基于STM32数字式火花激发光源控制系统设计

吴亚平，于力革

（江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122）

基于STM32数字式火花激发光源控制系统设计

吴亚平，于力革

（江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122）

针对传统火花激发光源系统激发频率固定的问题，提出了一种频率可调数字式火花激发光源控制系统。系统以STM32F103芯片为控制核心，利用片内定时器调节输出脉冲占空比、频率，设计了全桥逆变及其驱动电路。实验表明该系统具有控制脉冲输出稳定、激发频率连续可调等优点，有一定推广价值。

火花激发光源；PWM；STM32F103；驱动信号

火花激发光源是光电直读光谱仪重要组成部分，激发光源具有使试样蒸发、解离、原子化、激发、跃迁产生光辐射的作用。光电直读光谱仪的主要技术指标如准确度、精密度和检出限等很大程度上取决于所使用的激发光源［1］。

光电直读光谱仪常用激发光源有直流电弧光源、交流电弧光源、电火花光源及电感耦合高频等离子体光源（ICP）4种［2］。其中，直流电弧光源激发能力低，激发时易产生自吸收，不易进行难激发元素分析；交流电弧光源稳定性好可用于难激发元素分析，但检测限较差；电感耦合高频等离子体光源具有检测限低，精密度、准确度高等优点，但仪器价格昂贵，维持费用较高，一般用于分析溶液试样；电火花光源是原子发射光谱中常用光源之一，具有强激发和强电离能力，有利于对难激发元素分析［3］，且具有放电稳定，重现性好，激发谱线自吸收小等优点。上述4种光源，电火花光源对样品检测优点突出，但由于硬件结构限制，放电频率一般固定，或者只选择两三种，无法针对不同材料样品灵活调整，因而检测精度难以提高。为解决问题，开发一种频率连续可调的电火花光源激发系统已经成为一种必然。本文提出的数字式火花激发光源可实现激发频率连续可调，扩大了检测样品的范围，与传统火花激发光源相比检测精度更高，而且具有功耗低、稳定性等特点。

1　系统总体设计

数字式火花激发光源系统框图如图1所示。

图1　数字式火花激发光源系统框图

系统采用模块化设计，由激发控制电路、整流逆变电路、高压点火电路、氩气控制电路等组成。其中，控制电路通过接收上位机发出的控制信号，控制各电路模块正常工作；整流逆变电路将输入电压经过逆变、升压、整流后得到500VDC，供高压点火电路和脉冲形成网络使用；高压点火电路采用高能预燃技术产生15 KV电压将分析间隙电离，在样品和分析间隙之间形成一个供脉冲形成网络放电的通道；氩气控制电路控制氩气冲洗，在分析间隙间形成氩气保护气氛；脉冲形成网络在放电通道形成后激发样品，产生火花；阻尼二极管可防止点火期间15 KV高压脉冲反串，对电路起保护作用。

系统运行分为冲洗、预燃和曝光3个阶段。冲洗阶段，操作者通过上位机发出冲洗指令控制氩气冲洗样品表面并在分析间隙内形成氩气控制氛围。预燃阶段，待氩气控制氛围形成后，发出预燃信号，整流逆变电路将输入24 V直流电逆变为交流电，经升压整流后得到500 V直流电，再经点火电路二次升压、整流，最终输出15 kV高压脉冲到达分析间隙电离待测样品表面。曝光阶段，当待测样品表面被电离后，脉冲形成网络500 V充放电电容开始放电，激发电离后的原子产生火花，从而完成一次样品激发［4］。

2　系统硬件设计

2.1控制电路设计

控制电路实际上是一个系统参数设置和实时电压采样控制系统。控制电路由主控芯片及其外部JTAG调试口、复位按键、晶振电路、BOOT设置以及LED显示等组成。

系统主控芯片采用的是意法半导体公司生产的STM32F103微处理器。STM32F103微处理器采用高性能ARM Cortex-M3内核，工作频率为72 MHz，采用三级流水线并带分支预测功能从而保证其性能发挥。该处理器具有丰富的硬件资源：64K字节Flash存储器和20K字节SRAM、多达51个快速I/O端口、2个12位模数转换器、16个外部输入通道、7个定时器，最多可生成24路独立PWM信号。供电电压2.0～3.6 V［5］。

STM32F103系列微处理器具有3个通用定时器以及1个高级控制定时器，可输出互补PWM波。本系统利用微处理器TIM3通用定时器编程生成四路互补 PWM波驱动MOSFET全桥逆变电路，配合12位高精度D/A模块精确控制输出电压，降低系统对硬件电路要求，减小系统设计复杂度，提高系统可靠性，缩短开发周期。

2.2电源模块设计

系统中电源模块是电路关键组成部分，是系统正常工作的基础。本系统供电为24 V直流电源供电，各电路模块需要的不同电压通过相应电源转换芯片转换后得到［6］，电源模块设计如图2所示。

图2　电源转换电路

LM2576S-5.0电压转换芯片将输入24 V直流电压转换得到5 V电压对通信电路进行供电，电感、电容组成LC回路对输出电压进行滤波，二极管D6起到续流作用。

ASM1117-3.3电压转换芯片将5 V转换为3.3 V为控制电路供电。二极管D1为3.3 V输出指示灯。

MOSFET全桥逆变驱动芯片TC4427所需电压由24 V直流电源直接供电。IGBT半桥逆变驱动芯片HCPL3120所需15 V电压由金升阳电源隔离模块B2415-2W转换得到。

2.3通信电路设计

RS485串口通信以其可靠性高、传输距离远、抗干扰能力强等特点得到广泛应用。因此系统选择RS485串口实现STM32F103单片机与上位机通信，通过高速光耦合器6N137来消除工业现场电磁干扰对通信功能的影响，采用最高传输速率可达2.5 Mbps半双工通信芯片MAX1487实现TTL电平与485电平转换。RS485通信电路如图3所示。

图3　串口通信电路

2.4驱动电路设计

控制芯片STM32F103生成的四路PWM波，由于其电压过小不足以直接驱MOSFET开关管，因此全桥逆变前需加前级驱动电路。本文采用驱动芯片TC4427对PWM驱动信号进行隔离、放大，来驱动MOSFET开关管，全桥逆变驱动电路如图4所示。

图4　全桥逆变驱动电路

2.5逆变电路设计

逆变电路采用全桥逆变得到预燃和曝光所需电压。STM32F103定时器输出PWM波经前级驱动电路放大后，用以驱动MOSFET。

数字式火花激发光源工作时，为保证控制电路复位期间全桥逆变驱动端及时关闭，在MOSFET栅极输入端加有上拉和下拉电阻。当逆变电路工作在高速开关状态，为防止过电压对器件损害，在开关管漏极与源极间加有RCD吸收电路，对开关管起保护作用［7］，MOSFET全桥逆变电路如图5所示。

图5　MOSFET全桥逆变电路

2.6采样电路设计

采样电路主要对逆变电路输出电压进行采样，采样得到的端电压经光耦隔离输入电压比较器LM393，电压比较器输出值送入STM32F103芯片A/D引脚，在单片机内部通过增量式PID控制算法进行电压调节实现稳压目的［8］，采样电路如图6所示。

图6　采样电路

由于主控芯片工作电压为0～3.3 V，因此采样电路输出电压不能高于3.3 V。为防止电压过高，在输出电压端加有3.3 V稳压二极管，同时电容起到滤波作用，提高系统信号精度和稳定性。

3　系统软件设计

本控制系统软件采用C语言编写，在STM32F103控制芯片中采用模块化设计，实现系统初始化、ADC采样、PWM生成等功能，便于调试和移植。控制系统软件主要包括以下模块。

3.1系统初始化模块

系统初始化模块是STM32F103控制芯片上电之后最先执行的程序，其目的是保证主程序按照预定方式执行。系统初始化模块包括时钟初始化、中断初始化、芯片各引脚输入输出设置、外扩展单元的检测等。

3.2ADC采样模块

STM32F103控制芯片内部12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器，12位ADC精度满足电压分辨率要求。它有多达18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源，转换速率最大可达1 MHz，满足系统采样周期的要求。

采样模块首先对ADC进行初始化，然后启动ADC采样，定义数组存放电压采样结果，对信号采样经移位还原后送入到数组中。如果设定的ADC中断发生，则转到中断服务子程序，对采集到的数据进行分析、处理，完成对电压采样。

3.3PWM生成模块

PWM生成模块是系统软件的重要组成部分。PWM（Pulse Width Modulation）是一种通过处理器数字输出对模拟电路进行控制的手段，即对脉冲宽度的调制［9］。

本系统选取STM32F103芯片内部TIM2定时器生成PWM波，PWM波生成原理如图7所示。

当定时器内部CNT寄存器计数值小于CCRx寄存器预设值时，IO口输出低电平，当CNT寄存器计数值大于CCRx预设值时，IO口输出高电平，当CNT寄存器计数值等于ARR寄存器预设值时，计数器归零然后重新向上计数，依次循环，最终输出PWM波。通过控制定时器内部寄存器CCRx、ARR数值，可对输出PWM进行占空比、周期调节，从而实现调频调压的目的［10］。

图7　PWM生成原理

生成PWM波的具体步骤如下：

1）TIM2定时器设置，包括初始化TIM1定时器，设置时钟预分频，设置寄存器ARR、PSC、CCRx参数等。

2）设置TIM2定时器四路通道工作模式，使能定时器各通道输出。

3）通过“TIM_Cmd（TIM2,ENABLE）”语句使能TIM2定时器，输出四路PWM波。

部分代码如下：

void time_init（void）

｛TIM_TimeBaseInitTypeDef

TIM_TimeBaseStructure；

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure；

TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInitStructure；

RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_TIM2, ENABLE）；//开定时器2外设时钟

//定时器2配置720分频，频率500Hz，向上计数

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=199；

//设置ARR重新装载寄存器数值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=719；

//设置定时器1时钟预分频数值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=0；

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode= TIM_CounterMode_Up；//定时器2工作在向上计数模式

TIM_TimeBaseInit（TIM2,&TIM_TimeBaseStructure）；

//定时器2初始化

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1

//设置定时器2输出为PWM1模式

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState= TIM_OutputState_Enable；//比较输出使能

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState= TIM_OutputNState_Enable；//互补输出使能

TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=100；

//占空比为50%

3.4实验结果

通过逻辑分析仪实际测到STM32F103定时器1四通道脉冲控制信号输出波形如图8所示。

图8　控制信号输出波形

由图中可以看出，STM32F103定时器四通道输出频率为500Hz占空比为50%的控制信号。通过改变寄存器值可实现调节频率占空比的目的。STM32F103输出的控制信号经过MOSFET驱动电路放大后对逆变器进行精确控制从而保证数字式火花激发光源正常工作。

4　结束语

本文介绍了基于STM32F103芯片数字式火花激发光源控制系统的设计，系统采用低功耗STM32F103芯片进行PWM波脉宽调制，相比传统火花激发光源可实现激发频率连续可调，在一定程度上扩大了火花激发光源适用范围。实验结果表明该控制系统能够满足设计要求，可作为模块化电路集成到数字式火花激发光源中。随着光电直读光谱仪系统不断发展，数字式火花激发光源将有更高的应用价值和更广的市场前景。

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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稿件编号：201507148

吴亚平（1990—），男，江苏高邮人，硕士研究生。研究方向：控制工程及应用。