CN103280988B - 基于fpga的多功能压电泵驱动电源 - Google Patents

Abstract

一种多功能压电泵驱动电源，属于电源领域。提供可实现两路正弦波输出，其输出频率、幅值和相位均可调节的多功能压电泵驱动电源。本发明是由输入回路、前级AC-DC模块、前级PWM调压模块、两路DC-AC功率模块、控制及驱动模块组成。本发明可输出两路正弦波，并且其幅值、频率和相位均可调，其中幅值可调范围为80～350V，步进为1V，频率可调范围为50～800Hz，步进为1Hz，相位可调范围为0～360°，步进为1°；可扩展性强，只要在DC-AC功率模块中再加一路或两路逆变桥，在控制模块中加上相应的驱动电路，修改一下程序，就可以设计出3路、4路输出的驱动电源。

Description

基于FPGA的多功能压电泵驱动电源

技术领域

本发明属于电源领域。

背景技术

压电泵是近年来开发的一种新型泵，是压电驱动器的一个重要分支。它以其独特的工作方式和特殊的性能日益受到各国学者的广泛重视，因此世界各国都竞相开展对压电泵驱动电源的研究。现有的驱动电源大多采用高压运算放大器构成电压放大、功率放大或两者组合式驱动电源，其具有静态性能好、集成度高、结构简单等优点，但其输出电流小，动态性能受到限制，并且高压运算放大器普遍价格偏高，不利于实际应用。目前学者研究的压电泵驱动电源，也大多集中在单路输出，虽然频率和幅值（峰峰值）均可调节，但相位无法调节。对于具有两个或两个以上腔体的多腔泵，由于其需要各腔驱动电源相位有一定差值，目前现有的驱动电源就不能满足要求了。

发明内容

本发明的目的是提供可实现两路正弦波输出，其输出频率、幅值（峰峰值）和相位均可调节的基于FPGA的多功能压电泵驱动电源。

本发明是由输入回路、前级AC-DC模块、前级PWM调压模块、两路DC-AC功率模块、控制及驱动模块组成，

电源经过保护回路和低通滤波回路组成的输入回路进入，然后分为两路，其中一路经过降压、整流、稳压和滤波组成的供电模块后产生低压直流电，为系统中的低压芯片供电；另一路经过整流后进入功率因数校正回路，从而实现390V直流电压的输出，并且提高了电源的功率因数，其输出的390V直流电压进入前级PWM调压模块进行调压；

C8051F340与电脑（PC）间和与FPGA间均采用串口通信，C8051F340接收按键信号和驱动液晶屏显示，根据液晶屏上的提示，通过按键来设置最终输出正弦波电压的频率、幅值、相位及控制电源的启动和停止；C8051F340利用其内部的AD模块对两路DC-AC功率模块的反馈信号和前级PWM高压模块的反馈信号采样，并将采样结果通过串口传递给FPGA，实现输出的闭环控制；FPGA输出的PWM波作用于PWM调压模块，输出的SPWM波通过驱动电路后作用于两路DC-AC功率模块；

 PWM调压模块的输出为直流电压，输出连接到了两路DC-AC功率模块，作为待逆变的电压；两路DC-AC功率模块具有两路逆变桥，可输出两路正弦波；上位机监控软件运行在电脑上，通过软件界面操作实现与按键同样的功能，其指令通过电脑的串口传递给C8051F340，从而实现控制操作，同时软件界面可对输出波形进行监控；

输入回路：P2为电源输入端，输入端P2与输出端AC_220H、AC_220L间有保险丝F1、功率型NTC热敏电阻RT1、薄膜电容C101、C102、 C103、C104、共模电感L_power，电容C101、C102、C103、C104和电感L_power构成低通滤波器；

供电模块：通过AC_220H、AC_220L与输入回路连接，设置有电源变压器AC-DC_T1、整流桥AC-DC_D1、集成稳压芯片AC-DC_U1、稳压二级管AC-DC_D2、集成稳压芯片AD-DC_U2和AC-DC_U3、六个用于滤波的电解电容、用于限流的电阻AC-DC_R1、用于电源指示灯的发光二极管LED；

前级AC-DC模块的整流和功率因数校正回路：其输入端的两个接线端分别接输入回路的输出端的AC_220H、AC_220L，其电源输入端接供电模块的直流输出端；

前级PWM调压模块：对应于PWM调压模块和反馈回路，MOSFET驱动芯片U1的电源输入端VDD接输入电路的输出端，其输入引脚INA接FPGA的PWM输出引脚，输出引脚OUTA通过电阻R3后接MOSFET的控制端；T1为变压器；输入电压VIN为功率因数校正电路；电阻R1、电容C1和快速恢复二级管D1构成变压器一次测的放电回路；变压器副边的输出电压经过快速恢复二级管D2整流和电容C4、C5及扼流圈L1滤波后作为模块的输出直流电压；电容C3和电阻R2构成快速恢复二级管D2的保护回路；电阻R6～R9构成反馈回路；VFB接C8051F340的模拟信号输入引脚； 最小系统电路C8051F340：C8051F340的引脚P0.0、P0.1作为串口1的输入输出引脚，经过电平转换芯片MAX232后连接到DB9接口上；P0.4、P0.5为串口0的输入输出引脚，分别连接到FPGA的串口输出输入引脚上；P1.0～P1.5为六个按键的输入端口；P1.7接前级PWM调压模块的电压反馈信号VFB；P2.0～P2.2接第二路逆变桥的电流、电压、温度反馈信号；P2.3、P2.5、P2.6接第一路逆变桥的电压、温度、电流反馈信号；P2.4、P2.7接D5、D6指示灯；P3.0～P3.7接12864液晶屏的数据端串口中，P4.1～P4.6接12864液晶屏的各控制端口；C2D、C2CK为C2接口，连接到了JK2端口；

按键、串口通信、稳压及液晶接口电路：按键电路的S1～S6按键通过KEY1～KEY6与C8051F340的KEY1～KEY6分别相连；U8为电平转换芯片MAX232，J1为DB9接口；U9为稳压芯片，由U9组成的稳压电路为C8051F340单片机供电；液晶显示屏LCD接C8051F340单片机的P3口，P41～P46与C8051F340单片机P41~P46相连；

 FPGA系统：PWM引脚接前级PWM调压模块的PWM输入引脚，SPWM1_A～SPWM2_D为两路SPWM输出引脚，分别接两路DC-AC逆变桥，RX0、TX0为串口输入输出引脚，接C8051F340单片机的TX0、RX0引脚；

 第一路驱动电路：U1的SPWM波输入端HLN、LIN均加入了由三级管Q1、Q2和电阻R15、R16组成的互锁电路；U2与此同理；SPWM1_A、SPWM1_B 、SPWM1_C、SPWM1_D接FPGA系统的四个SPWM输出引脚，即 FPGA系统中的SPWM1_A～SPWM1_D引脚；SPWM1_HO1、SPWM1_LO1、SPWM1_HO2、SPWM1_LO2通过排线接到两路DC-AC功率模块第一路逆变桥的四个MOSFET；U5为比较器LM393，其输入信号为第一路逆变桥的电流反馈信号IFB_1，信号进入IR2110的过电流信号输入引脚SD引脚，电压反馈信号VFB1经过限流电阻后进入C8051F340的模拟信号采集引脚，温度反馈信号TFB1经电阻分压、限流后也进入C8051F340的模拟信号采集引脚，即C8051F340中的SPWM1_VFB、SPWM1_TFB引脚；

第二路驱动电路与第一路相同；

第一路DC-AC逆变桥：DC-AC逆变桥中端口P3通过排线连接到第一路驱动电路P3端口；输入电压VIN接前级PWM调压模块的输出电压Vout，输入电压经过电容C1、C2滤波后进入逆变桥；第一路逆变桥SPWM输入信号SPWM1_HO1、SPWM1_LO1、SPWM1_HO2、SPWM1_LO2连接到第一路驱动电路中U1、U2的对应输出引脚；VFB_1为电压反馈信号，经过R13、R14、R15、C6、C7进入单片机C8051F340的AD输入引脚；TFB_1为温度反馈信号；P5端口输出的为第一路正弦波电压；

第二路DC-AC逆变桥与第一路相同。

本发明的优点和积极效果：

1、可输出两路正弦波，并且其幅值（峰峰值）、频率和相位均可调，其中幅值（峰峰值）可调范围为80～350V，步进为1V，频率可调范围为50～800Hz，步进为1Hz，相位可调范围为0～360°，步进为1°；

2、可扩展性强，只要在DC-AC功率模块中再加一路或两路逆变桥，在控制模块中加上相应的驱动电路，修改一下程序，就可以设计出3路、4路输出的驱动电源；

3、可通过监控软件和按键同时控制其输出，不连接监控软件时可用按键独立操作，具有友好的操作界面，监控软件可以实时保存输出参数；

4、采用模块化的设计方法，对各模块分别进行设计和制板，以减小模块间电磁干扰。

附图说明

图1是本发明驱动电源总体结构框图；

图2是本发明输入回路电路图；

图3是本发明供电模块电路图；

图4是本发明前级PWM调压模块电路图；

图5是本发明C8051F340最小系统电路图；

图6是本发明按键、串口、稳压及液晶接口电路图；

图7是本发明FPGA最小系统接口图；

图8是本发明第一路驱动电路；

图9是本发明第一路DC-AC逆变桥；

图10是本发明上位机监控软件；

图11是本发明C8051F340程序流程图；

图12是本发明FPGA程序流程图；

图13是本发明上位机监控软件程序流程图。

具体实施方式

本发明是由输入回路、前级AC-DC模块、前级PWM调压模块、两路DC-AC功率模块、控制及驱动模块组成，

电源经过保护回路和低通滤波回路组成的输入回路进入，然后分为两路，其中一路经过降压、整流、稳压和滤波组成的供电模块后产生低压直流电，为系统中的低压芯片供电；另一路经过整流后进入功率因数校正回路，从而实现390V直流电压的输出，并且提高了电源的功率因数，其输出的390V直流电压进入前级PWM调压模块进行调压；

C8051F340与电脑（PC）间和与FPGA间均采用串口通信，C8051F340接收按键信号和驱动液晶屏显示，根据液晶屏上的提示，通过按键来设置最终输出正弦波电压的频率、幅值、相位及控制电源的启动和停止；C8051F340利用其内部的AD模块对两路DC-AC功率模块的反馈信号和前级PWM高压模块的反馈信号采样，并将采样结果通过串口传递给FPGA，实现输出的闭环控制；FPGA输出的PWM波作用于PWM调压模块，输出的SPWM波通过驱动电路后作用于两路DC-AC功率模块；

 PWM调压模块的输出为直流电压，输出连接到了两路DC-AC功率模块，作为待逆变的电压；两路DC-AC功率模块具有两路逆变桥，可输出两路正弦波；上位机监控软件运行在电脑上，通过软件界面操作实现与按键同样的功能，其指令通过电脑的串口传递给C8051F340，从而实现控制操作，同时软件界面可对输出波形进行监控；

输入回路：P2为电源输入端，输入端P2与输出端AC_220H、AC_220L间有保险丝F1、功率型NTC热敏电阻RT1、薄膜电容C101、C102、 C103、C104、共模电感L_power，电容C101、C102、C103、C104和电感L_power构成低通滤波器；

供电模块：通过AC_220H、AC_220L与输入回路连接，设置有电源变压器AC-DC_T1、整流桥AC-DC_D1、集成稳压芯片AC-DC_U1、稳压二级管AC-DC_D2、集成稳压芯片AD-DC_U2和AC-DC_U3、六个用于滤波的电解电容、用于限流的电阻AC-DC_R1、用于电源指示灯的发光二极管LED；

前级AC-DC模块的整流和功率因数校正回路：其输入端的两个接线端分别接输入回路的输出端的AC_220H、AC_220L，其电源输入端接供电模块的直流输出端；

前级PWM调压模块：对应于PWM调压模块和反馈回路，MOSFET驱动芯片U1的电源输入端VDD接输入电路的输出端，其输入引脚INA接FPGA的PWM输出引脚，输出引脚OUTA通过电阻R3后接MOSFET的控制端；T1为变压器；输入电压VIN为功率因数校正电路；电阻R1、电容C1和快速恢复二级管D1构成变压器一次测的放电回路；变压器副边的输出电压经过快速恢复二级管D2整流和电容C4、C5及扼流圈L1滤波后作为模块的输出直流电压；电容C3和电阻R2构成快速恢复二级管D2的保护回路；电阻R6～R9构成反馈回路；VFB接C8051F340的模拟信号输入引脚； 最小系统电路C8051F340：C8051F340的引脚P0.0、P0.1作为串口1的输入输出引脚，经过电平转换芯片MAX232后连接到DB9接口上；P0.4、P0.5为串口0的输入输出引脚，分别连接到FPGA的串口输出输入引脚上；P1.0～P1.5为六个按键的输入端口；P1.7接前级PWM调压模块的电压反馈信号VFB；P2.0～P2.2接第二路逆变桥的电流、电压、温度反馈信号；P2.3、P2.5、P2.6接第一路逆变桥的电压、温度、电流反馈信号；P2.4、P2.7接D5、D6指示灯；P3.0～P3.7接12864液晶屏的数据端串口中，P4.1～P4.6接12864液晶屏的各控制端口；C2D、C2CK为C2接口，连接到了JK2端口；

按键、串口通信、稳压及液晶接口电路：按键电路的S1～S6按键通过KEY1～KEY6与C8051F340的KEY1～KEY6分别相连；U8为电平转换芯片MAX232，J1为DB9接口；U9为稳压芯片，由U9组成的稳压电路为C8051F340单片机供电；液晶显示屏LCD接C8051F340单片机的P3口，P41～P46与C8051F340单片机P41~P46相连；

 FPGA系统：PWM引脚接前级PWM调压模块的PWM输入引脚，SPWM1_A～SPWM2_D为两路SPWM输出引脚，分别接两路DC-AC逆变桥，RX0、TX0为串口输入输出引脚，接C8051F340单片机的TX0、RX0引脚；

 第一路驱动电路：U1的SPWM波输入端HLN、LIN均加入了由三级管Q1、Q2和电阻R15、R16组成的互锁电路；U2与此同理；SPWM1_A、SPWM1_B 、SPWM1_C、SPWM1_D接FPGA系统的四个SPWM输出引脚，即 FPGA系统中的SPWM1_A～SPWM1_D引脚；SPWM1_HO1、SPWM1_LO1、SPWM1_HO2、SPWM1_LO2通过排线接到两路DC-AC功率模块第一路逆变桥的四个MOSFET；U5为比较器LM393，其输入信号为第一路逆变桥的电流反馈信号IFB_1，信号进入IR2110的过电流信号输入引脚SD引脚，电压反馈信号VFB1经过限流电阻后进入C8051F340的模拟信号采集引脚，温度反馈信号TFB1经电阻分压、限流后也进入C8051F340的模拟信号采集引脚，即C8051F340中的SPWM1_VFB、SPWM1_TFB引脚；

第二路驱动电路与第一路相同；

第一路DC-AC逆变桥：DC-AC逆变桥中端口P3通过排线连接到第一路驱动电路P3端口；输入电压VIN接前级PWM调压模块的输出电压Vout，输入电压经过电容C1、C2滤波后进入逆变桥；第一路逆变桥SPWM输入信号SPWM1_HO1、SPWM1_LO1、SPWM1_HO2、SPWM1_LO2连接到第一路驱动电路中U1、U2的对应输出引脚；VFB_1为电压反馈信号，经过R13、R14、R15、C6、C7进入单片机C8051F340的AD输入引脚；TFB_1为温度反馈信号；P5端口输出的为第一路正弦波电压；

第二路DC-AC逆变桥与第一路相同。

以下结合附图对本发明做进一步详细的描述：

两路输出的多功能压电泵驱动电源总体结构框图如图1所示，具体实施步骤如下：

（1）如图1所示，220V市电经过保护回路和低通滤波回路组成的输入回路进入本驱动电源，然后分为两路，其中一路经过降压、整流、稳压和滤波组成的供电模块后产生14V、12V和5V直流电，为系统中的低压芯片供电；另一路经过整流后进入功率因数校正回路，从而实现390V直流电压的输出，并且提高了本电源的功率因数，其输出的390V直流电压进入前级PWM调压模块进行调压。

（2）如图1所示，C8051F340与电脑（PC）间和与FPGA间均采用串口通信，C8051F340接收按键信号和驱动液晶屏显示，可根据液晶屏上的提示，通过按键来设置最终输出正弦波电压的频率、幅值（峰峰值）、相位及控制电源的启动和停止；C8051F340利用其内部的AD模块对两路DC-AC功率模块的反馈信号和前级PWM高压模块的反馈信号采样，并将采样结果通过串口传递给FPGA，从而实现输出的闭环控制；FPGA输出的PWM波作用于PWM调压模块，输出的SPWM波通过驱动电路后作用于两路DC-AC功率模块。

（3）如图1所示PWM调压模块的输出为直流电压，输出连接到了两路DC-AC功率模块，作为待逆变的电压；两路DC-AC功率模块具有两路逆变桥，可输出两路正弦波；上位机监控软件运行在电脑上，可通过软件界面操作实现与按键同样的功能，其指令通过电脑的串口传递给C8051F340，从而实现控制操作，同时软件界面可对输出波形进行监控，但对于本系统上位机监控软件不是必须的。

二、图1中各功能框图所对应的具体实施电路如下：

（1）图2为输入回路电路图，对应于图1中的保护回路和低通滤波回路。图中P2为220V市电的输入端，输入电压允许有±10%的波动，即输入电压在198V至242V变化时对本电源输出无影响；F1为保险丝其额定电流为2A、额定电压为250V交流；RT1为功率型NTC热敏电阻，用于抑制浪涌电流，阻值为5Ω，额定电流为6A，VAR1为压敏电阻，用于抑制瞬时电压突变，额定电压为275V；C101、C102、 C103、C104均为薄膜电容，耐压值均为275V交流电容值依次为0.1uF、0.1uF、4.7nF、4.7nF；L_power为共模电感，电感值20mH；电容C101、C102、C103、C104和电感L_power构成低通滤波器，其具有两个作用：一是防止输入电源窜入噪声干扰，抑制浪涌电压和尖峰电压的进入；二是阻止、限制本电源所产生的噪声、高频电磁干扰信号进入电网；AC_220H、AC_220L为其输出端，输出电压分为两路分别作为供电模块和功率因数校正模块功率级电路的输入电压。

（2）图3为供电模块电路图，对应于图1前级AC-DC模块虚线框内的降压、整流、稳压和滤波环节。所示AC_220H、AC_220L为供电模块的输入端，输入信号AC_220H、AC_220L分别与图2中输出信号AC_220H、AC_220L相连；AC-DC_T1为一个220V转18V的电源变压器，AC-DC_D1为整流桥，其额定电流为2A，耐压值为50V；AC-DC_U1为集成稳压芯片L7815，用于产生15V直流电；AC-DC_D2为14V稳压二级管，用于产生14V直流电；AD-DC_U2为集成稳压芯片L7812，用于产生12V直流电；AC-DC_U3为集成稳压芯片L7805，用于产生5V直流电；图中AC-DC_C1 、AC-DC_C2 、AC-DC_C3、 AC-DC_C4、 AC-DC_C5、 AC-DC_C6均为电解电容，均用于滤波；AC-DC_C1大小为1000uF，耐压值为50V；AC-DC_C2大小为470uF，耐压值为50V；AC-DC_C3大小为1000uF，耐压值为50V；AC-DC_C4大小为470uF，耐压值为25V；AC-DC_C5大小为0.1uF，耐压值为25V；AC-DC_C6大小为470uF，耐压值为16V；AC-DC_R1为电阻，用于限流，大小为1KΩ；LED为发光二极管，在本回路中作为电源指示灯。

（3）图1前级AC-DC模块虚线框内的整流和功率因数校正回路是参照TI（Texas Instruments）公司的UCC28070应用手册“UCC28070 300-W Interleaved PFC Pre-Regulator Design Review”所搭建的，具体原理、工作过程和参数计算过程可参见该手册。其输入端的两个接线端分别接图2输入回路的输出端的AC_220H、AC_220L，其14V电源输入端接图3供电模块的14V直流输出端，功率因数校正回路的输出电压为390V，最大电流为0.77A，输出最大功率为300W。

（4）图4为前级PWM调压模块电路图，对应于图1中前级PWM调压模块虚线框内的PWM调压模块和反馈回路。图中所示U1为MOSFET驱动芯片，其型号为UCC27324，它的电源输入端VDD接图2中输出的12V直流电，其输入引脚INA接FPGA的PWM输出引脚，输出引脚OUTA通过电阻R3后接MOSFET的控制端；T1为变压器，其磁芯用的是EE50，原边匝数为78，副边匝数为156，即匝数比为1：2，可产生2倍的升压。输入电压VIN为功率因数校正电路的390V输出电压，可知当PWM占空比在0.2～0.45内连续变化时，输出端Vout可输出80～350V连续变化的电压；电阻R1、电容C1和快速恢复二级管D1构成变压器一次测的放电回路。变压器副边的输出电压经过快速恢复二级管D2整流和电容C4、C5及扼流圈L1滤波后作为本模块的输出直流电压，即Vout。电容C3和电阻R2构成快速恢复二级管D2的保护回路。电阻R6~R9构成反馈回路，反馈电压VFB由R9与R6~R7分压所得，VFB接C8051F340的模拟信号输入引脚。图中C1、C2、C4、C5为聚酯电容，耐压为630V，大小分别为0.01uF、47uF、1uF、1uF；C3为瓷片电容，耐压为50V，大小为0.01uF；C6为瓷片电容，耐压为16V，大小为3.3nF；D1、D2为快速恢复整流二级管，型号为UF5406，D3为快速恢复二级管，型号为1N4148；Q1为MOSFET，型号为IRF840；R1为47 KΩ电阻，额定功率为3W；R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9为碳膜电阻，功率均为0.25W，大小分别为1KΩ、4.7Ω、10KΩ、1MΩ、1MΩ、1MΩ、21.5KΩ；R5为康铜丝，直径为1mm，阻值为0.01Ω。

（5）图5为C8051F340最小系统电路图，对应于图1控制及驱动模块中的C8051F340最小系统。图中U7是新华龙公司生产的增强型51单片机，型号为C8051F340，在本电源中作为总控制器。C8051F340的引脚P0.0、P0.1作为串口1的输入输出引脚，经过电平转换芯片MAX232后连接到DB9接口上；P0.4、P0.5为串口0的输入输出引脚，分别连接到FPGA的串口输出输入引脚上；P1.0~P1.5为6个按键的输入端口；P1.7接图4 前级PWM调压模块电路图的电压反馈信号VFB；P2.0~P2.2接第二路逆变桥的电流、电压、温度反馈信号；P2.3、P2.5、P2.6接第一路逆变桥的电压、温度、电流反馈信号；P2.4、P2.7接D5、D6指示灯，用于指示和报警；P3.0～P3.7接12864液晶屏的数据端串口中，P4.1～P4.6接12864液晶屏的各控制端口；C2D、C2CK为C2接口，连接到了JK2端口，用于下载和调试程序；+3.3V直流电压由AMS1117-3.3 稳压芯片提供，C41为电解电容，耐压为16V，大小为10uF；C42为瓷片电容，耐压为16V，大小为0.1uF；D5、D6为发光二级管；R37、R38为碳膜电阻，用于分压，功率为0.25W，大小为390Ω。

（6）图6为按键、串口通信、稳压及液晶接口电路，按键、串口通信、液晶在图1控制及驱动模块中均有对应框图，稳压电路属于C8051F340最小系统。图6中左侧虚线框内为按键电路，S1~S6为按键，KEY1～KEY6与图5中KEY1～KEY6分别相连；中间上方虚线框内为串口通信电路，U8为电平转换芯片MAX232，J1为DB9接口；中间下方虚线框内为稳压电路，输入电压为5V直流，输出电压为3.3V直流，给C8051F340单片机供电，U9为AMS1117-3.3 稳压芯片；右侧为液晶显示屏接口电路，LCD为一个20口的插针接口，接一块ST7920控制器驱动的12864液晶屏，DB0～DB7为数据端口，接C8051F340单片机的P3口，P41～P46与C8051F340单片机P41~P46相连。图6中C39～C52均为瓷片电容，耐压为16V，大小为0.1uF；C38、C40为电解电容，耐压为16V，大小为10uF；D7为发光二级管，作为电源指示灯用；R36为碳膜电阻，用于分压，功率为0.25W，大小为390Ω；R45为碳膜电阻，用于调节液晶屏的亮度，大小根据实际需要确定。

（7）图7为FPGA最小系统接口图，对应于图1控制及驱动模块中的FPGA最小系统，P1、P2为两个22*2的排针座，用于插接一块FPGA最小系统板，本电源FPGA为Altera公司生产的Cyclone系列芯片，型号为EP4CE6E22C8N，FPGA最小系统板是深圳微雪电子有限公司开发、生产的EP4CE6E22C8N最小系统板，其引出两排22*2排针，可直接插接在排针座上。图7中+5V直流电由供电模块提供，+3.3V为最小系统输出电压；PWM引脚接前级PWM调压模块的PWM输入引脚，SPWM1_A～SPWM2_D为两路SPWM输出引脚，分别接两路DC-AC逆变桥，RX0、TX0为串口输入输出引脚，接C8051F340单片机的TX0、RX0引脚，用于它们之间的串口通信。

（8）图1控制及驱动模块虚线框内驱动电路中有两路驱动电路，分别驱动两路DC-AC逆变桥，图8为第一路驱动电路，第二路驱动电路与第一路相同。U1、U2为IR2110，每片IR2110可驱动全桥中一个桥臂上的上下两个MOSFET，在U1的SPWM波输入端HLN、LIN均加入了由三级管Q1、Q2和电阻R15、R16组成的互锁电路，以防止一个桥臂上的两个MOSFET同时导通，而造成严重后果，U2与此同理；SPWM1_A、SPWM1_B 、SPWM1_C、SPWM1_D接FPGA最小系统的4个SPWM输出引脚，即图7中SPWM1_A～SPWM1_D引脚；SPWM1_HO1、SPWM1_LO1、SPWM1_HO2、SPWM1_LO2通过排线接到两路DC-AC功率模块第一路逆变桥的4个MOSFET。U5为比较器LM393，它具有两路比较器，在本设计中其输入信号为第一路逆变桥的电流反馈信号IFB_1，经过一个比较器后得到过电流信号，该信号进入IR2110的过电流信号输入引脚SD引脚，以控制SPWM信号的输出，比较器的阀值电压由R8、R9分压所得，这里所分得的电压为0.65V。电压反馈信号VFB1经过限流电阻后进入C8051F340的模拟信号采集引脚，温度反馈信号TFB1经电阻分压、限流后也进入C8051F340的模拟信号采集引脚，即图5中的SPWM1_VFB、SPWM1_TFB引脚。图8中C9、C10、R11为备用元件，实际电路中不焊接；C1、C2、C6、C7、C8、C12、C16、C18、C20为瓷片电容，耐压为16V，C7、C8大小依次为1000pF、0.01uF，其它电容大小均为0.1uF；C5、C11、C13、C14、C15、C17、C19为钽电容，耐压为16V，大小均为10uF；D1、D2为快速恢复二级管，型号为FR107；Q1～Q4为PNP型三级管，型号为2SA1015，亦可用S8550替代；图8中电阻均为碳膜电阻，功率均为0.25W，R1、R8、R12、R13大小均为10R KΩ，R 2、R3大小为100Ω，R7大小为1KΩ，R9大小为1.5KΩ，R14~R21大小均为5.1 KΩ。

（9）图9为第一路DC-AC逆变桥，是图1中两路DC-AC逆变桥的第一路，第二路DC-AC逆变桥与第一路相同。图9中端口P3通过排线连接到图8第一路驱动电路的P3端口，图9所示输入电压VIN接前级PWM调压模块的输出电压Vout，输入电压经过电容C1、C2滤波后进入逆变桥；SPWM1_HO1、SPWM1_LO1、SPWM1_HO2、SPWM1_LO2为第一路逆变桥的SPWM输入信号，连接到第一路驱动电路中U1、U2的对应输出引脚，用于驱动MOSFET的开和关；在调制波的正半周期， V2、V3关断，V1导通，V4控制端输入的是经调制的SPWM波，电流在V4导通时，依次经过V1、负载、V4和康铜丝流入地，在V4关断时电感L1有一定续流和平滑的作用。在调制波的负半周期，V1、V4关断，V2导通，V3控制端输入的是经调制的SPWM波，电流在V3导通时，依次经过V2、负载、V3和康铜丝流入地，在V3关断时电感L1有一定续流和平滑的作用。SPWM1_VS1、SPWM1_VS2为高压侧浮动供应偏置电压，通过排线分别输入给图8中U1、U2的VS引脚；IFB_1为电流反馈信号，其经过图8中比较器U5后进入U1、U2的SD引脚，起到过电流保护作用；VFB_1为电压反馈信号，它从输出端的一相引入，经过R13、R14、R15、C6、C7构成的正弦波输出电压调整电路调整后最终进入单片机C8051F340的AD输入引脚，可通过定位器调节其最大电压，以使其满足单片机测量范围；TFB_1为温度反馈信号，其值由热敏电阻RT1与图8中相应电阻分压得到，热敏电阻RT1帖在MOSFET的散热片上，以反应MOSFET的温度；P5端口输出的即为第一路正弦波电压。图7中C1、C2为电解电容，耐压为450V，大小分别为47uF、100uF；C3~C5为CBB电容，耐压为630V，大小分别为0.1uF、0.1uF、2.2uF；C6、C16为瓷片电容，耐压为16V，大小分别为0.1uF、0.01uF；C7为电解电容，耐压为16V，大小为4.7uF；D1为快速恢复二级管，型号为1N5408；D2~D5为快速恢复二级管，型号为1N4148；V1~V4为N沟道MOSFET，型号为IRF840；R3~R6为碳膜电阻，功率为0.25W，大小均为4.7Ω；R7~R10为碳膜电阻，功率为0.25W，大小均为10KΩ；R11、R12为康铜丝，直径为1mm，大小均为0.01Ω；R13、R15为碳膜电阻，功率为0.25W，大小分别为200KΩ、10KΩ；R14为定位器，大小为10KΩ；RT1为NTC型热敏电阻，大小为10KΩ。

(10) 图10为上位机监控软件的界面，图中上位机监控软件包括输出波形显示部分、第一路输出设置及显示部分、第二路输出设置及显示部分、系统设置部分。输出波形显示部分用于显示两路正弦波输出的波形；第一路输出设置及显示部分可对第一路正弦波输出信号的频率、幅值、相位进行设置，并且可显示当前输出正弦波的频率、幅值、相位；第二路输出设置及显示部分与第一路同理；系统设置部分可对输入串口号和记录时间间隔进行选择、打开或关闭串口、开始或结束监控和记录、查看记录结果和退出程序。

三、控制流程如下：        

（1）图11为C8051F340的控制程序流程图，在进行各步骤时12864液晶屏均有相应的显示或提示，为使流程图简单明了，未将液晶屏的显示流程加入该程序流程图。系统上电后，程序开始执行，对程序各模块进行初始化，如液晶显示屏、AD模块和串口等，如初始化不正常则返回继续初始化，初始化次数大于3次后，图5的指示灯D1闪烁报错；如初始化正常，则进入无限循环程序，此时单片机等待按键按下和串口中断。当有按键按下时，进行键值处理，得出命令值，如果为设置参数命令则调用参数设置程序，液晶屏进入设置界面，可根据提示设置相应参数，如果为退出命令则退出当前界面，如为确定命令则将所设置的参数通过串口0发送给FPGA，FPGA会对参数进行解析，输出相应的PWM波和SPWM波，同时C8051F340启动AD模块对反馈信号进行采样，将结果发送给FPGA，同时判断是否有参数超标，并调用相应函数进行处理；当有串口中断时，判断是串口0中断还是串口1中断，并调用相应的串口中断处理程序，当为串口1中断时，判断是否为上位机请求连接命令，如果是则向上位机发送本电源当前输出波形的参数数据，如果不是则进行与按键相同的命令值处理。

（2）图12为FPGA的程序流程图。FPGA在运行时是并行处理的，在一个时钟周期内会对满足执行条件的所有语句执行一次，所以程序的流程是由If语句和case语句控制的。FPGA的配置信息存储在了配置芯片上，所以系统上电后它要先从配置芯片上读取配置信息，然后开始执行程序。先初始化变量，如频率控制字、相位控制字；进行串口时钟分频，得到串口时钟，按时钟查寻串口引脚是否有电平变化，以接收数据，如果为设置命令则设置相应的控制字，如果为输出命令则按时钟查寻FPGA的ROM区，得到各波形幅度的二进制数据，将正弦波与三角波幅度进行比较得到SPWM波，同时改变PWM频率控制字得到PWM波。

（3）图13为上位机监控软件的程序流程图。软件启动后界面进行显示初始化，同时每秒更新一次右下角的时钟，使之与电脑时间同步，然后等待界面中的按钮按下和文本框的输入。当点击“打开串口”键时，判断串口是否可用，如不可用，则提示错误，可更改串口号后再试，如可用则打开串口，同时按钮名称变为“关闭串口”，点击“关闭串口”可关闭串口；当点击“开始监控”键时，判断串口是否打开，如未打开，则提示出错，可打开串口后再试，如串口已打开，则按钮名称变为“停止监控”，同时初始化监控，向C8051F340发送请求连接命令，开启定时器，定时读取串口值，实时更新各路的当前值显示，并绘制输出曲线，点击“停止监控”可关闭定时器、停止监控；当点击“开始记录”键时，判断监控是否开始，如未开始，则提示错误，可先开启监控后再试，如已开始监控，则按钮名称变为“停止记录”，同时读取记录间隔，初始化excel表格，按记录时间间隔将各路数据保存在excel表格里，点击“停止记录”可停止向excel表格中填写数据；当点击第一路的“确定”键时，先判断是否监控已开始，如未开始，则提示出错，可先开启监控后再试，如已开始监控，则将第一路各文本框内的数据通过串口发送给C8051F340，以更改第一路正弦波的输出参数，第二路同理；在开始记录后，点击“打开监控记录”可打开excel表格，以查看记录，关闭时会提示是否保存；点击“退出”键，会弹出是否确定退出对话框，点击“确定”键可退出，否则回到主界面。提示错误指弹出一个错误提示对话框。

四、参数调节及波形产生原理：

（1）参数调节原理：在电压进入逆变桥前经过了前级PWM调压电路，因此改变其输入的PWM波占空比就可使之输出的电压大小发生改变，即实现了最终输出正弦波幅度（峰峰值）的调节；逆变桥的输入信号为SPWM波，SPWM波由信号波和载波经过调制得到，而最终输出正弦波的波形、频率、相位与信号波的波形、频率、相位相同，因此使信号波为正弦波，改变其输出频率和相位，就可以实现最终输出正弦波频率、相位的调节。

（2）波形的产生原理：

1、FPGA使用的是50MHz的外部有源晶振，定义两个10位的整形变量分别为PWM频率累加器和PWM频率控制字，PWM频率控制字由设定的最终输出正弦波的幅度值确定，是一个0～500的整数。在每个时钟同期PWM频率累加器加1，加到1000时，频率累加器归0， 同时将PWM频率累加器值与PWM频率控制字值进行比较，当PWM频率累加器值小于等于PWM频率控制字值时PWM波输出引脚输出高电平，否则输出低电平，可用当改变PWM频率控制字时，可在PWM波输出引脚输出一个频率为50KHz占空比在0～50%内可变的PWM波。

2、将幅度在0到2内变化的正弦波的一个周期等分为4096份，每个周期等分点对应一个幅度值，将幅度值放大2048倍并取整数，将这些值按等分点顺序依次保存在FPGA内4096个12位的ROM块中，向块中写地址就能得到相应的幅度值。先定义一个40位的整形变量为正弦波频率累加器、一个12位的整形变量为正弦波频率控制字、一个12位的整形变量为正弦波相位控制字和A、B、C、D为SPWM波的四个输出引脚。频率控制字和相位控制字大小由最终输出正弦波的频率和相位确定，在每个时钟周期内频率累加器值加上频率控制字值得到新的频率累加器值，新的频率累加器值再加上相位控制字值，取其结果的前12位为ROM块的地址，从ROM块取出对应正弦波幅度值，如此周而复始，便可得到一个正弦波，改变其频率控制字和相位控制字就可以改变正弦波的频率和相位，三角波产生原理与此相同。将正弦波作为信号波，三角波作为载波，载波比为256。每个时钟周期，判断一下正弦波的幅度值大小，并与三角波幅值相比较，当正弦波幅度大于等于2048时，A脚始终输出高电平，B、C脚始终输出低电平，当正弦波幅度小于等于三角波幅度时，D脚输出高电平，否则输出低电平；当正弦波幅度小于2048时，C脚始终输出高电平，A、D脚始终输出低电平，当正弦波幅度小于等于三角波幅度时，B脚输出高电平，否则输出低电平，这样周而复始，A、B、C、D四个脚输出的就是SPWM波。

Claims (1)

1.一种基于FPGA的多功能压电泵驱动电源，其特征在于：是由输入回路、前级AC-DC模块、前级PWM调压模块、两路DC-AC功率模块、控制及驱动模块组成，

电源经过保护回路和低通滤波回路组成的输入回路进入，然后分为两路，其中一路经过降压、整流、稳压和滤波组成的供电模块后产生低压直流电，为系统中的低压芯片供电；另一路经过整流后进入功率因数校正回路，从而实现390V直流电压的输出，并且提高了电源的功率因数，其输出的390V直流电压进入前级PWM调压模块进行调压；

C8051F340单片机与电脑间和与FPGA间均采用串口通信，C8051F340单片机接收按键信号和驱动液晶屏显示，根据液晶屏上的提示，通过按键来设置最终输出正弦波电压的频率、幅值、相位及控制电源的启动和停止；C8051F340单片机利用其内部的AD模块对两路DC-AC功率模块的反馈信号和前级PWM高压模块的反馈信号采样，并将采样结果通过串口传递给FPGA，实现输出的闭环控制；FPGA输出的PWM波作用于PWM调压模块，输出的SPWM波通过驱动电路后作用于两路DC-AC功率模块；

 PWM调压模块的输出为直流电压，输出连接到了两路DC-AC功率模块，作为待逆变的电压；两路DC-AC功率模块具有两路逆变桥，可输出两路正弦波；上位机监控软件运行在电脑上，通过软件界面操作实现与按键同样的功能，其指令通过电脑的串口传递给C8051F340单片机，从而实现控制操作，同时软件界面可对输出波形进行监控；

输入回路：P2为电源输入端，输入端P2与输出端AC_220H、AC_220L间有保险丝F1、功率型NTC热敏电阻RT1、薄膜电容C101、C102、 C103、C104、共模电感L_power，电容C101、C102、C103、C104和电感L_power构成低通滤波器；

供电模块：通过输出端AC_220H、AC_220L与输入回路连接，设置有电源变压器AC-DC_T1、整流桥AC-DC_D1、集成稳压芯片AC-DC_U1、稳压二级管AC-DC_D2、集成稳压芯片AD-DC_U2和AC-DC_U3、六个用于滤波的电解电容、用于限流的电阻AC-DC_R1、用于电源指示灯的发光二极管LED；

前级AC-DC模块的整流和功率因数校正回路：其输入端的两个接线端分别接输入回路的输出端的AC_220H、AC_220L，其电源输入端接供电模块的直流输出端；

前级PWM调压模块：对应于PWM调压模块和反馈回路，MOSFET驱动芯片U1的电源输入端VDD接输入电路的输出端，其输入引脚INA接FPGA的PWM输出引脚，输出引脚OUTA通过电阻R3后接MOSFET的控制端；T1为变压器；输入电压VIN为功率因数校正电路的输出电压；电阻R1、电容C1和快速恢复二级管D1构成变压器一次侧的放电回路；变压器副边的输出电压经过快速恢复二级管D2整流和电容C4、C5及扼流圈L1滤波后作为模块的输出直流电压；电容C3和电阻R2构成快速恢复二级管D2的保护回路；电阻R6～R9构成反馈回路；电压反馈信号VFB接C8051F340单片机的模拟信号输入引脚；C8051F340单片机最小系统电路：C8051F340单片机的引脚P0.0、P0.1作为串口1的输入输出引脚，经过电平转换芯片MAX232后连接到DB9接口上；C8051F340单片机的引脚P0.4、P0.5为串口0的输入输出引脚，分别连接到FPGA的串口输出输入引脚上；C8051F340单片机的引脚P1.0～P1.5为六个按键的输入端口；C8051F340单片机的引脚P1.7接前级PWM调压模块的电压反馈信号VFB；C8051F340单片机的引脚P2.0～P2.2接第二路逆变桥的电流、电压、温度反馈信号；C8051F340单片机的引脚P2.3、P2.5、P2.6接第一路逆变桥的电压、温度、电流反馈信号；C8051F340单片机的引脚P2.4、P2.7接D5、D6指示灯；C8051F340单片机的引脚P3.0～P3.7接12864液晶屏的数据端串口中，C8051F340单片机的引脚P4.1～P4.6接12864液晶屏的各控制端口；C2D、C2CK为C8051F340单片机的C2接口，连接到了JK2端口；

按键、串口通信、稳压及液晶接口电路：按键电路的S1～S6按键通过KEY1～KEY6与C8051F340单片机的引脚P1.0~P1.5分别相连；U8为电平转换芯片MAX232，J1为DB9接口；U9为稳压芯片，由U9组成的稳压电路为C8051F340单片机供电；液晶显示屏LCD接单片机C8051F340的P3口，液晶显示屏的P41~P46端口与C8051F340单片机的P4.1~P4.6端口相连；

 FPGA系统：PWM引脚接前级PWM调压模块的PWM输入引脚，SPWM1_A～SPWM2_D为两路SPWM输出引脚，分别接两路DC-AC逆变桥，RX0、TX0为串口输入输出引脚，接C8051F340单片机的TX0、RX0引脚；

 第一路驱动电路：MOSFET驱动芯片U1的SPWM波输入端HLN、LIN均加入了由三级管Q1、Q2和电阻R15、R16组成的互锁电路；MOSFET驱动芯片U2的SPWM波输入端HLN、LIN均加入了由三级管Q3、Q4和电阻R18、R20组成的互锁电路；U1、U2的SPWM波输入端口SPWM1_A、SPWM1_B 、SPWM1_C、SPWM1_D接FPGA系统的四个SPWM输出引脚，即 FPGA系统中的SPWM1_A～SPWM1_D引脚；U1、U2的输出信号SPWM1_HO1、SPWM1_LO1、SPWM1_HO2、SPWM1_LO2通过排线接到两路DC-AC功率模块第一路逆变桥的四个MOSFET；U5为比较器LM393，其输入信号为第一路逆变桥的电流反馈信号IFB_1，比较得到的过电流信号进入芯片IR2110的过电流信号输入引脚SD，电压反馈信号VFB1经过限流电阻后进入C8051F340单片机的模拟信号采集引脚SPWM1_VFB?，温度反馈信号TFB1经电阻分压、限流后也进入C8051F340单片机的模拟信号采集引脚SPWM1_TFB；

第二路驱动电路与第一路驱动电路结构相同；

第一路DC-AC逆变桥：DC-AC逆变桥中端口P3通过排线连接到第一路驱动电路P3端口；输入电压VIN接前级PWM调压模块的输出电压Vout，输入电压经过电容C1、C2滤波后进入逆变桥；第一路逆变桥SPWM输入信号SPWM1_HO1、SPWM1_LO1、SPWM1_HO2、SPWM1_LO2连接到第一路驱动电路中U1、U2的对应输出引脚；VFB_1为电压反馈信号，经过电阻R13、R14、R15、电容C6、C7进入C8051F340单片机的AD输入引脚；TFB_1为温度反馈信号；P5端口输出的为第一路正弦波电压；

第二路DC-AC逆变桥与第一路DC-AC逆变桥结构相同。