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隨著計算機技術、半導體技術以及電子技術的發展，嵌入式系統以其體積小、可靠性高、功耗低、軟硬件集成度高等特點廣泛應用于工業制造、過程控制、通信、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等眾多領域。嵌入式系統硬件設計與調試是嵌入式系統設計成功的基礎，而硬件電路中電源電路的設計與調試則是系統硬件調試成功的關鍵。本文從實際應用出發，結合在焊接機控制系統中嵌入式系統電源的設計與調試過程中碰到的一些問題，分析討論嵌入式系統電源的設計與調試方法。 1 系統硬件結構 在基于嵌入式系統的焊接機控制系統設計中，以AT91RM9200作為系統核心微處理器，依據控制系統要求外擴了SDRAM、SRAM、Flash，鍵盤、液晶顯示電路可進行實時參數調整、顯示并在出錯時報警，RS485串行接口完成數據傳輸通信，可進行紅外遙控操作。系統硬件結構如圖1所示。 圖1 系統硬件結構框圖 2 系統電源設計 2.1 系統電源工作原理 AT91RM9200是完全圍繞ARM920T處理器構建的系統芯片。它有豐富的系統與應用外設及標準的接口，從而成為低功耗、低成本的嵌入式工業級產品。AT91RM9200提供了全功能電源管理控制器（PMC），優化了整個系統的功耗，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。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關閉以降低功耗；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，本控制系統需要使用3組電源。通過對整個控制系統的控制要求和性能進行分析，確定本系統的負載電流大約為3 A。因此，系統電源的穩壓芯片選用了ON公司的LM2576系列穩壓器，把外部直流電源穩壓成系統需要的+3.3 V和+5 V電源。由于系統內核電源供電要求1.8 V，因此系統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穩壓器（LDO芯片）TPS72518作為內核電源轉換芯片，把+3.3 V穩壓成+1.8 V，為處理器內核提供工作電源。系統電源電路如圖2所示。圖2中給出了嵌入式系統電源去耦等PCB設計方法。C3、C6是穩壓芯片的電解旁路電容，在電路中接入它們能使電路穩定地工作；C2、C5、C8為輸出穩定電容，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，根據穩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 系統電源電路圖 基于32位微處理器的嵌入式系統性能在很大程度上取決于時鐘電路的穩定性和可靠性，而時鐘電路的穩定性主要取決于系統鎖相環（PLL）的穩定性。因此，在PLL模擬部分供電電源應采用濾波電路，以保證供電的穩定性。微處理器內部時鐘、電源和復位控制等關鍵部件的參數對系統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不變，通常在嵌入式系統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作為系統電源的后備電池，系統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電源，以便系統保存重要參數。 3 系統電源的調試 3.1 調試的內容及步驟 一個比較大的嵌入式系統硬件電路，應該分模塊進行焊接、調試，避免遇到問題時無從下手檢查。由于系統中每個電路模塊都需要接入輸入電源，如果電源輸入不當，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、調試系統電源模塊。系統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象，檢查無誤后進行上電調試。由直流穩壓電源發生器輸出電源接入系統電源模塊的輸入端口（POW1），輸入電源Vin調為＋6 V，用示波器檢查系統電源的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，發現電解電容C6已經被燒成黑色，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。查看穩壓芯片LM2576的數據手冊之后，調節輸入電源Vin，同時檢測三組系統電源的電壓值，當三組電源輸出正確時，輸入電壓Vin的值為6.7 V左右。由于本控制系統的負載電流大約是3 A，因此在電路中加入負載電流為3 A的負載電阻，以此來測試系統電源的穩定性。經過調試，電容、電感等元件發熱正常，輸出電壓值正確。至此，系統電源模塊調試成功。 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，主要檢測系統電源電壓以及該模塊的輸入電壓、輸出結果是否正確。當把整個系統硬件電路安裝好之后上電調試，發現系統電源不穩定，即直流穩壓輸入電源經常掉電，致使系統電源工作不正常。由于系統電路比較多，檢查比較困難，問題一直沒有解決。在多次上電檢測、調試之后，發現電路中的一個電壓（升壓）轉換器冒煙——芯片被燒焦了。仔細查閱該芯片的數據手冊，發現該芯片型號弄錯了，正負反饋電壓引腳接反。把該芯片拆除之后，系統電源工作正常。 3.2 調試結果分析 對系統電源調試以及整個系統硬件電路的安裝調試過程進行分析，結合在安裝、調試過程中碰到的問題，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量多、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、焊接時應掌握控溫、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象，確保電路的正確性，避免燒壞元器件。 ③ 上電時如果沒有太大把握，可考慮使用帶限流功能的可調穩壓電源，將穩壓電源的電壓值慢慢往上調，檢測輸入電流（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電路時，應先安裝、調試系統電源，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的嵌入式控制系統為例，重點分析系統電源電路的設計思路、方法以及系統電源的安裝與調試過程，結合調試過程中碰到的問題，對嵌入式系統電路的調試方法及注意事項進行了分析。隨著嵌入式系統的廣泛應用，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借鑒。 |
