第9章嵌入式系統(tǒng)工程開發(fā)實戰(zhàn)教師：姓名嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術本章以基于STM32和FPGA的可編程電液比例控制器為例，系統(tǒng)介紹工程開發(fā)的每一個具體環(huán)節(jié)。需求分析方案設計具體的軟硬件設計系統(tǒng)整合本章概要嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術29.1需求分析需求背景電液比例控制技術是連接微電子技術和大功率工程控制設備之間的橋梁，具備了電氣和液壓的雙重優(yōu)勢，形成了頗具特色的技術分支，成為了現代控制工程的基本技術構成之一。電液比例控制器是整個比例控制系統(tǒng)的控制中樞，直接影響整個系統(tǒng)的控制性能。發(fā)展趨勢高速、高精、高性能化一體化和集成化通用化智能化網絡化和模塊化嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術3主要功能多通道的比例電磁鐵功率驅動多通道比例電磁鐵電流閉環(huán)控制控制參數自整定多路電壓電流量檢測以及模擬量輸出和常用的通訊單元同時對多達6個通道同時進行比例電磁鐵閉環(huán)PID電流控制具備16路電壓/電流采樣通道12路開關量輸入與8路開關量輸出2路模擬電壓量輸出與2路模擬電流量輸出3路CAN通信接口，以及1路RS232參數配置與通信接口9.1需求分析

嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術4主要參數9.2詳細說明嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術5接口類型主要參數供電電源24VDC比例電磁鐵驅動2路，閉環(huán)電流控制，電流0～6A單向，響應時間<10ms開關量輸出8路

24/1.3AMax光隔，用于繼電器驅動開關量輸入12路24V光隔模擬量輸入0(4)~20mA/8路、0~5(10)V/8路、隔離、12bit采樣2k/s模擬量輸出4~20mA/2路、0~5V/2路、隔離RS2321路、隔離、波特率9600～115200CAN3路，1路主通信、1路副通信、1路故障備份通信外部供電非隔離5VDC200mAMax系統(tǒng)架構設計綜合考慮采用ARM+FPGA的基本組合形式ARM完成控制器的主要控制、參數配置、數據通信、基本輸入輸出等FPGA主要完成對實時性要求較高的閉環(huán)電流控制部分，完成電流采樣，PWM控制以及閉環(huán)PID控制算法9.3結構設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術6主控制器的選擇STM32F103ZET6為主控芯片STM32F103XX增強型系列中性能最高的一款芯片FPGA選擇Altera公司CycloneII系列EP2C5T144A/D、D/A芯片的選擇高速A/D芯片選用ADS8364四度A/D多通道芯片選用TLC2543D/A芯片選用TLV56149.3結構設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術73路CAN通信電路方案選擇STM32芯片STM32F103C8T6用作CAN控制器開發(fā)平臺的選擇主控制器芯片采用KeilMDK開發(fā)平臺FPGA采用Altera的QuartusII平臺進行開發(fā)9.3結構設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術8控制器電氣隔離部分總體設計速度較慢的數字量輸入輸出端口使用最為常見的TLP-521進行電氣隔離通信部分的隔離中選用ADuM141X系列隔離芯片ARM與FPGA的連接利用STM32的FSMC接口，將FPGA設計成為一個虛擬SRAM，利用地址和數據總線進行通信其他功能模塊的連接CAN通信的STM32F103C8T6與主控制器STM32F103ZET6之間采用USART連接TLC2543與TLV5614通過Adum隔離芯片與主控制器STM32F103C8T6連接，采用串行方式連接9.3結構設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術9控制器最終結構STM32F103ZET6為主控制，負責系統(tǒng)的主要通信、輸入輸出以及部分算法處理等功能EP2C5T144完成高速A/D的采樣，PWM控制以及閉環(huán)PID控制STM32F103C8T6作為通信控制芯片，專門負責兩路CAN通信ADS8364為6通道16位高速AD采樣芯片,主要負責電流的高速采樣TLC2543為11通道12位AD，負責控制器的低速模擬量采樣TLV5614為4通道12位DA，負責控制器的模擬控制量輸出9.3結構設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術10硬件電路的設計電源部分電路設計STM32的外圍電路設計FPGA外圍電路設計控制器通信部分電路設計低速AD信號采集部分電路設計DA部分的電路設計電流量輸出部分電路設計功率驅動部分電路設計可編程增益放大器的設計9.4組件設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術11硬件結構圖嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術12本課題中需要的電源如下系統(tǒng)電源輸入：24VDC隔離數字電源部分：+3.3V：用于STM32、FPGA、ADS8364等供電；+5V：ADS8364等供電；±12V：雙電源運放LM324等供電；±5V：增益切換開關ADG1612供電非隔離電源部分：+24V：電磁鐵供電，24V開關量輸出；+15V：MOSFET驅動電壓，此電壓可調；+5V：TLC2543、TLV5614、MAX232等供電±12V：雙電源運放LM324等供電9.4組件設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術13基于LM2596的開關型穩(wěn)壓電源設計9.4組件設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術14基于AOZ1014的小型開關型穩(wěn)壓電源設計9.4組件設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術15FPGA外圍供電電路設計9.4組件設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術16CAN通信電路設計9.4組件設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術17RS-232通信電路設計9.4組件設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術18電流量輸出部分電路設計使用AM462設計電壓轉電流輸出電路功率驅動部分電路設計使用TLP250設計功率驅動電路可編程增益放大器的設計采用具有最優(yōu)共模抑制性能的可變增益儀表放大器AD8221進行信號放大采用一個四通道單刀單擲開關（ADG1612）和一個電阻可編程儀表放大器（AD8221）來實現可編程增益功能9.4組件設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術19軟件部分的設計主控制器STM32F103ZET6的程序開發(fā)，主要涉及TLC2543、TLV5614的驅動，與FPGA、STM32F103C8T6的通信，CAN、RS232通信以及參數配置和部分計算。STM32F103C8T6主要包括CAN、RS232通信程序以及部分數據的處理。FPGA程序包括并行A/D的數據讀取與處理，PWM波的產生，閉環(huán)控制算法等9.4組件設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術209.4組件設計讀操作時序寫操作時序嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術21思考參考STM32FSMC接口一節(jié)，比較各種模式的信號異同。基于FPGA的高速AD數據采集程序設計ADS8364的讀取時序圖與測量信號9.4組件設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術22基于狀態(tài)機的ADS8364讀寫程序設計9.4組件設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術23練習根據以上學習內容，使用VHDL或者Verilog語言編寫ADS8364讀寫程序仿真。TLC2543低速AD采樣模塊程序設計TLC2543時序圖9.4組件設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術24TLV5614DA輸出模塊程序設計TLV5614時序圖9.4組件設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術25TLV5614程序的邏輯分析儀測試9.4組件設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術26控制器的PCB設計PCB的設計與主要分為三個階段第一階段是部分硬件功能模塊的調試與驗證,針對部分尚未確定或者實際參數表現并不明確的功能模塊，可以單獨設計PCB進行調試和驗證

。第二階段是系統(tǒng)的初步集成設計，將最終的功能模塊組合，設計在一個PCB板上。第三階段是在前兩個階段的基礎上修改發(fā)現的錯誤，對發(fā)現的部分設計進行優(yōu)化，最終完成軟硬件設計。9.4組件設計嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術27子功能模塊之間的集成系統(tǒng)的集成是一個循序漸進的過程，在工程的開發(fā)過程中所有功能都不是一步到位的，而是