基于嵌進式系統(tǒng)的焊接機控制系統(tǒng)設計

1  系統(tǒng)硬件結構

在基于嵌進式系統(tǒng)的焊接機控制系統(tǒng)設計中，以AT91RM9200作為系統(tǒng)核心微處理器，依據(jù)控制系統(tǒng)要求外擴了SDRAM、SRAM、Flash，鍵盤、液晶顯示電路可進行實時參數(shù)調整、顯示并在出錯時報警，RS485串行接口完成數(shù)據(jù)傳輸通訊，可進行紅外遠控操縱。系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)硬件結構框圖

2  系統(tǒng)電源設計

2.1  系統(tǒng)電源工作原理

AT91RM9200是完全圍繞ARM920T處理器構建的系統(tǒng)芯片。它有豐富的系統(tǒng)與應用外設及標準的接口，從而成為低功耗、低本錢的嵌進式產業(yè)級產品。AT91RM9200提供了全功能電源治理控制器（PMC），優(yōu)化了整個系統(tǒng)的功耗，并支持普通、空閑、慢時鐘及Standby工作模式，提供不同的功耗等級及事件響應延遲時間[1]。在空閑模式下，ARM處理器時鐘禁用并等待下一次中斷（或主復位）；慢時鐘模式是復位后選擇的模式，在此模式下主振蕩器及PLL封閉以降低功耗；Standby模式是慢時鐘模式與空閑模式的結合，它使能處理器以快速響應喚醒事件，并保持較低的功耗。當系統(tǒng)正常工作時由外界直流電源供電并對電池充電，外電源斷開時自動切換到內部后備電池供電。

2.2  電源電路設計

AT91RM9200有5種類型的電源引腳：VDDCORE引腳用于向內核供電，一般為1.8 V；VDDPLL、VDDOSC分別給PLL或者振蕩器供電，一般為1.8 V；VDDIOP、VDDIOM分別用于給外設I/O口線、USB收發(fā)器以及外部總線接口I/O口線供電，一般為3.3 V。此外，系統(tǒng)的鍵盤、顯示電路的供電電壓需要＋5 V電源。因此，本控制系統(tǒng)需要使用3組電源。通過對整個控制系統(tǒng)的控制要求和性能進行分析，確定本系統(tǒng)的負載電流大約為3 A。因此，系統(tǒng)電源的穩(wěn)壓芯片選用了ON公司的LM2576系列穩(wěn)壓器，把外部直流電源穩(wěn)壓成系統(tǒng)需要的+3.3 V和+5 V電源。由于系統(tǒng)內核電源供電要求1.8 V，因此系統(tǒng)應采用二級電源轉換電路。本文選用TI公司的微功耗、極低壓差PMOS穩(wěn)壓器（LDO芯片）TPS72518作為內核電源轉換芯片，把+3.3 V穩(wěn)壓成+1.8 V，為處理器內核提供工作電源。系統(tǒng)電源電路如圖2所示。圖2中給出了嵌進式系統(tǒng)電源往耦等PCB設計方法。C3、C6是穩(wěn)壓芯片的電解旁路電容，在電路中接進它們能使電路穩(wěn)定地工作；C2、C5、C8為輸出穩(wěn)定電容，對于減小輸出紋波、輸出噪聲以及負載電流變化的影響有較好的效果，根據(jù)穩(wěn)壓器自身的工作要求，電容分別選用10 μF、100 μF的電解電容。

圖2  系統(tǒng)電源電路圖

基于32位微處理器的嵌進式系統(tǒng)性能在很大程度上取決于時鐘電路的穩(wěn)定性和可靠性，而時鐘電路的穩(wěn)定性主要取決于系統(tǒng)鎖相環(huán)（PLL）的穩(wěn)定性。因此，在PLL模擬部分供電電源應采用濾波電路，以保證供電的穩(wěn)定性[2]。微處理器內部時鐘、電源和復位控制等關鍵部件的參數(shù)對系統(tǒng)各種運行方式起著重要甚至是決定性的作用。因此，為了保證在各種運行方式下所設置的參數(shù)不變，通常在嵌進式系統(tǒng)設計中提供后備電池的供電電路。如圖2所示，采用TI公司的電池充電器BQ24200作為系統(tǒng)電源的后備電池，系統(tǒng)正常工作時外部電源對它進行充電，外部電源被切斷后由它提供系統(tǒng)電源，以便系統(tǒng)保存重要參數(shù)。

3  系統(tǒng)電源的調試

3.1  調試的內容及步驟

一個比較大的嵌進式系統(tǒng)硬件電路，應該分模塊進行焊接、調試，避免碰到題目時無從下手檢查。由于系統(tǒng)中每個電路模塊都需要接進輸進電源，假如電源輸進不當，則會使輸出結果不正確甚至燒壞集成電路，因此應該首先安裝、調試系統(tǒng)電源模塊。系統(tǒng)電源電路模塊的成功調試是整個硬件電路調試成功的關鍵。

依據(jù)電路圖焊接好元器件之后，仔細檢查元器件是否焊接有誤，電路板是否存在虛焊或焊渣短路等現(xiàn)象，檢查無誤后進行上電調試。由直流穩(wěn)壓電源發(fā)生器輸出電源接進系統(tǒng)電源模塊的輸進端口（POW1），輸進電源Vin調為＋6 V，用示波器檢查系統(tǒng)電源的1.8 V、3.3 V、5 V輸出端口，沒有電壓輸出。斷電重新檢查電路，發(fā)現(xiàn)電解電容C6已經被燒成玄色，原因是C6的正負極性接反了。換了新電容焊接正確后上電調試，1.8 V、5 V電壓輸出端正常，而3.3 V電壓輸出端電壓不到3 V。查看穩(wěn)壓芯片LM2576的數(shù)據(jù)手冊之后，調節(jié)輸進電源Vin，同時檢測三組系統(tǒng)電源的電壓值，當三組電源輸出正確時，輸進電壓Vin的值為6.7 V左右。由于本控制系統(tǒng)的負載電流大約是3 A，因此在電路中加進負載電流為3 A的負載電阻，以此來測試系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性。經過調試，電容、電感等元件發(fā)熱正常，輸出電壓值正確。至此，系統(tǒng)電源模塊調試成功。

接下來逐步安裝、調試其他模塊電路。每安裝一個模塊就上電檢測，主要檢測系統(tǒng)電源電壓以及該模塊的輸進電壓、輸出結果是否正確。當把整個系統(tǒng)硬件電路安裝好之后上電調試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)電源不穩(wěn)定，即直流穩(wěn)壓輸進電源經常掉電，致使系統(tǒng)電源工作不正常。由于系統(tǒng)電路比較多，檢查比較困難，題目一直沒有解決。在多次上電檢測、調試之后，發(fā)現(xiàn)電路中的一個電壓（升壓）轉換器冒煙——芯片被燒焦了。仔細查閱該芯片的數(shù)據(jù)手冊，發(fā)現(xiàn)該芯片型號弄錯了，正負反饋電壓引腳接反。把該芯片拆除之后，系統(tǒng)電源工作正常。

3.2  調試結果分析

對系統(tǒng)電源調試以及整個系統(tǒng)硬件電路的安裝調試過程進行分析，結合在安裝、調試過程中碰到的題目，得出以下結論：

①  貼片電阻、電容器的基片大多采用受碰撞易破裂的陶瓷材料制作，而貼片式集成電路的引腳數(shù)目多、間距窄、硬度低，極易造成引腳焊錫短路、虛焊等故障，因此在拆卸、焊接時應把握控溫、預熱、輕觸等技巧。

②  在進行電源模塊調試之前，必須仔細檢查元器件安裝是否有誤，用電壓表檢測電路是否存在虛焊或者焊渣短路等現(xiàn)象，確保電路的正確性，避免燒壞元器件。

③  上電時假如沒有太大把握，可考慮使用帶限流功能的可調穩(wěn)壓電源，將穩(wěn)壓電源的電壓值慢慢往上調，檢測輸進電流（電壓）及輸出電壓，直到輸出電壓滿足要求。

④  當調試比較大的系統(tǒng)電路時，應先安裝、調試系統(tǒng)電源，調試成功后再逐步安裝、調試其他模塊。每安裝好一個模塊就上電測試，確保無誤后再調試另一個模塊。

結語

本文以基于AT91RM9200的嵌進式控制系統(tǒng)為例，重點分析系統(tǒng)電源電路的設計思路、方法以及系統(tǒng)電源的安裝與調試過程，結合調試過程中碰到的題目，對嵌進式系統(tǒng)電路的調試方法及留意事項進行了分析。隨著嵌進式系統(tǒng)的廣泛應用，電源電路的設計與調試尤為重要，本文的設計與調試思路值得鑒戒。