專利名稱：一種基于arm嵌入式系統(tǒng)的高壓脈沖發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于ARM嵌入式系統(tǒng)高壓脈沖發(fā)生器。
背景技術(shù)：
高壓脈沖電場(chǎng)(PEF)滅菌技術(shù)是當(dāng)前食品滅菌領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。高壓脈沖 電場(chǎng)處理系統(tǒng)主要由五部分組成，高壓脈沖發(fā)生器、食品處理室、冷卻系統(tǒng)、 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、排氣及輸送系統(tǒng)。液態(tài)食品作為電解質(zhì)經(jīng)排氣后由輸送管道輸送到 液態(tài)食品處理室中進(jìn)行高壓脈沖處理。處理室中有放電電極，電極兩端接高壓 脈沖發(fā)生器，高壓脈沖發(fā)生器輸出高壓脈沖時(shí)，放電電極放電，在處理室中形 成了高壓脈沖電場(chǎng)，該電場(chǎng)可有效的殺死液態(tài)食品中的病菌。在滅菌的同時(shí)冷 卻系統(tǒng)通過水冷、空冷等方法冷卻處理室及其內(nèi)部被處理食品的溫度，嚴(yán)格控 制被處理食.品的溫升。在整個(gè)食品處理過程中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過一系列傳感器實(shí) 時(shí)監(jiān)控處理室內(nèi)部的溫度，脈沖電壓強(qiáng)度，液態(tài)物料的流速等，用戶可以在上 位機(jī)上看到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，若有異常情況，可以在相應(yīng)的環(huán)節(jié)上做出調(diào) 整，保證整個(gè)處理過程的正常進(jìn)行。
早在1967年Hamilton和Sale就開始探索PEF滅菌。此后國內(nèi)外學(xué)者在對(duì) PEF的滅菌機(jī)理、對(duì)微生物的形態(tài)影響、對(duì)食品的質(zhì)量影響以及影響PEF滅菌 效果的因素等各個(gè)層面做了大量的研究工作，取得了一系列寶貴的理論基礎(chǔ)。 研究人員對(duì)牛奶、蘋果汁、桃汁、橙汁、桔汁、菠蘿汁、蛋清液等液態(tài)食品進(jìn) 行了 PEF處理，研究了 PEF對(duì)革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、大腸桿菌、酵 母菌、乳酸菌、霉菌等病菌滅菌效果的影響，得到了很多滅菌的最優(yōu)處理數(shù)據(jù) 和結(jié)論。理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，利用PEF技術(shù)滅菌是完全可行的，而且滅菌 效果顯著，具有很強(qiáng)的應(yīng)用的推廣價(jià)值。與傳統(tǒng)的巴氏滅菌法相比，高壓脈沖 電場(chǎng)滅菌以其高效、短時(shí)、非熱、低耗能、無污染的優(yōu)點(diǎn)成為國際食品工業(yè)的 一個(gè)研究熱點(diǎn)。美國、日本等國家已投入了大量的人力物力對(duì)其研究，并取得 了不錯(cuò)的成果。但在國內(nèi)，關(guān)于PEF滅菌的研究尚處在起步階段。
雖然PEF滅菌技術(shù)在食品滅菌領(lǐng)域潛力巨大，但仍有許多技術(shù)問題需要解 決，其中作為整個(gè)系統(tǒng)核心的高壓脈沖發(fā)生器是目前PEF滅菌技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化 應(yīng)用的最大瓶頸。因此，設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定的、可靠的、具有最佳處理效果的高壓 脈沖發(fā)生器顯得猶為重要。目前國際上公認(rèn)的具有最佳滅菌效果的脈沖是高頻
雙極性的方波脈沖。研究發(fā)現(xiàn)方波脈沖的寬度越小，滅菌后液態(tài)食品的溫升越
??；脈沖的電壓強(qiáng)度度越大，滅菌效果越好，但會(huì)造成相應(yīng)的溫升。因此選擇 好合適的處理參數(shù)能取得最優(yōu)的滅菌效果，既能達(dá)到滅菌的標(biāo)準(zhǔn)又能使食品的 溫升最小。IGBT器件以其開關(guān)速度高、電壓型驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)功率小、飽和壓降低 且可耐高電壓和大電流等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的電力半導(dǎo) 體器件。其硬開關(guān)頻率達(dá)25KHz，軟開關(guān)頻率可達(dá)100KHz。而新研制成的霹靂 型(Thunderbolt)型IGBT，其硬開關(guān)頻率可達(dá)150KHz，諧振逆變軟開關(guān)電路 中可達(dá)300KHz。選擇好合適的IGBT器件，則用IGBT全橋逆變電路可以產(chǎn)生 完全滿足高壓脈沖電場(chǎng)滅菌需求的高頻脈沖。
高壓脈沖的脈寬也是PEF滅菌的關(guān)鍵參數(shù)。隨著脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)、嵌 入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。人們開始擺脫經(jīng)典的 PWM模擬控制電路，開始研究以嵌入式系統(tǒng)控制PWM。嵌入式技術(shù)是近年來 日漸普及的電子技術(shù)，其產(chǎn)品體積小、功耗低、處理能力強(qiáng)，在工控領(lǐng)域發(fā)揮 著越來越重要的作用。其中，ARM處理器采用RISC結(jié)構(gòu)，資源豐富，運(yùn)算速 度快，可移植實(shí)時(shí)多任務(wù)的操作系統(tǒng)，并且性能高、功耗低、成本低。利用嵌 入試芯片(S3C44B0X)的定時(shí)器0， 1,可直接組成的雙極性PWM發(fā)生器，精 確控制高壓脈沖產(chǎn)生的脈沖寬度。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于為高壓脈沖電場(chǎng)(PEF)滅菌提供一種基于ARM嵌 入式系統(tǒng)的高壓脈沖發(fā)生器，利用該高壓脈沖發(fā)生器可對(duì)液態(tài)處理室中的液態(tài) 食品進(jìn)行滅菌處理。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是-
包括電源電路、IGBT全橋逆變電路、高頻升壓電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、微 處理器、LCD顯示電路、鍵盤、傳感器和存儲(chǔ)器；微處理器分別與LCD顯示電 路、鍵盤、傳感器、存儲(chǔ)器和IGBT驅(qū)動(dòng)電路連接，IGBT全橋逆變電路分別與 電源電路、IGBT全橋逆變電路和高頻升壓電路連接，高頻升壓電路輸出高頻脈 沖信號(hào)。
所述的電源電路由全橋二極管整流電路及LC濾波電路組成；所述的IGBT 全橋逆變電路由V1 V4四個(gè)大功率IGBT組成，每個(gè)大功率IGBT的集電極接 電源電路提供的電源，發(fā)射極接地，柵極接IGBT驅(qū)動(dòng)電路，柵極和發(fā)射極之間 接?xùn)艠O保護(hù)電阻R1 R4，集電極與發(fā)射極之間接放電阻止型緩沖電路，起過壓 保護(hù)作用，逆變后的雙極性脈沖經(jīng)高頻升壓電路升壓后輸出。所述的IGBT驅(qū)動(dòng)電路采用四路Agilent公司的HCPL-316JIGBT門極驅(qū)動(dòng) 光耦合器模塊分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)IGBT，柵壓限幅電路接在驅(qū)動(dòng)電路的末端，直接連 在IGBT的柵極和發(fā)射極之間，以保證柵極與發(fā)射極之間的電壓穩(wěn)定在±20 V。
所述的微處理器選用SAMSUNG公司的基于ARM架構(gòu)的32位微處理器 S3C44B0X,用C語言編程的方法控制兩路PWM脈沖信號(hào)、LCD顯示、鍵盤；
S3C44B0X芯片的PWM定時(shí)器0、 1組成的雙極性PWM發(fā)生器，發(fā)生器 發(fā)出的PWM控制信號(hào)與IGBT的四路驅(qū)動(dòng)電路相連，PWM定時(shí)器0接上橋臂 IGBT管VI、 V3， PWM定時(shí)器1接下橋臂IGBT管V2、 V4， LCD采用 LM057QCIT01液晶模塊，該模塊和S3C44B0X連接完成后，在液晶模塊的6腳 加27V的偏轉(zhuǎn)電壓。
本實(shí)用新型具有的有益效果是
本實(shí)用新型中采用Agilent公司生產(chǎn)的HCPL-316J IGBT門極驅(qū)動(dòng)光耦合器， 其特性為CMOS/TTL兼容，500nS開關(guān)速度，軟IGBT關(guān)斷，集成過流，欠壓 保護(hù)，該模塊可驅(qū)動(dòng)IGBT最高為150A/1200V級(jí)，使高壓脈沖發(fā)生器發(fā)出的雙 極性方波脈沖的脈沖寬度更短。選用SAMSUNG公司的ARM處理器 S3C44B0X，可大大減少外圍電路的設(shè)計(jì)。PWM控制可以在ARM嵌入式開發(fā) 平臺(tái)之上，運(yùn)用C語言編程來實(shí)現(xiàn)。因此可以省去脈沖調(diào)制電路等PWM脈沖 產(chǎn)生電路，極大地簡化了脈沖產(chǎn)生過程。S3C44B0X的嵌入式系統(tǒng)功能強(qiáng)大，可 以充分利用其資源來實(shí)現(xiàn)軟鍵盤。與接觸開關(guān)相比，軟鍵盤的動(dòng)作更加快速， 且需要的CPU更少。該嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)可移植pC/OS-II這一多任務(wù)實(shí)時(shí) 系統(tǒng)，通過這一平臺(tái)即可編寫C程序?qū)WM、 LCD顯示、鍵盤以及存儲(chǔ)器及 傳感器進(jìn)行控制。

圖1是本實(shí)用新型的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本實(shí)用新型的高壓脈沖產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本實(shí)用新型兩路PWM輸出信號(hào)與四路IGBT驅(qū)動(dòng)電路的連接圖。 圖4是本實(shí)用新型液晶模塊LM057QCIT01與S3C44B0X的LCD控制器連 接圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。 圖1是本實(shí)用新型的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。整個(gè)系統(tǒng)的硬件包括電源電路、 IGBT全橋逆變電路、高頻升壓電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、微處理器、LCD顯示電
路、鍵盤、傳感器和存儲(chǔ)器。本實(shí)用新型的嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用^c/os-n多任 務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是一個(gè)免費(fèi)的、源碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式內(nèi)核，可移植性好。
在該操作平臺(tái)上，通過用C語言編寫程序，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)的LCD顯示、PWM 控制、鍵盤操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及傳感器數(shù)據(jù)采集的控制。用S3C44B0X芯片的PWM 定時(shí)器0、 1組成的雙極性PWM發(fā)生器，發(fā)生器發(fā)出的PWM控制信號(hào)與IGBT 的四路驅(qū)動(dòng)電路5相連。PWM定時(shí)器O接上橋臂IGBT管VI、 V3， PWM定時(shí) 器1接下橋臂IGBT管V2、 V4。 S3C44B0X具有8個(gè)存儲(chǔ)體，每個(gè)存儲(chǔ)體可達(dá) 32MB , 總共可達(dá)256MB ; 8個(gè)存儲(chǔ)體中，Bank0 Bank 5支持 ROM\SRAM;Bank6/Bank7支持ROM、 SRAM和SDRAM等，完全滿足數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)。
圖2是高壓脈沖產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)圖。其中1為電源電路，2為全橋IGBT逆 變電路，3為放電阻止型緩沖電路，4高頻升壓電路。電源電路1將220V交流 電經(jīng)二極管全橋整流以及LC濾波后變?yōu)橹绷麟?。直流電?jīng)全橋IGBT逆變電路 2作用為方波脈沖。該方波脈沖經(jīng)過高頻升壓電路4升壓后，可輸入到液態(tài)食品 處理室的兩個(gè)電極上，用于液態(tài)食品的滅菌。高壓脈沖由IGBT直接產(chǎn)生，因此， IGBT全橋逆變電路的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到高壓脈沖的品質(zhì)好壞。電阻R1 R4 分別為4個(gè)IGBT的柵極保護(hù)電阻，防止因柵極回路斷開而導(dǎo)致IGBT損壞。由 于電路中存在分布電感，且IGBT的開斷速度極快，因此當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)及與之 并接的反向恢復(fù)二極管逆向恢復(fù)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電壓Ldi/dt，很可能 會(huì)損壞IGBT管。所以要在IGBT管的柵極與發(fā)射級(jí)之間接放電阻止型緩沖電路 3，放電阻止型緩沖電路的損耗小，適合于IGBT高頻開關(guān)，用于IGBT的過壓 保護(hù)。
圖3 a和圖3 b為兩路PWM輸出信號(hào)與四路IGBT驅(qū)動(dòng)電路的連接圖。4 個(gè)IGBT的柵極分別與四路驅(qū)動(dòng)電路5相連接，驅(qū)動(dòng)電路的核心采用HCLP-316J 驅(qū)動(dòng)模塊。由于IGBT的柵極和發(fā)射極之間的電壓必須穩(wěn)定在士20V，若超出該 電壓，會(huì)威脅IGBT管的安全，因此要在驅(qū)動(dòng)電路的末端加上由兩個(gè)穩(wěn)壓管Z1、 Z2組成的柵壓限幅電路6。IGBT的驅(qū)動(dòng)電路采用Agilent公司生產(chǎn)的HCPL-316J IGBT門極驅(qū)動(dòng)光耦合器，其特性為CMOS/TTL兼容，500nS開關(guān)速度，軟IGBT 關(guān)斷，集成過流，欠壓保護(hù)，該模塊可驅(qū)動(dòng)IGBT最高為150A/1200V級(jí)。 HCPL-316J左邊的VIN+， FAULT和RESET分別與S3C44B0X芯片相連。其中 兩路上橋臂IGBTV1、 V3與PWM輸出信號(hào)0相連，下橋臂IGBTV2、 V4與 PWM輸出信號(hào)1相連，輸出信號(hào)0和1分別指S3C44B0X芯片上的PWM定時(shí)
器0和1。圖中電源+5 V是+15V、 -5V是為HCPL-316J提供工作電壓。4路 HCPL-316J的5號(hào)引腳/RESET和6號(hào)引腳/FAULT分別與微機(jī)S3C44B0X的 I/O 口相連。HCPL-316J的14號(hào)引腳DESAT為過流信號(hào)輸入，當(dāng)IGBT導(dǎo)通并 且超過參考電壓7V時(shí)，F(xiàn)AULT信號(hào)會(huì)在5uS內(nèi)由高變低。6號(hào)引腳/FAULT 為低電平，器件自動(dòng)閉鎖所有輸出，因此可保護(hù)IGBT模塊，同時(shí)向微處理器 S3C44B0X發(fā)出一個(gè)報(bào)警信號(hào)。
圖4為LM057QCIT01與S3C44B0X的LCD控制器連接圖。S3C44B0X和 LM057QCIT01都具有很強(qiáng)的通用性，因此它們的連接容易實(shí)現(xiàn)，但 LM057QCIT01的顯示需要27V偏轉(zhuǎn)電壓，所以需要在S3C44B0X的LCD控制 器LM057QCIT01的接口之間加裝能實(shí)現(xiàn)電壓偏轉(zhuǎn)功能的電路提供電壓。LCD 控制器有20個(gè)引腳，LM057QCIT01有15個(gè)引腳。在連接時(shí)，LCD控制器的引 腳13-17懸空。LM057QCIT01的6號(hào)引腳VSS接由外電路提供的27V偏轉(zhuǎn)電 壓。
本實(shí)用新型的工作過程如下
220V交流電經(jīng)二極管全橋整流以及LC濾波后變?yōu)橹绷麟?。該直流電由VI ， V3兩個(gè)IGBT管的集電極流入，經(jīng)高頻IGBT橋式逆變電路2逆變?yōu)槊}沖寬度、 脈沖個(gè)數(shù)以及電壓強(qiáng)度均可調(diào)節(jié)的雙極性方波脈沖，方波脈沖由高頻升壓變壓 器4升壓后輸出。該脈沖加在食品處理室的兩端電極上，在處理室中產(chǎn)生高壓 脈沖電場(chǎng)，用于食品的滅菌。四路HCPL-316J驅(qū)動(dòng)電路5分別接4個(gè)IGBT的 柵極，在驅(qū)動(dòng)電路中還設(shè)置了柵壓限幅電路6，以保證柵極與發(fā)射極之間的電壓 穩(wěn)定在±20 V。 LCD和鍵盤組成了友好的人機(jī)接口。 LCD用以顯示高壓脈沖的 參數(shù)，而用戶則可通過鍵盤修改高壓脈沖的基本參數(shù)。在基于ARM和pC/OS-II 的嵌入式開發(fā)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，LCD顯示、PWM控制及鍵盤操作可通過簡單的C 語言編程來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可以通過S3C44B0X的RS-232串口通信與PC機(jī)相連， 通過S3C44B0X的一系列I/O還可以控制多種傳感器，根據(jù)用戶的需要采集高 壓脈沖電場(chǎng)滅菌過程中的各種參數(shù)，如處理室的溫度、處理室內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度、 液態(tài)食品的流速、冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷卻介質(zhì)的流速等等，從而使整個(gè)高壓脈沖滅菌 系統(tǒng)更加完善。
權(quán)利要求1、一種基于ARM嵌入式系統(tǒng)的高壓脈沖發(fā)生器，其特征在于包括電源電路、IGBT全橋逆變電路、高頻升壓電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、微處理器、LCD顯示電路、鍵盤、傳感器和存儲(chǔ)器；微處理器分別與LCD顯示電路、鍵盤、傳感器、存儲(chǔ)器和IGBT驅(qū)動(dòng)電路連接，IGBT全橋逆變電路分別與電源電路、IGBT全橋逆變電路和高頻升壓電路連接，高頻升壓電路輸出高頻脈沖信號(hào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM嵌入式系統(tǒng)的高壓脈沖發(fā)生器， 其特征在于所述的電源電路由全橋二極管整流電路及LC濾波電路組成；所述 的IGBT全橋逆變電路由V1 V4四個(gè)大功率IGBT組成，每個(gè)大功率IGBT的 集電極接電源電路提供的電源，發(fā)射極接地，柵極接IGBT驅(qū)動(dòng)電路，柵極和發(fā) 射極之間接?xùn)艠O保護(hù)電阻R1 R4，集電極與發(fā)射極之間接放電阻止型緩沖電 路，起過壓保護(hù)作用，逆變后的雙極性脈沖經(jīng)高頻升壓電路升壓后輸出。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM嵌入式系統(tǒng)的高壓脈沖發(fā)生器， 其特征在于所述的IGBT驅(qū)動(dòng)電路采用四路Agilent公司的HCPL-316JIGBT 門極驅(qū)動(dòng)光耦合器模塊分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)IGBT，柵壓限幅電路接在驅(qū)動(dòng)電路的末 端，直接連在IGBT的柵極和發(fā)射極之間，以保證柵極與發(fā)射極之間的電壓穩(wěn)定 在土20V。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM嵌入式系統(tǒng)的高壓脈沖發(fā)生器， 其特征在于-(1) 所述的微處理器選用SAMSUNG公司的基于ARM架構(gòu)的32位微處 理器S3C44B0X，用C語言編程的方法控制兩路PWM脈沖信號(hào)、丄CD顯示、 鍵盤；(2) S3C44B0X芯片的PWM定時(shí)器0、 1組成的雙極性PWM發(fā)生器，發(fā) 生器發(fā)出的PWM控制信號(hào)與IGBT的四路驅(qū)動(dòng)電路相連，PWM定時(shí)器0接上 橋臂IGBT管V1、 V3， PWM定時(shí)器1接下橋臂IGBT管V2、 V4， LCD采用 LM057QCIT01液晶模塊，該模塊和S3C44B0X連接完成后，在液晶模塊的6腳 加27V的偏轉(zhuǎn)電壓。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于ARM嵌入式系統(tǒng)的高壓脈沖發(fā)生器。微處理器分別與LCD顯示電路、鍵盤、傳感器、存儲(chǔ)器和IGBT驅(qū)動(dòng)電路連接，IGBT全橋逆變電路分別與電源電路、IGBT全橋逆變電路和高頻升壓電路連接，高頻升壓電路輸出高頻脈沖信號(hào)。220V交流電經(jīng)二極管全橋整流以及LC濾波后變?yōu)橹绷麟?。該直流電由兩個(gè)IGBT管的集電極流入，經(jīng)高頻IGBT橋式逆變電路逆變?yōu)槊}沖寬度、脈沖個(gè)數(shù)以及電壓強(qiáng)度均可調(diào)節(jié)的雙極性方波脈沖，最后由高頻升壓變壓器升壓后輸出。用嵌入式ARM處理器可大大減少外圍控制電路，增加控制的精度。利用本實(shí)用新型可對(duì)液態(tài)處理室中的食品進(jìn)行滅菌處理。
文檔編號(hào)A23L3/32GK201207908SQ200820088300

公開日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2008年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月10日
發(fā)明者琳 余, 葉尊忠, 王劍平, 玲 蓋 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)