合肥光源嵌入式高精度电源设备控制系统的研制

基于FPGA的高精度恒流源系统设计目录一、内容综述 (2)1. 研究背景和意义 (3)2. 国内外研究现状 (4)3. 论文研究目的及内容 (5)二、FPGA技术概述 (6)1. FPGA基本概念及特点 (7)2. FPGA的发展历程 (8)3. FPGA的主要应用领域 (9)三、恒流源系统基本原理与设计要求 (11)1. 恒流源系统基本原理 (12)2. 恒流源系统的设计要求 (13)3. 恒流源系统的性能指标 (14)四、基于FPGA的高精度恒流源系统设计方案 (15)1. 系统架构设计 (16)2. 主要功能模块设计 (18)3. 系统工作流程设计 (18)五、关键技术研究与实现 (19)1. 高精度电流采样与转换技术 (21)2. 高性能PWM波形生成技术 (22)3. 基于FPGA的电流闭环控制技术 (23)六、系统硬件设计与实现 (24)1. 电源模块设计 (26)2. 电流采样与处理模块设计 (27)3. FPGA配置与实现 (28)七、系统软件设计与实现 (30)1. 软件架构设计 (31)2. 程序流程设计 (33)3. 关键算法实现与优化 (34)八、系统测试与性能评估 (36)1. 测试环境与平台搭建 (37)2. 系统测试方法与步骤 (38)一、内容综述本文档主要介绍了基于FPGA的高精度恒流源系统的设计。

恒流源系统在众多领域中有着广泛的应用，如精密测量、电子仪器、医疗设备和通信系统等。

随着科技的不断发展，对恒流源系统的精度和稳定性要求也越来越高。

研究并设计一种基于FPGA的高精度恒流源系统具有重要的实际意义。

该系统设计的主要目标是实现高精度、高稳定性的恒流输出，同时具备良好的响应速度和负载调整能力。

系统设计的核心部分是基于FPGA（现场可编程门阵列）的控制电路，通过优化算法和控制策略，实现对恒流源输出电流的精确控制。

输入电源及稳压模块：为系统提供稳定的输入电压，保证系统的稳定运行。

• 93•EPICS 主要用于分布式控制系统的研发，是目前全球大型实验室、科研机构用到的最主要的集成系统之一。

本文对EPICS 应用进行了尽可能详尽的文献调研；介绍了EPICS 系统结构、EPICS 系统框架和EPICS 系统的发展历程；从系统监控、系统监测、数据采集及接口开发等方面对EPICS 的典型应用进行了综述；提出EPICS 应在技术创新、应用创新、接口规范和技术支持等方面深入研究，并对其未来发展进行了展望，以期为相关领域科研人员在关键技术、研究方向和系统开发方面提供参考。

EPICS （Experimental Physics and Industrial Control System ），即：实验物理和工业控制系统。

EPICS 起源于美国星球大战计划，20世纪90年代初，由以研制出世界上第一颗原子弹而闻名于世的美国洛斯阿拉莫斯国家实验室LANL （Los Alamos National Lab ）和美国能源部最大的研究中心阿贡国家实验室ANL （ArgonneNational Labora-tory ）联合开发。

EPICS 是一个开源软件工具、库和应用程序，系统结构灵活、开放性好、具有较强的可扩展性和方便国际交流协作的优点。

EPICS 具有完善的工具集，科研人员可利用EPICS 的开发库，修改其源代码，开发各种控制程序或者控制界面软件。

EPICS 也提供脚本语言SNL 支持多种语言编程，减少了程序开发的工作量。

EPICS 最大的优点是对于基本使用是不需要任何编程背景。

EPICS 主要包括控制反转IOC （Inversion of Control ）层、开放接口OPI （Open Press Interface ）层和设备控制器。

EPICS 支持多个输入/输出控制器和操作员接口，EPICS 管理的最小单元是过程变量PV （Process Variable ）；EPICS 的通信协议采用自带的高带宽协议，能够通过网络建立多台计算机间的控制及反馈。

金太阳示范工程专题典型方案300KWp光伏并网系统技术方案合肥阳光电源有限公司目 录一、300KW光伏并网发电系统总体设计方案 (3)1.1系统组成 (3)1.2相关规范和标准 (3)1.3总体设计方案一 (4)1.3.1方案一简介 (4)1.3.2光伏阵列汇流箱的设计（PVS-8M） (4)1.3.3直流防雷配电柜的设计（PMD-D300K） (6)1.3.4并网逆变器的设计（SG100K3） (7)1.4总体设计方案二 (9)1.4.1方案二简介 (9)1.4.2光伏阵列汇流箱的设计（PVS-16M） (10)1.4.3直流防雷配电柜的设计（PMD-D300K） (12)1.4.4 并网逆变器的设计（SG50K3） (14)1.5并网系统的监控通讯方式 (16)1.6接入电网方案 (19)1.7接地及防雷 (21)1.8设备配置清单 (22)二、合肥阳光并网逆变器在国内光伏建筑一体化的应用案例（部分） (23)2.1上海临港新城MW级光伏电站 (23)2.2上海世博会园区中国馆、主题馆及其他场馆MW级光伏并网发电系统 (24)2.3中节能杭州节能环保产业园光伏并网发电项目一期2MW屋顶光伏电站 (25)2.4上海太阳能工程中心MW级光伏电站 (26)2.5合肥阳光电源厂房500KW光伏并网电站 (27)2.6奥运鸟巢105K W光伏并网电站 (28)一、300KW光伏并网发电系统总体设计方案1.1系统组成光伏并网发电系统主要组成如下：（1） 光伏电池组件及其支架；（2） 光伏阵列防雷汇流箱；（3） 直流防雷配电柜；（4） 光伏并网逆变器（带工频隔离变压器）；（5） 系统的通讯监控装置；（6） 系统的防雷及接地装置；（7） 土建、配电房等基础设施；（8） 系统的连接电缆及防护材料。

1.2相关规范和标准光伏并网逆变系统的制造、试验和验收可参考如下标准：GB/T 191 包装储运图示标志GB/T 19939-2005 光伏系统并网技术要求GB/T 20046-2006 光伏（PV）系统电网接口特性（IEC 61727:2004,MOD）GB/Z 19964-2005 光伏发电站接入电力系统技术规定GB/T 2423.1-2001 电工电子产品基本环境试验规程 试验A：低温试验方法GB/T 2423.2-2001 电工电子产品基本环境试验规程 试验B：高温试验方法GB/T 2423.9-2001 电工电子产品基本环境试验规程 试验Cb：设备用恒定湿热试验方法 GB 4208 外壳防护等级（IP代码）（equ IEC 60529:1998）GB 3859.2-1993 半导体变流器 应用导则GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波GB/T 15543-1995 电能质量 三相电压允许不平衡度1.3总体设计方案一1.3.1方案一简介将系统分成3个100KW 的并网发电单元，通过3台SG1OOK3（100KW）并网逆变器接入0.4KV 交流电网，实现并网发电功能；系统的电池组件可选用国产某功率为210Wp 的多晶硅太阳电池组件，其工作电压约为29.6V，开路电压约为36.5V。

高精密程控电压源设计与实现乐千桤;徐静【摘要】提出一种基于MCU的高精密程控电压源实现方法.PC机通过异步串口与MCU通信,远程控制D/A输出,同时使用精密电阻衰减网络压缩电压幅度,提高输出电压精度,输出电压经放大器驱动输出,增强了负载能力.根据大量的测试数据,创造性地拟合输出电压与配置电压值的函数关系,并通过软件修正系统误差和非线性误差,精度可达士1.5 μV,完全满足设计要求.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2008(031)012【总页数】2页(P25-26)【关键词】精密电压源;精密电阻衰减网络;D/A转换器;A/D转换器【作者】乐千桤;徐静【作者单位】成都理工大学,四川,成都610059;成都理工大学,四川,成都610059【正文语种】中文【中图分类】TN7921 引言在自动测试领域，为了检测电压型精密传感器的配套系统，需要可调精密电压源，其输入范围为0～50 mV，精度为10 μV，稳定性要求非常高。

传统的精密电压源一般采用精密电位器调节生成，需要高的D/A分辨率和抗干扰能力。

这种电压源操作不方便，而且随着温度等外界条件的变化而变化，其波动范围很难控制在10 μV内。

本文提出一种新的实现方案，采用闭环反馈控制方式，实时监控电压输出端并根据实际情况进行调整；对配置电压值和多组实际测试结果进行最小二乘拟合，得到配置电压值与理想输出值之间的函数关系，并通过软件修正了系统的非线性引起的误差，输出精度达到了±1.5 μV，提高了输出电压的稳定性。

2 硬件设计2.1 工作原理该系统硬件由高性能单片机、数/模转换器、高精密电阻衰减网络、仪用放大器和A/D转换器组成，其系统硬件结构如图1所示。

图1 高精密程控电压源系统硬件框图利用PC机输入一个设定值，通过串口将数据送到单片机；单片机根据PC机与单片机的通信协议解析串口数据，当检测接收到有效数据后，启动D/A转换器配置部分的软件，将设定值转化为数字量输出到D/A转换器；D/A转换器将单片机输出的数字量转化为模拟量输出到精密电阻衰减网络[1]，衰减系数可通过可调电位器调整，衰减后的信号通过仪用放大器INA114稳压输出；同时A/D转换器开始工作，连续采集运放输出端的电压值，以串行方式送到单片机中，单片机根据A/D转换器采集的数据实时控制D/A转换器的数字输入端，修正环境温度等外界因素引起的误差，确保输出电压值满足设计要求。

基于ARM的嵌入式测控硬件平台设计的开题报告一、选题背景随着物联网技术的不断发展和嵌入式技术的应用，现代工业生产不断追求智能化、自动化和数据化。

测控硬件平台在其中扮演着重要的角色，它是指通过各种传感器等设备采集现场数据并进行处理，提供一系列功能，如数据存储、实时监测、远程控制等。

嵌入式测控硬件平台具有结构紧凑、功耗低、性能高等特点，通常用于工业控制、环境监测、智能家居等领域。

本文将基于ARM架构的嵌入式系统，设计一个测控硬件平台，主要包括硬件设计和软件开发两个部分。

硬件部分包括主控芯片选择、外设模块接口设计、系统电路组成等方面；软件部分则包括系统移植、驱动程序开发、系统测试等内容。

二、项目内容1.硬件设计（1）主控芯片的选择考虑ARM架构的应用广泛，本文选择ARM作为主控芯片。

具体来说，选择一款性能较高，常用的ARM Cortex-M系列芯片。

（2）外设模块接口设计测控硬件平台需要与各种传感器、数据存储设备等外设连接，在设计时需要考虑外设的接口标准、数据传输速率等指标，以保证系统的稳定性和可靠性。

（3）系统电路组成通过对外设接口的设计，进一步构建系统电路，包括电源保护电路、时钟电路、复位电路等。

2.软件开发（1）系统移植在确定了硬件平台的组成之后，需要将系统移植到硬件平台上。

针对ARM Cortex-M系列芯片的特殊体系结构和寄存器结构，需要对系统进行移植和适配。

（2）驱动程序开发考虑到测控硬件平台需要与各种传感器等外设设备进行通信，需要编写相应的驱动程序。

这些驱动程序需要支持各种通信协议，例如SPI、I2C、UART等。

（3）系统测试完成了系统移植和驱动程序开发后，需要对系统进行测试，对各种功能进行评估和验证，以保证系统的可用性和可靠性。

三、选题目的和意义本文的主要目的是基于ARM架构的嵌入式系统，设计一个测控硬件平台。

这种硬件平台可以广泛应用于各个领域，如工业控制、航空航天、智能家居、环境监测等。

高精度半导体激光器驱动电源系统的设计刘平英;丁友林【摘要】介绍一种以DSP TMS320F2812控制模块为核心的高精度半导体激光器驱动电源系统的设计.该系统以大功率达林顿管为调整管加电流负反馈电路实现恒流输出,利用DSP内部集成的模/数转换器对输出电流采样,并经过PI算法处理后控制PWM输出实现动态的误差调整,消除电路中的静止误差.为了提高系统的稳定性,在系统中加入过流、过压保护和延时软启动保护等功能.结果表明,输出电流范围在10～2 500 mA内,输出电流变化的绝对值小于输出电流值的0.1%+1 mA,从而确保了半导体激光器工作的可靠性.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2009(032)008【总页数】4页(P166-169)【关键词】DSP;半导体激光器;PI算法;PWM【作者】刘平英;丁友林【作者单位】金肯职业技术学院,江苏,南京,211156;金肯职业技术学院,江苏,南京,211156【正文语种】中文【中图分类】TN248.10 引言半导体激光器(LD)是一种固体光源，由于其具有单色性好，体积小，重量轻，价格低廉，功耗小等一系列优点，已被广泛应用。

LD是理想的电子-光子直接转换器件，有很高的量子效率，微小的电流和温度变化都将导致其输出光功率的很大变化。

因此，LD的驱动电流要求非常高，必须是低噪声、稳定度高的恒流源，一般电源很难满足要求[1-4]。

此外，瞬态的电流或电压尖峰脉冲，以及过流、过压都会损坏半导体激光器。

这里将以TI公司的DSP芯片TMS320F2812为控制核心，实现带有多种保护的双闭环高精度半导体激光驱动电源系统。

1 系统总体设计恒流源一般采用集成运算放大器和一些分立元器件及单片机构成的“压控恒流源”方法实现，与纯模拟元件构成的恒流源相比，这种方法在恒流精度和线性度上都有明显的提高。

但是该方法中单片机是用作显示与控制电压的给定，并未对输出电流实时检测和控制，属于开环控制系统，影响了恒流源的稳定性及精度。

嵌入式系统中的电源管理设计在嵌入式系统中，电源管理设计是非常重要的一环。

一个有效的电源管理设计可以极大地提高系统的性能和稳定性，同时也可以延长系统的电池寿命，降低功耗。

在嵌入式系统中，电源管理设计主要包括以下几个方面：1. 供电电路设计：在嵌入式系统中，通常会采用多种电源供电方式，比如直流电源、电池供电、USB供电等。

因此，在设计供电电路时，需要考虑这些不同的供电方式之间的切换和转换，以确保系统可以在不同的供电情况下正常运行。

2. 电源管理芯片选择：在嵌入式系统中，通常会使用专门的电源管理芯片来管理和控制系统的电源。

选择一款合适的电源管理芯片非常重要，它不仅需要能够提供稳定可靠的电源输出，还需要支持低功耗模式、过载保护、短路保护等功能。

3. 休眠模式设计：在嵌入式系统中，休眠模式是节省功耗的一种重要方式。

通过设计合适的休眠模式，可以降低系统在空闲或待机状态下的功耗，延长系统的电池寿命。

在设计休眠模式时，需要考虑系统进入休眠状态的触发条件，以及从休眠状态唤醒系统的方法。

4. 功耗优化设计：在嵌入式系统中，功耗优化是一个非常重要的设计考虑因素。

通过合理设计系统的硬件和软件，可以降低系统的功耗，提高系统的性能和稳定性。

在功耗优化设计中，需要考虑多种因素，比如CPU频率调整、外设模块管理、数据传输优化等。

5. 温度管理设计：在嵌入式系统中，高温会对系统的稳定性和寿命造成影响。

因此，在设计电源管理时，需要考虑系统的散热设计，确保系统在高温环境下也能正常工作。

同时，需要设计温度传感器和保护电路，及时监测和处理系统温度异常情况。

通过以上几个方面的电源管理设计，可以有效提高嵌入式系统的性能和稳定性，延长系统的电池寿命，降低系统的功耗。

在嵌入式系统设计中，电源管理设计是一个至关重要的环节，需要在整个系统设计过程中重视和考虑。

只有合理设计电源管理，才能确保嵌入式系统正常可靠地工作。

第27卷　第3期核电子学与探测技术Vol.27　No.3 2007年　5月Nuclear Elect ronics &Detection TechnologyMa y 2007 片上系统在复杂控制系统设计中的应用陆俊峰1,2,杨存榜2,丁永坤2,阴泽杰1(1.中国科学技术大学近代物理系信息处理实验室,合肥230026;2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳,621900) 摘要:提出了基于PXI (PCI Extensions for Instr umentation )总线神光2II I 原型激光装置物理诊断控制系统的一个解决方案,重点论述了通过嵌入式片上系统(system 2on 2chip ,S oC)实现高实时性控制子系统,从而建立起可扩展的复杂控制系统。

而自行设计的SoC 平台又可以根据不同的应用需求灵活扩展控制功能,满足不同时间粒度的实时性要求,提高了控制系统的稳定性和可靠性。

关键词:PXI ;So C;ASIP ;M IPS ;FP GA中图分类号:TP368.1;TP391.8　文献标识码:A 文章编号:025820934(2007)0320432204收稿日期:2006201223作者简介:陆俊峰(1978—),男,云南人,中国科学技术大学博士研究生,主要研究方向基于F G 和SI 的系统级芯片设计及微处理器体系结构研究 当今的复杂控制系统普遍具有三大特征:高实时,多任务并行,可扩展。

实时性是控制系统的基本特点和重要性能,一般分为硬实时(Hard Real 2Ti me )和软实时(Sof t Real 2Ti me )两种。

硬实时系统能够保证事件响应的确定性,系统认为延迟响应是系统错误,即硬件对外部事件有一个响应时限。

在某种程度上,软实时系统试图使事件的响应时间减到最小,而不将延迟的响应看作系统错误[1]。

在嵌入式计算机(Em bedded Comput 2e r )系统中配置实时操作系统(Real 2Ti me Op 2e rat ion Syste m ,R TO S )能够实现很高的硬实时性,该方法在控制系统中得到广泛应用。

高精度数控恒流源的设计与实现宋林桂【摘要】为了满足可调温无纺布热切割机对恒流源的需求,文章阐述了一种基于单片机的高精度数控恒流源的设计和实现方法.该电源以电流串联负反馈式压控恒流源电路为基础,以AT89S52单片机为控制核实现数字化控制.为实现高精度要求,在数控部分中,要采用12位高精度数字模拟转换器(Digital Analog Converter,DAC)芯片TLV5616控制压控恒流源的输出电流,并利用16位高精度模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)芯片ADS1115测量输出电流.文章采用矩阵键盘设定电流输出值,采用LCD12864液晶屏显示设定的电流和负载两端电压值.测试结果表明,本恒流源在20 ～2000mA输出电流时,输出电流与给定值误差小于5mA.【期刊名称】《无线互联科技》【年(卷),期】2016(000)018【总页数】3页(P59-60,76)【关键词】AT89S52;恒流源;ADS1115;TLV5616【作者】宋林桂【作者单位】苏州健雄职业技术学院电气工程学院,江苏太仓215411【正文语种】中文高精度恒流源是一种非常重要的特种电源，在现代科学研究和医疗、工业生产中得到了越来越广泛的应用。

传统的恒流源往往用电位器调节输出电流，其精度较差，且无法实现精确步进。

目前，恒流源已朝着数字化方向发展，多采用模数和数模转换器实现数字化控制，具有高精度、高稳定性等特点［1］。

该系统主要由电源模块、恒流源电路模块、负载模块、单片机最小系统模块、键盘显示模块、ADC电路模块和DAC电路模块、LCD12864液晶显示电路以及4×4矩阵键盘电路构成，系统结构如图1所示。

2.1 电源电路系统中使用到集成运算放大器，集成运算放大器供电使用正负电源。

如图2所示，为了减少系统输出的纹波系数，系统选用±12V变压器把市电降成低压，变压器变压后经过整流滤波得到正直流电源DC+和负直流电源DC-，正电源DC+和负电源DC-为集成运算放大器提供正负电源。