可實現(xiàn),計算公式如下:(1(2圖4兩路對稱PWM 信號Fig.4Waveforms of PWM pulse其中:f os 為晶振頻率;f 為頻率精度;式(1(2表明晶振基準頻率越高,計數(shù)器位數(shù)越多,頻率精度就會越高。例如晶振頻率f os 為40M 時,頻率精度為1020Hz ,而晶振頻率f os 為60M 時,頻率精度可達15Hz 。2.2死區(qū)設計上述PWM 信號產(chǎn)生以后,利用死區(qū)控制器產(chǎn)生控制信號形成和調(diào)整死區(qū)tp 。死區(qū)控制器內(nèi)部有延時預置計數(shù)器和兩個減一計數(shù)器?？刂七^程為:延時預置計數(shù)器先向兩個減一計數(shù)器置數(shù),由觸發(fā)脈沖Half_Flag 和Zero_Flag

10、 分別啟動兩個減一計數(shù)器,實現(xiàn)交叉控制觸發(fā)器FF0和FF1的翻轉(zhuǎn),如圖5所示。當脈沖Half_Flag 送入觸發(fā)器R 端后,FF0觸發(fā)器立刻進行翻轉(zhuǎn),同時啟動內(nèi)部減一計數(shù)器,使FF1觸發(fā)器延時后翻轉(zhuǎn),兩個觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時刻正好相差了一個延時預置計數(shù)器的計數(shù)時間,即死區(qū)時間tp ,這樣形成了一個死區(qū);當脈沖Zero_Flag 送入RS 觸發(fā)器R 端后,FF1觸發(fā)器立刻翻轉(zhuǎn),內(nèi)部另一個減一計數(shù)器開始工作,使FF0觸發(fā)器延時相同時間tp 后翻轉(zhuǎn),這樣又形成了一個死區(qū)。隨著兩路觸發(fā)脈沖的周期重復,于是產(chǎn)生兩路PWM 波形。圖5死區(qū)延時器延民主黨波形翻轉(zhuǎn)示意圖Fig.5Diagram of PWM Wav

11、eforms overturning2.3脈寬控制PWM 信號的死區(qū)時間越長,其有效寬度越窄,反之就越寬。所以我們可以通過控制預置計數(shù)器的計數(shù)值來改變死區(qū)時間,達到調(diào)整PWM 信號寬度的目的。當采用數(shù)字PI 或PID 調(diào)節(jié)器時,反饋信號經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后送給死區(qū)延時預置計數(shù)器,在計數(shù)器減到0時自動預置成為下一次的死區(qū)時間,從而實現(xiàn)脈寬調(diào)整功能。2.4控制信號產(chǎn)生電路控制信號產(chǎn)生電路由T 觸發(fā)器、比較器、譯碼器等數(shù)字邏輯電路組成。主要功能產(chǎn)生各種觸發(fā)信號控制計數(shù)器置數(shù)、運算操作和啟動時刻,包括周期預置計數(shù)器、減一計數(shù)器和死區(qū)延時預置計數(shù)器等;其次控制外部總線訪問CPLD 內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩存器或地址鎖

12、存器,實現(xiàn)智能控制和自適應調(diào)節(jié)。3基于CPLD 的PWM 波形發(fā)生器的應用示例基于CPLD 設計的PWM 波形發(fā)生器與微處理器接口簡單,可以通過數(shù)字化的控制方法設置和調(diào)整參數(shù),滿足各種工況要求。此外容易實現(xiàn)過流、過壓和過熱等保護功能。圖6為數(shù)字超聲波電源的PWM 波形發(fā)生器設計電路。該設計采用單片機AT89C2051控制基于CPLD 的PWM 波形發(fā)生器的工作,CPLD 芯片采用EPM 7128SLC84-15。電路中用四個按鍵來設置CPLD 的工作模式和控制參數(shù),其中鍵Fre_Up 和Fre_Down 來調(diào)整PWM 信號頻率;鍵M ulti_single 設置單頻/跳頻工作方式;鍵Start

13、_Key 啟動/停止PWM 波形發(fā)生器。圖6智通PWM 信號發(fā)生器的電路原理圖Fig .6CircuitConfigurationoftheintrelligentPWM WaveformsGenerator開機后,單片機根據(jù)鍵盤操作,通過A0.2總線向CPLD 送入訪問地址,譯碼后D0.3上的數(shù)據(jù)寫入選中計數(shù)器,實現(xiàn)對PWM 波形發(fā)生器的設置,按下Start_Key 鍵啟動CPLD 開始獨立工作。(下轉(zhuǎn)第219頁技術創(chuàng)新機器人技術您的論文得到兩院院士關注/異步合成,此函數(shù)立即退出jTTS_PlayToFile(pszText,pszDestFile,FORM AT_WAV,NULL,PLAY

14、M ODE_ASYNC,CallBackProc,0;jTTS_PlayToFile (pszTextFile,pszDestFile,FORM AT_WAV,NULL,PLAYCONTENT_TEXTFILE,NULL,0;用戶可以指定合成語音數(shù)據(jù)的格式,并可以指定是否增加WAV 文件頭。在本文中,大量使用以上的文件合成,回調(diào)函數(shù)以及WAV 語音格式,使語音合成跨過平臺更容易、更簡單、更準確。5結束語本文討論了多Agent 通信機制的機器人控制系統(tǒng)結構及協(xié)調(diào)機制,著重討論了在不同Agent 下的通信語言選擇,并實現(xiàn)了TTSAgent 播報系統(tǒng)方式,在多Agent 通信機制上考慮到Ontolo

15、-gy 一致性來提高Agent 之間的協(xié)作效率。實驗證明在機器人控制系統(tǒng)中,在Web Service 中生成合成語音,將機器人動作轉(zhuǎn)化為邏輯程序設計中的形式語音,是一種有效的多Agent 通信協(xié)調(diào)機制方法。本文作者的創(chuàng)新點:通過在多Agent 通信中引入通信本體和KQM L 語言,實現(xiàn)了機器人控制系統(tǒng)中信息之間的理解和溝通;通過使用SSM L 、S3M L 語言和TTS ,實現(xiàn)了人類使用中文語音與機器人進行對話、交流和控制的目的。本文的研究為機器人智能控制和工業(yè)控制系統(tǒng)的語音遠程控制提供了一種新的解決方法。參考文獻1薛宏濤等.多智能體系統(tǒng)體系結構及協(xié)調(diào)機制研究綜述J.機器人,2001,23(1

16、:201-2072陳衛(wèi)東等.基于開放式多智能體結構的分布式自主機器人系統(tǒng)J.機器人,2001,23(1:56-603S Carpn,LE Parker.Coopesaline leader following in a Dis-tributed Multi -Robot System C.In:Proc.2002IEEE Int.Conf.Robot and Automat.,2002,2994-3001.4Huang Haiping ,Wang Ruchuan,Xu Xiaolong.esearch on Appli-cations of Cryptography for Multi -Mo

17、bile Agents System.TheJournal of China University of Posts and Telecommunications,2004,11(4:34-375魏春梅,宋庭新.基于Web Service 的機器人遠程控制系統(tǒng)設計J微計算機信息,2006,6-2:258-259。作者簡介:劉么和(1954-,男,湖北武漢人,湖北工業(yè)大學機械工程學院教授,留美歸國學者,主要從事計算機應用,語音識別,機器人技術和信號處理方面的研究。Email:yaohe_;何東付(1982-,男,湖北工業(yè)大學計算機學院研究生,研究方向為計算機軟件。宋庭

18、新(1972-,男,湖北工業(yè)大學機械工程學院副教授,主要從事測控技術及儀器方面的研究。譚保華(1978-,男,湖北工業(yè)大學理學院講師,主要從事語音識別方面的研究。Biography:Yao-He Liu (1954-,male,born in Wuhan,Hubei Province,he is a professor in School of Mechanical Engineer-ing,Hubei University of Technology,his research interests in-clude computer applications,voice technology

19、and robot controltechnology.(430068湖北湖北武漢湖北工業(yè)大學機械工程學院劉么和何東付宋庭新譚保華(Mechanical Engineering School,Hubei University of Tech-nology,Wuhan 430068,ChinaLiu Yaohe He,Dongfu Song Tingxin Tan Baohua通訊地址:(430068湖北湖北武漢湖北工業(yè)大學機械工程學院劉么和(收稿日期:2007.5.23(修稿日期:2007.6.25(上接第179頁在工作過程中,電流采樣反饋信號Feedback 送入A/D 轉(zhuǎn)換器形成四位二進制

20、數(shù)值PD0.PD3,用該數(shù)據(jù)來調(diào)整PWM 脈沖信號的死區(qū)延時預置計數(shù)器即占空比,從而可以跟蹤諧振點的變化,穩(wěn)定輸出功率。如果外部電路電路出現(xiàn)異常,用保護信號Protect 停止PWM 信號的產(chǎn)生。4結論本文提出的基于CPLD 的全數(shù)字化PWM 發(fā)生器設計,結構簡單,工作可靠,不僅克服了專用模擬芯片帶來的溫度漂移,同時實現(xiàn)死區(qū)的智能控制和功(頻率在線調(diào)節(jié),且具備軟啟動功能,從而擴展了功率器件的選擇范圍。以該方案設計的數(shù)字超聲波電源,經(jīng)生產(chǎn)廠家測試,頻率穩(wěn)定且功率控制精度高,調(diào)整方便,成本低。本文創(chuàng)新點在于提出一種基于CPLD 的數(shù)字PWM 信號發(fā)生器的設計,該設計解決了目前數(shù)字PWM 波形發(fā)生器的死區(qū)時間不可控制和功率跟蹤困難等缺點,推進了數(shù)字PWM 發(fā)生器的實用化。參考文獻