CN201207908Y - 一种基于arm嵌入式系统的高压脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于ARM嵌入式系统的高压脉冲发生器。微处理器分别与LCD显示电路、键盘、传感器、存储器和IGBT驱动电路连接，IGBT全桥逆变电路分别与电源电路、IGBT全桥逆变电路和高频升压电路连接，高频升压电路输出高频脉冲信号。220V交流电经二极管全桥整流以及LC滤波后变为直流电。该直流电由两个IGBT管的集电极流入，经高频IGBT桥式逆变电路逆变为脉冲宽度、脉冲个数以及电压强度均可调节的双极性方波脉冲，最后由高频升压变压器升压后输出。用嵌入式ARM处理器可大大减少外围控制电路，增加控制的精度。利用本实用新型可对液态处理室中的食品进行灭菌处理。

Description

一种基于ARM嵌入式系统的高压脉冲发生器

技术领域

本实用新型涉及一种基于ARM嵌入式系统高压脉冲发生器。

背景技术

高压脉冲电场(PEF)灭菌技术是当前食品灭菌领域的热点之一。高压脉冲电场处理系统主要由五部分组成，高压脉冲发生器、食品处理室、冷却系统、监测系统、排气及输送系统。液态食品作为电解质经排气后由输送管道输送到液态食品处理室中进行高压脉冲处理。处理室中有放电电极，电极两端接高压脉冲发生器，高压脉冲发生器输出高压脉冲时，放电电极放电，在处理室中形成了高压脉冲电场，该电场可有效的杀死液态食品中的病菌。在灭菌的同时冷却系统通过水冷、空冷等方法冷却处理室及其内部被处理食品的温度，严格控制被处理食品的温升。在整个食品处理过程中，监测系统通过一系列传感器实时监控处理室内部的温度，脉冲电压强度，液态物料的流速等，用户可以在上位机上看到监测系统提供的数据，若有异常情况，可以在相应的环节上做出调整，保证整个处理过程的正常进行。

早在1967年Hamilton和Sale就开始探索PEF灭菌。此后国内外学者在对PEF的灭菌机理、对微生物的形态影响、对食品的质量影响以及影响PEF灭菌效果的因素等各个层面做了大量的研究工作，取得了一系列宝贵的理论基础。研究人员对牛奶、苹果汁、桃汁、橙汁、桔汁、菠萝汁、蛋清液等液态食品进行了PEF处理，研究了PEF对革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、大肠杆菌、酵母菌、乳酸菌、霉菌等病菌灭菌效果的影响，得到了很多灭菌的最优处理数据和结论。理论和实验的结果表明，利用PEF技术灭菌是完全可行的，而且灭菌效果显著，具有很强的应用的推广价值。与传统的巴氏灭菌法相比，高压脉冲电场灭菌以其高效、短时、非热、低耗能、无污染的优点成为国际食品工业的一个研究热点。美国、日本等国家已投入了大量的人力物力对其研究，并取得了不错的成果。但在国内，关于PEF灭菌的研究尚处在起步阶段。

虽然PEF灭菌技术在食品灭菌领域潜力巨大，但仍有许多技术问题需要解决，其中作为整个系统核心的高压脉冲发生器是目前PEF灭菌技术实现工业化应用的最大瓶颈。因此，设计一种稳定的、可靠的、具有最佳处理效果的高压脉冲发生器显得犹为重要。目前国际上公认的具有最佳灭菌效果的脉冲是高频双极性的方波脉冲。研究发现方波脉冲的宽度越小，灭菌后液态食品的温升越小；脉冲的电压强度度越大，灭菌效果越好，但会造成相应的温升。因此选择好合适的处理参数能取得最优的灭菌效果，既能达到灭菌的标准又能使食品的温升最小。IGBT器件以其开关速度高、电压型驱动、驱动功率小、饱和压降低且可耐高电压和大电流等优点，已成为当前在工业领域应用最广泛的电力半导体器件。其硬开关频率达25KHz，软开关频率可达100KHz。而新研制成的霹雳型(Thunderbolt)型IGBT，其硬开关频率可达150KHz，谐振逆变软开关电路中可达300KHz。选择好合适的IGBT器件，则用IGBT全桥逆变电路可以产生完全满足高压脉冲电场灭菌需求的高频脉冲。

高压脉冲的脉宽也是PEF灭菌的关键参数。随着脉宽调制(PWM)技术、嵌入式系统的不断发展，PWM控制技术获得了空前的发展。人们开始摆脱经典的PWM模拟控制电路，开始研究以嵌入式系统控制PWM。嵌入式技术是近年来日渐普及的电子技术，其产品体积小、功耗低、处理能力强，在工控领域发挥着越来越重要的作用。其中，ARM处理器采用RISC结构，资源丰富，运算速度快，可移植实时多任务的操作系统，并且性能高、功耗低、成本低。利用嵌入试芯片(S3C44B0X)的定时器0，1，可直接组成的双极性PWM发生器，精确控制高压脉冲产生的脉冲宽度。

发明内容

本实用新型的目的在于为高压脉冲电场(PEF)灭菌提供一种基于ARM嵌入式系统的高压脉冲发生器，利用该高压脉冲发生器可对液态处理室中的液态食品进行灭菌处理。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

包括电源电路、IGBT全桥逆变电路、高频升压电路、IGBT驱动电路、微处理器、LCD显示电路、键盘、传感器和存储器；微处理器分别与LCD显示电路、键盘、传感器、存储器和IGBT驱动电路连接，IGBT全桥逆变电路分别与电源电路、IGBT全桥逆变电路和高频升压电路连接，高频升压电路输出高频脉冲信号。

所述的电源电路由全桥二极管整流电路及LC滤波电路组成；所述的IGBT全桥逆变电路由V1～V4四个大功率IGBT组成，每个大功率IGBT的集电极接电源电路提供的电源，发射极接地，栅极接IGBT驱动电路，栅极和发射极之间接栅极保护电阻R1～R4，集电极与发射极之间接放电阻止型缓冲电路，起过压保护作用，逆变后的双极性脉冲经高频升压电路升压后输出。

所述的IGBT驱动电路采用四路Agilent公司的HCPL-316JIGBT门极驱动光耦合器模块分别驱动四个IGBT，栅压限幅电路接在驱动电路的末端，直接连在IGBT的栅极和发射极之间，以保证栅极与发射极之间的电压稳定在±20V。

所述的微处理器选用SAMSUNG公司的基于ARM架构的32位微处理器S3C44B0X，用C语言编程的方法控制两路PWM脉冲信号、LCD显示、键盘；

S3C44B0X芯片的PWM定时器0、1组成的双极性PWM发生器，发生器发出的PWM控制信号与IGBT的四路驱动电路相连，PWM定时器0接上桥臂IGBT管V1、V3，PWM定时器1接下桥臂IGBT管V2、V4，LCD采用LM057QCIT01液晶模块，该模块和S3C44B0X连接完成后，在液晶模块的6脚加27V的偏转电压。

本实用新型具有的有益效果是：

本实用新型中采用Agilent公司生产的HCPL-316J IGBT门极驱动光耦合器，其特性为：CMOS/TTL兼容，500nS开关速度，软IGBT关断，集成过流，欠压保护，该模块可驱动IGBT最高为150A/1200V级，使高压脉冲发生器发出的双极性方波脉冲的脉冲宽度更短。选用SAMSUNG公司的ARM处理器S3C44B0X，可大大减少外围电路的设计。PWM控制可以在ARM嵌入式开发平台之上，运用C语言编程来实现。因此可以省去脉冲调制电路等PWM脉冲产生电路，极大地简化了脉冲产生过程。S3C44B0X的嵌入式系统功能强大，可以充分利用其资源来实现软键盘。与接触开关相比，软键盘的动作更加快速，且需要的CPU更少。该嵌入式系统的操作系统可移植μC/OS-II这一多任务实时系统，通过这一平台即可编写C程序对PWM、LCD显示、键盘以及存储器及传感器进行控制。

附图说明

图1是本实用新型的硬件系统结构框图。

图2是本实用新型的高压脉冲产生电路结构图。

图3是本实用新型两路PWM输出信号与四路IGBT驱动电路的连接图。

图4是本实用新型液晶模块LM057QCIT01与S3C44B0X的LCD控制器连接图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步的描述。

图1是本实用新型的硬件系统结构框图。整个系统的硬件包括电源电路、IGBT全桥逆变电路、高频升压电路、IGBT驱动电路、微处理器、LCD显示电路、键盘、传感器和存储器。本实用新型的嵌入式控制系统应用μC/OS-II多任务实时操作系统。它是一个免费的、源码公开的实时嵌入式内核，可移植性好。在该操作平台上，通过用C语言编写程序，可以实现系统对的LCD显示、PWM控制、键盘操作数据存储以及传感器数据采集的控制。用S3C44B0X芯片的PWM定时器0、1组成的双极性PWM发生器，发生器发出的PWM控制信号与IGBT的四路驱动电路5相连。PWM定时器0接上桥臂IGBT管V1、V3，PWM定时器1接下桥臂IGBT管V2、V4。S3C44B0X具有8个存储体，每个存储体可达32MB，总共可达256MB；8个存储体中，Bank0～Bank5支持ROM\SRAM；Bank6/Bank7支持ROM、SRAM和SDRAM等，完全满足数据存储。

图2是高压脉冲产生电路结构图。其中1为电源电路，2为全桥IGBT逆变电路，3为放电阻止型缓冲电路，4高频升压电路。电源电路1将220V交流电经二极管全桥整流以及LC滤波后变为直流电。直流电经全桥IGBT逆变电路2作用为方波脉冲。该方波脉冲经过高频升压电路4升压后，可输入到液态食品处理室的两个电极上，用于液态食品的灭菌。高压脉冲由IGBT直接产生，因此，IGBT全桥逆变电路的稳定与否直接关系到高压脉冲的品质好坏。电阻R1～R4分别为4个IGBT的栅极保护电阻，防止因栅极回路断开而导致IGBT损坏。由于电路中存在分布电感，且IGBT的开断速度极快，因此当IGBT关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时，就会产生很大的浪涌电压Ldi/dt，很可能会损坏IGBT管。所以要在IGBT管的栅极与发射级之间接放电阻止型缓冲电路3，放电阻止型缓冲电路的损耗小，适合于IGBT高频开关，用于IGBT的过压保护。

图3a和图3b为两路PWM输出信号与四路IGBT驱动电路的连接图。4个IGBT的栅极分别与四路驱动电路5相连接，驱动电路的核心采用HCLP-316J驱动模块。由于IGBT的栅极和发射极之间的电压必须稳定在±20V，若超出该电压，会威胁IGBT管的安全，因此要在驱动电路的末端加上由两个稳压管Z1、Z2组成的栅压限幅电路6。IGBT的驱动电路采用Agilent公司生产的HCPL-316JIGBT门极驱动光耦合器，其特性为：CMOS/TTL兼容，500nS开关速度，软IGBT关断，集成过流，欠压保护，该模块可驱动IGBT最高为150A/1200V级。HCPL-316J左边的VIN+，FAULT和RESET分别与S3C44B0X芯片相连。其中两路上桥臂IGBT V1、V3与PWM输出信号0相连，下桥臂IGBT V2、V4与PWM输出信号1相连，输出信号0和1分别指S3C44B0X芯片上的PWM定时器0和1。图中电源+5V是+15V、-5V是为HCPL-316J提供工作电压。4路HCPL-316J的5号引脚/RESET和6号引脚/FAULT分别与微机S3C44B0X的I/O口相连。HCPL-316J的14号引脚DESAT为过流信号输入，当IGBT导通并且超过参考电压7V时，FAULT信号会在5uS内由高变低。6号引脚/FAULT为低电平，器件自动闭锁所有输出，因此可保护IGBT模块，同时向微处理器S3C44B0X发出一个报警信号。

图4为LM057QCIT01与S3C44B0X的LCD控制器连接图。S3C44B0X和LM057QCIT01都具有很强的通用性，因此它们的连接容易实现，但LM057QCIT01的显示需要27V偏转电压，所以需要在S3C44B0X的LCD控制器LM057QCIT01的接口之间加装能实现电压偏转功能的电路提供电压。LCD控制器有20个引脚，LM057QCIT01有15个引脚。在连接时，LCD控制器的引脚13～17悬空。LM057QCIT01的6号引脚VSS接由外电路提供的27V偏转电压。

本实用新型的工作过程如下：

220V交流电经二极管全桥整流以及LC滤波后变为直流电。该直流电由V1，V3两个IGBT管的集电极流入，经高频IGBT桥式逆变电路2逆变为脉冲宽度、脉冲个数以及电压强度均可调节的双极性方波脉冲，方波脉冲由高频升压变压器4升压后输出。该脉冲加在食品处理室的两端电极上，在处理室中产生高压脉冲电场，用于食品的灭菌。四路HCPL-316J驱动电路5分别接4个IGBT的栅极，在驱动电路中还设置了栅压限幅电路6，以保证栅极与发射极之间的电压稳定在±20V。LCD和键盘组成了友好的人机接口。LCD用以显示高压脉冲的参数，而用户则可通过键盘修改高压脉冲的基本参数。在基于ARM和μC/OS-II的嵌入式开发平台的基础上，LCD显示、PWM控制及键盘操作可通过简单的C语言编程来实现。该系统可以通过S3C44B0X的RS-232串口通信与PC机相连，通过S3C44B0X的一系列I/O还可以控制多种传感器，根据用户的需要采集高压脉冲电场灭菌过程中的各种参数，如处理室的温度、处理室内的电场强度、液态食品的流速、冷却系统内冷却介质的流速等等，从而使整个高压脉冲灭菌系统更加完善。

Claims (4)

1、一种基于ARM嵌入式系统的高压脉冲发生器，其特征在于包括电源电路、IGBT全桥逆变电路、高频升压电路、IGBT驱动电路、微处理器、LCD显示电路、键盘、传感器和存储器；微处理器分别与LCD显示电路、键盘、传感器、存储器和IGBT驱动电路连接，IGBT全桥逆变电路分别与电源电路、IGBT全桥逆变电路和高频升压电路连接，高频升压电路输出高频脉冲信号。

2、根据权利要求1所述的一种基于ARM嵌入式系统的高压脉冲发生器，其特征在于：所述的电源电路由全桥二极管整流电路及LC滤波电路组成；所述的IGBT全桥逆变电路由V1～V4四个大功率IGBT组成，每个大功率IGBT的集电极接电源电路提供的电源，发射极接地，栅极接IGBT驱动电路，栅极和发射极之间接栅极保护电阻R1～R4，集电极与发射极之间接放电阻止型缓冲电路，起过压保护作用，逆变后的双极性脉冲经高频升压电路升压后输出。

3、根据权利要求1所述的一种基于ARM嵌入式系统的高压脉冲发生器，其特征在于：所述的IGBT驱动电路采用四路Agilent公司的HCPL-316JIGBT门极驱动光耦合器模块分别驱动四个IGBT，栅压限幅电路接在驱动电路的末端，直接连在IGBT的栅极和发射极之间，以保证栅极与发射极之间的电压稳定在±20V。

4、根据权利要求1所述的一种基于ARM嵌入式系统的高压脉冲发生器，其特征在于：

(1)所述的微处理器选用SAMSUNG公司的基于ARM架构的32位微处理器S3C44B0X，用C语言编程的方法控制两路PWM脉冲信号、LCD显示、键盘；

(2)S3C44B0X芯片的PWM定时器0、1组成的双极性PWM发生器，发生器发出的PWM控制信号与IGBT的四路驱动电路相连，PWM定时器0接上桥臂IGBT管V1、V3，PWM定时器1接下桥臂IGBT管V2、V4，LCD采用LM057QCIT01液晶模块，该模块和S3C44B0X连接完成后，在液晶模块的6脚加27V的偏转电压。

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