摘要：設(shè)計(jì)一種用于模擬汽車電磁閥工作狀態(tài)的PWM電源，該電源以單片機(jī)為控制核心，采用DDS芯片AD9851和PWM控制芯片SG3525為波形發(fā)生設(shè)備，鍵盤和液晶顯示作為人機(jī)接口，輸出頻率在O～25 000 Hz，占空比在O～100％，幅度在O～36 V范圍內(nèi)可任意設(shè)置和實(shí)時(shí)顯示的PWM信號(hào)。該電源運(yùn)行穩(wěn)定、精度高，已成功應(yīng)傭到汽車、電磁閥的生產(chǎn)企業(yè)。
關(guān)鍵詞：電磁閥；PWM；單片機(jī)；DDS

    電磁閥在現(xiàn)代汽車中應(yīng)用十分廣泛，電磁閥的性能與汽車的性能緊密相關(guān)。施加到電磁閥的電源在實(shí)際工作時(shí)的狀態(tài)是異常復(fù)雜的，主要表現(xiàn)在電磁閥電源的電壓幅度、頻率、占空比的復(fù)雜性和隨機(jī)性。為了保證電磁閥出廠的質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)并制作了一種便于模擬汽車電磁閥實(shí)際工作狀態(tài)的電源。根據(jù)電磁閥在汽車中的工作要求，對(duì)電磁閥在各種工作狀態(tài)下的質(zhì)量要求進(jìn)行模擬測(cè)試。同時(shí)解決測(cè)試出口電磁閥產(chǎn)品性能指標(biāo)的難題，為我國(guó)電磁閥的出口產(chǎn)品提供必要的技術(shù)性能測(cè)試設(shè)備。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
    如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)包括單片機(jī)、I／O擴(kuò)展電路、D／A轉(zhuǎn)換電路、PWM產(chǎn)生電路、頻率選擇電路、光電隔離和驅(qū)動(dòng)電路及鍵盤和顯示電路。系統(tǒng)以單片機(jī)為控制中心，采用DDS芯片AD9851和PWM控制芯片SG3525為波形發(fā)生設(shè)備，采用8255A擴(kuò)展單片機(jī)外圍接口作為三路D／A轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)輸入口，三路模擬電壓分別用于控制頻率、占空比和幅度。通過單片機(jī)處理數(shù)據(jù)控制波形發(fā)生設(shè)備輸出信號(hào)的頻率和占空比，再通過后級(jí)的頻率選擇電路和光耦隔離與驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)輸出頻率、占空比和幅度可調(diào)的PWM信號(hào)。此外，人機(jī)接口采用鍵盤和LCD顯示，通過RS 232串口進(jìn)行通信后，由PC機(jī)實(shí)現(xiàn)。



2 信號(hào)產(chǎn)生與控制電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)要求產(chǎn)生頻率在O～25 000 Hz之間占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，采用PWM控制芯片SG3525可以很方便地產(chǎn)生頻率和占空比獨(dú)立可調(diào)的PWM信號(hào)，但由于SG3525在150 Hz以下頻率極不穩(wěn)定，因此需要將信號(hào)分為兩個(gè)頻率段進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中低頻段為O～200 Hz，采用AD9851作為信號(hào)發(fā)生器，高頻段為200～25 000 Hz，采用SG3525作為信號(hào)發(fā)生器。
2．1 低頻段PWM信號(hào)產(chǎn)生電路
    AD9851是高集成度的直接數(shù)字頻率合成器，該器件頻帶寬、頻率與相位均可控。其主要組成為：相位累加器、相位相加器、波形存儲(chǔ)器、數(shù)字相乘器和D／A 轉(zhuǎn)換器?；竟ぷ鳛椋涸诓蓸訒r(shí)鐘信號(hào)的控制下，通過由頻率碼控制的相位累加器輸出相位碼，將存儲(chǔ)于只讀存儲(chǔ)器中的波形量化采樣數(shù)據(jù)值按一定的規(guī)律讀出，經(jīng) D／A轉(zhuǎn)換和低通濾波后輸出正弦信號(hào)。
    低頻段信號(hào)產(chǎn)生電路如圖2所示，設(shè)計(jì)電路中，AD9851外接30 MHz有源晶振作為參考頻率源。單片機(jī)與AD9851采用高速并行接口工作方式，以AT89C55的引腳P1．0～P1．7作為AD9851的并行數(shù)據(jù)輸入端口，P2．O，P2．1，P2．2作為I／O口輸出數(shù)據(jù)對(duì)AD9851的RESET，F(xiàn)Q_UD，W_CLK進(jìn)行控制。AD9851輸出頻率可變的方波送到單片機(jī)外部中斷INT0，P2．3為低頻PWM信號(hào)輸出端口。單片機(jī)具體輸入方式為：有效復(fù)位信號(hào)RESET使輸入數(shù)據(jù)地址指針指向第1個(gè)輸入寄存器，W_CLK上升沿寫入第1組8位數(shù)據(jù)，指針指向下一個(gè)輸入寄存器。連續(xù)5個(gè)W_CLK上升沿完成全部40位控制數(shù)據(jù)的輸入。此后WCLK信號(hào)上升沿?zé)o效。FQ_UD上升沿到來時(shí)這40位控制數(shù)據(jù)由輸入寄存器寫入頻率，相位控制寄存器，更新輸出頻率和相位，同時(shí)把地址指針復(fù)位到第1個(gè)輸入寄存器，等待下一組新數(shù)據(jù)的寫入。

    AD9851首先通過IOUT引腳輸出頻譜純凈的正弦信號(hào)，輸出經(jīng)外部無源低通濾波后，由引腳VINP進(jìn)入AD9851內(nèi)部高速比較器，最后由引腳 VOUTN輸出得到穩(wěn)定性很好的方波。將方波引入單片機(jī)外部中斷引腳，中斷設(shè)置為下降沿觸發(fā)，將單片機(jī)端口P2．3設(shè)置為低頻PWM信號(hào)輸出端。如圖3所示，P2．3口輸出頻率與INT0一致，占空比可調(diào)的矩形波。


    具體控制占空比過程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)進(jìn)入外部中斷之后，將P2．3置高電平，延時(shí)一段時(shí)間t，再將P2．3置低電平。這樣P2．3口就輸出占空比q％=t／T的矩形波，通過改變延時(shí)t就能改變占空比，延時(shí)函數(shù)如下：
  
    單片機(jī)晶振為12 MHz時(shí)，此函數(shù)延時(shí)8c μs，假設(shè)AD9851輸出頻率為f的方波送給INT0，例如需要產(chǎn)生占空比為q％的矩形波，則滿足如下關(guān)系：

    因此延時(shí)時(shí)間t=delay(1 250q／f)時(shí)，即可由P2．3口輸出頻率為f，占空比為q％的矩形波。需要注意的是，如果頻率很高，T很小，因?yàn)檠訒r(shí)函數(shù)t延時(shí)8μs整數(shù)倍，所以占空比控制精度將會(huì)無法保證，頻率越高，精度越低。由于本設(shè)計(jì)低頻率段在0～200 Hz范圍內(nèi)，AD9851送給外部中斷引腳的方波周期比較大，因此采用上述方法可以比較精確地控制q在O～100內(nèi)變化，輸出比較理想的頻率占空比獨(dú)立可調(diào)的低頻PWM信號(hào)。
2．2 高頻段PWM信號(hào)產(chǎn)生電路
    SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全、通用性強(qiáng)的單片集成脈寬調(diào)制控制器，由于它簡(jiǎn)單可靠及使用方便靈活，大大簡(jiǎn)化了控制電路的設(shè)計(jì)及調(diào)試。因此選擇SG3525作為本設(shè)計(jì)的高頻PWM信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生200～25 000 Hz的PWM信號(hào)。
    高頻段PWM信號(hào)產(chǎn)生電路如圖4所示。單片機(jī)通過兩路D／A轉(zhuǎn)換之后產(chǎn)生兩個(gè)模擬電壓信號(hào)，分別用于控制SG3525的占空比和頻率。通過控制調(diào)頻三級(jí)管 Q1的基極電壓Ub來調(diào)節(jié)SG3525的2腳Non上的電流大小，達(dá)到控制SG3525輸出PWM頻率的目的。通過改變控制三級(jí)管Q2的基極電壓Ub來調(diào)節(jié)SG3525的6腳RT上的電流大小，達(dá)到控制SG3525輸出PWM占空比的目的。本設(shè)計(jì)中把SG3525的11腳、14腳與12腳接地，讓PWM脈沖由13腳VC輸出，這樣既保證了13腳的輸出與鎖存器的輸出一致，而且又輸出頻率占空比獨(dú)立可調(diào)PWM信號(hào)。此外，由于輸出頻率和占空比分別與控制它們的兩路模擬電壓信號(hào)為線性關(guān)系，所以軟件實(shí)現(xiàn)也很方便。



3 頻率選擇電路
    需要將低頻段與高頻段PWM信號(hào)結(jié)合才能得到完整頻率段PWM信號(hào)，因此需要進(jìn)行頻率選擇，本系統(tǒng)的頻率選擇電路如圖5所示。首先將兩路 PWM信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，低頻段PWM信號(hào)通過74LS00和上拉電阻即可實(shí)現(xiàn)TTL電平，在高頻段由于SG3525輸出幅值為12 V，因此需要5 V穩(wěn)壓管降低幅值，再由74LS00和上拉電阻輸出TTL電平。通過單片機(jī)控制單片集成模擬開關(guān)MAX318來實(shí)現(xiàn)頻率的選擇，這里選用常開腳NO作為開關(guān)的輸入，公用端COM作為輸出信號(hào)。通過IN腳的真值來切換開關(guān)狀態(tài)，分別通過單片機(jī)I／O端口P2．3和P2．4控制，當(dāng)IN邏輯真值為0時(shí)，斷開NO端，當(dāng)邏輯真值為1時(shí)，導(dǎo)通N0端。同一時(shí)刻只能有一個(gè)芯片的IN腳為高電平，另一個(gè)必須為低電平，否則會(huì)使兩路信號(hào)發(fā)生串?dāng)_。

4 光耦隔離與驅(qū)動(dòng)電路
    PWM控制電路與驅(qū)動(dòng)電路之間需要進(jìn)行電氣隔離，以消除主電路對(duì)信號(hào)發(fā)生電路的干擾。PWM信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)電流太小，不能直接驅(qū)動(dòng)功率放大管，而且無法調(diào)整輸出PWM電源輸出的幅度，由此設(shè)計(jì)了光耦隔離與驅(qū)動(dòng)電路。電路如圖6所示，PWM作為整個(gè)電路的控制信號(hào)，經(jīng)過光耦隔離放大后再由兩級(jí)開關(guān)三極管來控制主電路的通斷，在電磁閥上產(chǎn)生頻率和占空比可變的PWM脈沖信號(hào)，同時(shí)單片機(jī)通過D／A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一路可變的模擬電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過電壓負(fù)反饋電路以穩(wěn)定輸出電壓幅度，再通過連續(xù)幾級(jí)射級(jí)跟隨器以增大輸入電流以驅(qū)動(dòng)功率管，通過改變輸入電壓就可以改變施加在電磁閥上的PWM電壓幅度，實(shí)現(xiàn)幅度在0～36 V之間任意設(shè)置。



5 結(jié)語(yǔ)
    設(shè)計(jì)的用于模擬汽車電磁閥工作狀態(tài)的PWM電源，通過矩陣鍵盤和LCD實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，通過單片機(jī)處理數(shù)據(jù)來控制PWM波的頻率、占空比和幅度，所有對(duì)電源要求的數(shù)據(jù)都可以通過鍵盤傳送給單片機(jī)，并且通過LCD實(shí)時(shí)顯示。單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)來模擬電磁閥的實(shí)際工作狀態(tài)，可以對(duì)汽車電磁閥在各種工作狀態(tài)下的質(zhì)量要求進(jìn)行檢測(cè)，保障電磁閥出廠前的質(zhì)量。該電源運(yùn)行穩(wěn)定、精度高，目前已成功應(yīng)用到汽車電磁閥的生產(chǎn)企業(yè)，為企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，為我國(guó)電磁閥的出口做出了貢獻(xiàn)。