基于STM32數字式火花激發光源控制系統設計

吳亞平，于力革

（江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122）

基于STM32數字式火花激發光源控制系統設計

吳亞平，于力革

（江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122）

針對傳統火花激發光源系統激發頻率固定的問題，提出了一種頻率可調數字式火花激發光源控制系統。系統以STM32F103芯片為控制核心，利用片內定時器調節輸出脈沖占空比、頻率，設計了全橋逆變及其驅動電路。實驗表明該系統具有控制脈沖輸出穩定、激發頻率連續可調等優點，有一定推廣價值。

火花激發光源；PWM；STM32F103；驅動信號

火花激發光源是光電直讀光譜儀重要組成部分，激發光源具有使試樣蒸發、解離、原子化、激發、躍遷產生光輻射的作用。光電直讀光譜儀的主要技術指標如準確度、精密度和檢出限等很大程度上取決于所使用的激發光源［1］。

光電直讀光譜儀常用激發光源有直流電弧光源、交流電弧光源、電火花光源及電感耦合高頻等離子體光源（ICP）4種［2］。其中，直流電弧光源激發能力低，激發時易產生自吸收，不易進行難激發元素分析；交流電弧光源穩定性好可用于難激發元素分析，但檢測限較差；電感耦合高頻等離子體光源具有檢測限低，精密度、準確度高等優點，但儀器價格昂貴，維持費用較高，一般用于分析溶液試樣；電火花光源是原子發射光譜中常用光源之一，具有強激發和強電離能力，有利于對難激發元素分析［3］，且具有放電穩定，重現性好，激發譜線自吸收小等優點。上述4種光源，電火花光源對樣品檢測優點突出，但由于硬件結構限制，放電頻率一般固定，或者只選擇兩三種，無法針對不同材料樣品靈活調整，因而檢測精度難以提高。為解決問題，開發一種頻率連續可調的電火花光源激發系統已經成為一種必然。本文提出的數字式火花激發光源可實現激發頻率連續可調，擴大了檢測樣品的范圍，與傳統火花激發光源相比檢測精度更高，而且具有功耗低、穩定性等特點。

1　系統總體設計

數字式火花激發光源系統框圖如圖1所示。

圖1　數字式火花激發光源系統框圖

系統采用模塊化設計，由激發控制電路、整流逆變電路、高壓點火電路、氬氣控制電路等組成。其中，控制電路通過接收上位機發出的控制信號，控制各電路模塊正常工作；整流逆變電路將輸入電壓經過逆變、升壓、整流后得到500VDC，供高壓點火電路和脈沖形成網絡使用；高壓點火電路采用高能預燃技術產生15 KV電壓將分析間隙電離，在樣品和分析間隙之間形成一個供脈沖形成網絡放電的通道；氬氣控制電路控制氬氣沖洗，在分析間隙間形成氬氣保護氣氛；脈沖形成網絡在放電通道形成后激發樣品，產生火花；阻尼二極管可防止點火期間15 KV高壓脈沖反串，對電路起保護作用。

系統運行分為沖洗、預燃和曝光3個階段。沖洗階段，操作者通過上位機發出沖洗指令控制氬氣沖洗樣品表面并在分析間隙內形成氬氣控制氛圍。預燃階段，待氬氣控制氛圍形成后，發出預燃信號，整流逆變電路將輸入24 V直流電逆變為交流電，經升壓整流后得到500 V直流電，再經點火電路二次升壓、整流，最終輸出15 kV高壓脈沖到達分析間隙電離待測樣品表面。曝光階段，當待測樣品表面被電離后，脈沖形成網絡500 V充放電電容開始放電，激發電離后的原子產生火花，從而完成一次樣品激發［4］。

2　系統硬件設計

2.1控制電路設計

控制電路實際上是一個系統參數設置和實時電壓采樣控制系統?？刂齐娐酚芍骺匦酒捌渫獠縅TAG調試口、復位按鍵、晶振電路、BOOT設置以及LED顯示等組成。

系統主控芯片采用的是意法半導體公司生產的STM32F103微處理器。STM32F103微處理器采用高性能ARM Cortex-M3內核，工作頻率為72 MHz，采用三級流水線并帶分支預測功能從而保證其性能發揮。該處理器具有豐富的硬件資源：64K字節Flash存儲器和20K字節SRAM、多達51個快速I/O端口、2個12位模數轉換器、16個外部輸入通道、7個定時器，最多可生成24路獨立PWM信號。供電電壓2.0～3.6 V［5］。

STM32F103系列微處理器具有3個通用定時器以及1個高級控制定時器，可輸出互補PWM波。本系統利用微處理器TIM3通用定時器編程生成四路互補 PWM波驅動MOSFET全橋逆變電路，配合12位高精度D/A模塊精確控制輸出電壓，降低系統對硬件電路要求，減小系統設計復雜度，提高系統可靠性，縮短開發周期。

2.2電源模塊設計

系統中電源模塊是電路關鍵組成部分，是系統正常工作的基礎。本系統供電為24 V直流電源供電，各電路模塊需要的不同電壓通過相應電源轉換芯片轉換后得到［6］，電源模塊設計如圖2所示。

圖2　電源轉換電路

LM2576S-5.0電壓轉換芯片將輸入24 V直流電壓轉換得到5 V電壓對通信電路進行供電，電感、電容組成LC回路對輸出電壓進行濾波，二極管D6起到續流作用。

ASM1117-3.3電壓轉換芯片將5 V轉換為3.3 V為控制電路供電。二極管D1為3.3 V輸出指示燈。

MOSFET全橋逆變驅動芯片TC4427所需電壓由24 V直流電源直接供電。IGBT半橋逆變驅動芯片HCPL3120所需15 V電壓由金升陽電源隔離模塊B2415-2W轉換得到。

2.3通信電路設計

RS485串口通信以其可靠性高、傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點得到廣泛應用。因此系統選擇RS485串口實現STM32F103單片機與上位機通信，通過高速光耦合器6N137來消除工業現場電磁干擾對通信功能的影響，采用最高傳輸速率可達2.5 Mbps半雙工通信芯片MAX1487實現TTL電平與485電平轉換。RS485通信電路如圖3所示。

圖3　串口通信電路

2.4驅動電路設計

控制芯片STM32F103生成的四路PWM波，由于其電壓過小不足以直接驅MOSFET開關管，因此全橋逆變前需加前級驅動電路。本文采用驅動芯片TC4427對PWM驅動信號進行隔離、放大，來驅動MOSFET開關管，全橋逆變驅動電路如圖4所示。

圖4　全橋逆變驅動電路

2.5逆變電路設計

逆變電路采用全橋逆變得到預燃和曝光所需電壓。STM32F103定時器輸出PWM波經前級驅動電路放大后，用以驅動MOSFET。

數字式火花激發光源工作時，為保證控制電路復位期間全橋逆變驅動端及時關閉，在MOSFET柵極輸入端加有上拉和下拉電阻。當逆變電路工作在高速開關狀態，為防止過電壓對器件損害，在開關管漏極與源極間加有RCD吸收電路，對開關管起保護作用［7］，MOSFET全橋逆變電路如圖5所示。

圖5　MOSFET全橋逆變電路

2.6采樣電路設計

采樣電路主要對逆變電路輸出電壓進行采樣，采樣得到的端電壓經光耦隔離輸入電壓比較器LM393，電壓比較器輸出值送入STM32F103芯片A/D引腳，在單片機內部通過增量式PID控制算法進行電壓調節實現穩壓目的［8］，采樣電路如圖6所示。

圖6　采樣電路

由于主控芯片工作電壓為0～3.3 V，因此采樣電路輸出電壓不能高于3.3 V。為防止電壓過高，在輸出電壓端加有3.3 V穩壓二極管，同時電容起到濾波作用，提高系統信號精度和穩定性。

3　系統軟件設計

本控制系統軟件采用C語言編寫，在STM32F103控制芯片中采用模塊化設計，實現系統初始化、ADC采樣、PWM生成等功能，便于調試和移植?？刂葡到y軟件主要包括以下模塊。

3.1系統初始化模塊

系統初始化模塊是STM32F103控制芯片上電之后最先執行的程序，其目的是保證主程序按照預定方式執行。系統初始化模塊包括時鐘初始化、中斷初始化、芯片各引腳輸入輸出設置、外擴展單元的檢測等。

3.2ADC采樣模塊

STM32F103控制芯片內部12位ADC是一種逐次逼近型模擬數字轉換器，12位ADC精度滿足電壓分辨率要求。它有多達18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源，轉換速率最大可達1 MHz，滿足系統采樣周期的要求。

采樣模塊首先對ADC進行初始化，然后啟動ADC采樣，定義數組存放電壓采樣結果，對信號采樣經移位還原后送入到數組中。如果設定的ADC中斷發生，則轉到中斷服務子程序，對采集到的數據進行分析、處理，完成對電壓采樣。

3.3PWM生成模塊

PWM生成模塊是系統軟件的重要組成部分。PWM（Pulse Width Modulation）是一種通過處理器數字輸出對模擬電路進行控制的手段，即對脈沖寬度的調制［9］。

本系統選取STM32F103芯片內部TIM2定時器生成PWM波，PWM波生成原理如圖7所示。

當定時器內部CNT寄存器計數值小于CCRx寄存器預設值時，IO口輸出低電平，當CNT寄存器計數值大于CCRx預設值時，IO口輸出高電平，當CNT寄存器計數值等于ARR寄存器預設值時，計數器歸零然后重新向上計數，依次循環，最終輸出PWM波。通過控制定時器內部寄存器CCRx、ARR數值，可對輸出PWM進行占空比、周期調節，從而實現調頻調壓的目的［10］。

圖7　PWM生成原理

生成PWM波的具體步驟如下：

1）TIM2定時器設置，包括初始化TIM1定時器，設置時鐘預分頻，設置寄存器ARR、PSC、CCRx參數等。

2）設置TIM2定時器四路通道工作模式，使能定時器各通道輸出。

3）通過“TIM_Cmd（TIM2,ENABLE）”語句使能TIM2定時器，輸出四路PWM波。

部分代碼如下：

void time_init（void）

｛TIM_TimeBaseInitTypeDef

TIM_TimeBaseStructure；

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure；

TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInitStructure；

RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_TIM2, ENABLE）；//開定時器2外設時鐘

//定時器2配置720分頻，頻率500Hz，向上計數

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=199；

//設置ARR重新裝載寄存器數值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=719；

//設置定時器1時鐘預分頻數值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=0；

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode= TIM_CounterMode_Up；//定時器2工作在向上計數模式

TIM_TimeBaseInit（TIM2,&TIM_TimeBaseStructure）；

//定時器2初始化

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1

//設置定時器2輸出為PWM1模式

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState= TIM_OutputState_Enable；//比較輸出使能

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState= TIM_OutputNState_Enable；//互補輸出使能

TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=100；

//占空比為50%

3.4實驗結果

通過邏輯分析儀實際測到STM32F103定時器1四通道脈沖控制信號輸出波形如圖8所示。

圖8　控制信號輸出波形

由圖中可以看出，STM32F103定時器四通道輸出頻率為500Hz占空比為50%的控制信號。通過改變寄存器值可實現調節頻率占空比的目的。STM32F103輸出的控制信號經過MOSFET驅動電路放大后對逆變器進行精確控制從而保證數字式火花激發光源正常工作。

4　結束語

本文介紹了基于STM32F103芯片數字式火花激發光源控制系統的設計，系統采用低功耗STM32F103芯片進行PWM波脈寬調制，相比傳統火花激發光源可實現激發頻率連續可調，在一定程度上擴大了火花激發光源適用范圍。實驗結果表明該控制系統能夠滿足設計要求，可作為模塊化電路集成到數字式火花激發光源中。隨著光電直讀光譜儀系統不斷發展，數字式火花激發光源將有更高的應用價值和更廣的市場前景。

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Design of digital spark light-source control system based on STM32

WU Ya-ping,YU Li-ge
（Institute of Networking Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122,China）

Considering fixed excitation frequency problem in traditional spark light-source system,a digital spark light-source system is presented.Using STM32F103 as the core chip,the full bridge inverter circuit and the corresponding driving circuit were designed.Experimental results have shown that,the system has advantages of controlling the pulse output stability and frequency continuous adjustable,and has some promotional value.

spark light-source；PWM；STM32F103；driving signal

TN709

A

1674－6236（2016）13-0136-04

2015-07-21稿件編號：201507148

吳亞平（1990—），男，江蘇高郵人，碩士研究生。研究方向：控制工程及應用。