魏杰
（中航工业北京青云航空仪表有限公司，北京100086）
摘要：该系统使用处理芯片TMS320F28XX为控制器，完成对电流控制值、反馈采样值的D/A、A/D转换，从而实现电流数字闭环控制系统，同时借助DC/DC恒流、恒压调整器LT3596完成功率驱动。可实现0~240 mA范围内电流的高精度控制，适用于受环境温度变化范围较大的恒流控制电路。
关键词：数字信号处理器；恒流源；D/A转换；反馈
中图分类号：TN86文章编号：1006 - 2394( 2016) 05 - 0044 – 03
0引言
带自反馈电路的闭环控制恒流源，可应用于数字控制系统、航空航天及测量等领域，可提升整体控制系统控制精度，具有良好的环境适应性。以往由分离器件设计实现的恒流电源，多采用MOS管、电压调整器等，在环境温度发生变化时，通常无法保证输出电流的稳定性，同时电路设计复杂，占用空间较大，不利于电路的小型化、集成化。
本系统设计使用的硬件资源为控制器TMS320F28XX及其控制器自带的外设功能接口A/D采集模块、SPI接口模块；控制算法占用内存空间小，也可由中断子程序设计实现；同时，选用的串行接口的数模转换器件AD7249、稳流功率器件LT3956也具有体积小、精度高等特点，整体设计可以应用于较大系统的稳流模块。
1恒流控制系统的控制原理
该恒流源设计的工作原理如图1所示，分为处理器控制模块、模拟量输出模块、功率驱动模块以及电流反馈采集模块等。
处理器由外围接口接收预定电流值，通过内部控制解析发送相应的串行通信数据到D/A转换电路，输出模拟量控制调节稳流功率电路，稳流功率电路的控制端口与输出的电流存在正比关系，从而控制负载电流。当负载或外界环境发生变化时，稳流功率模块自身可以形成闭环进行调节，但是否符合精度要求以及是否仍可满足预定电流值可以由电流反馈电路进行监控，由处理器进行闭环调节。对负载进行电流采样，经过运算放大器调理，输入处理器A/D采集接口，从而可以监控负载电流。
在控制运算中进行滤波，比较反馈值与预定电流值，根据差值进行控制运算，在预定周期内输出D/A量进行调节，从而形成闭环控制。2硬件设计原理
2.1控制模块设计
DSP芯片TMS320X281x对于D/A芯片的控制采用自带的SPI外设接口，它按主从方式进行工作，以处理器为主机，D/A芯片为从机。其中，CS信号控制从机芯片是否被选中，当D/A芯片接收到CS信号为低电平芯片时即为选中状态，与主机建立连接之后，处理器通过负责通信的三路信号完成通信，即由SCK提供时钟脉冲，MOSI和MISO基于此脉冲完成数据的发送和接收，在与D/A芯片交联中只需使用SPI的串行发送功能。
2.2 D/A电路设计
处理器对功率驱动模块的速度控制信号约为0～2V的模拟信号，在电路中采用AD7249芯片，更新速率为125 kHz。
该芯片与处理器的SPI部分接口，将12位CMOS数字信号转换为模拟信号，处理器的发送时钟SCLK、输出时钟信号连接AD7249的时钟信号SCLK，数据输出口MOSI连接AD7249数据输入端口SDIN，帧同步信号SPISTEA连接D/A同步信号SYNC，通用数据接口GPIO连接数据载人信号LDAC、清零信号CLR以及芯片的数据格式选择信号B/C。
2.3稳流功率模块设计
依照原理电路图2所示，输入电压经过滤波电容C1给芯片供电，LT3956启动工作，内部开关MOS管供电电源开启，经过电感L1、C5将高频脉冲电压传输到L2输出端，在L2输出端外接有整流二极管D3和滤波电容C6，高频脉冲电压经过整流滤波后产生稳定的输出电压，经电流检测电阻R8进行功率输出。
其中，电阻R9、R10连接芯片的电压闭环反馈引脚FB，芯片内部的运放用于检测输出电压，当输出电压高于设定值时，芯片内部改变MOS管的开关占空比，使输出电压降低；电流检测电阻R8连接芯片ISP引脚和ISN引脚，用于检测负载电流，当负载电流大于或小于设置电流时，R8两端电压经芯片内部误差放大器比较处理后改变MOS管的开关占空比，从而保证输出电流的恒定。
模块内部芯片2.0 V基准电压经过电阻R3、R4、R5分压为芯片CTRL引脚设置一个稳定的电压VCTRL，从而决定芯片ISP引脚和ISN引脚间检测电压的比较
电阻，二极管D2用于温度补偿。根据二极管的温度特性，D2结压降随温度不同而发生变化，使芯片CTRL引脚电压也可根据不同温度产生跟随，该设计可以补偿负载在不同温度下阻抗产生的变化，从而保证了输出电流I0在温度变化时基本保持不变。
2.4反馈电路设计
电流采集电路将采样电阻的电压经多级调理放大，使其有效值在0～3V之间，即可实现处理器A/D模拟量信号的采集，从而可以实时监控负载实际电流变化。
3软件程序设计
3.1外部接口控制寄存器配置
依据DSP使用手册配置适用于本系统的SPI接口特性：
1)设置SPI为主机模式，将控制寄存器SPICTL的MASTER/SLAVE位置为1；
2)配置SPI波特率，通过对SPIBRR的配置，LSPCLK为DSP的低速外设时钟频率，可设置波特率为1 MHz；
3)配置SPI时钟，通过对SPICCR寄存器的CLOCK POLARITY位和CLOCK PHASE位确定SPI的时钟特性，配置SPICLK没有数据发送时，SPICLK处于高电平，SPI在SPICLK信号下降沿发送数据，在SPICLK信号上升沿接收数据；
4)配置SPI接口的发送和接收FIFO，将SPIFFTX寄存器的SPIFFEN位配置启动SPI的FIFO功能。
依据DSP使用手册配置适用于本系统的ADC接口特性：
1)配置ADC接口的时钟频率和采样频率，通过ADC寄存器ADCTRL3的第0~3位配置分频，寄存器ADCTRL1的ACQ_PS位和ADCCLK位设置分频数，不对时钟进行2分频；
2)配置ADC模块的工作方式，本系统选择ADC工作于双序列发生器模式下的顺序采样，此时，序列发生器SEQ1的优先级高于SEQ2，配置转换的通道数量为16个通道；
3)选择启动／停止模式，当序列发生器完成一个序列的转换时，序列发生器的状态指针就停在当前转换状态，需手动复位序列发生器，等待下一次转换的启动。
3.2控制程序设计
程序开始运行后，首先对系统的变量、中断及外设模块等进行初始化，然后进入一个主循环，在循环内执行输入解析、通信处理及故障处理。其中，输入解析的任务是将接收到的电流控制指令解析为模拟量数据控制D/A转换芯片；故障处理是根据输入量及系统的工作状态进行故障判断，并输出故障状态信息；通信处理的任务是实现与上位机之间的通信，互相交换数据信息、实时电流信息以及系统状态信息。主程序流程图见图3。
主程序执行过程中，当中断发生时则会自动调用中断服务子程序，中断结束后返回主程序。设置定时中断，中断时长为50μs，进入中断首先调用A/D采样程序，采样后需进行数字滤波以防止干扰；接下来检查采样完成标志是否有效，如果无效则设置故障标志，退出中断；如果有效则读入采样，根据采样值对系统工作的温度环境进行综合判断，通过PID算法调节程序对给定值和电流采样值进行计算，并将计算结果作相应处理后送人SPI模块，从而产生模拟量变化值并退出中断。
4测试结果分析
在室温条件(25℃)下，负载阻值为106 Ω，设定电流为90 m A。随着环境温度在0~80℃范围内进行变化，观测负载阻值成负线性变化，负载阻值变化区间为(109~ 89)Ω，实际测量电流如表1所示。
5结束语
本设计采用成熟的芯片电路，集成度高，稳定性能更加优于以往采用的由大量分立器件组成的稳流电路。由于使用了数量较少的集成芯片，提高了本系统的环境适应能力，可以满足0~ 80℃较大温度变化范围。
同时，由于本系统复用了处理器、DA等电路的部分功能，稳流功率器件体积小、集成度高，并且时间响应性要求低，可以作为更大型控制系统中的稳流模块进行使用。
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