【应用】基于32位单片机的超声波电源设计

时间： 2017-01-21 来源：豆丁网（世强编辑整理）

技术问答

——256K FLASH，32K RAM，内置16bit定时器、12bit精度ADC，让超声波更稳定

【摘要】超声波电源均采用单片机控制主要用作数据采集和运算处理、电压电流调节、PWM信号生成、系统状态监控和故障自我诊断等，一般作为整个电路的主控芯片运行，完成多种综合功能。本文主要介绍基于EFM32WG单片机的超声波电源设计及其在该应用中的主要作用。

超声波电源现状介绍
超声波是一种频率高于20KHz的声波，因其频率下限大于人的听觉上限而得名。它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。

近些年来随着电力电子器件逐步向高频发展，电力电子电路的控制也向着更高频率、更低功耗和全数字化的方向发展。超声波现在全部都是采用芯片来控制。从数字化控制技术来区分一般有三种形式：采用单片机控制、采用DSP控制以及采用FPGA控制。本文主要介绍采用单片机控制方式。

采用单片机控制
主要用作数据采集和运算处理、电压电流调节、PWM信号生成、系统状态监控和故障自我诊断等，一般作为整个电路的主控芯片运行，完成多种综合功能。配合D/A转换器和MOSFET功率模块实现脉宽调制。另外，单片机还具有对过流、过热、欠压等情况的中断保护以及监控功能。单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷，通过数字化的控制方法，得到高精度和高稳定度的控制特性，并可实现灵活多样的控制功能。但是，单片机的工作频率与控制精度是一对矛盾，而且处理速度也很难满足高频电路的要求。

而SILICON LABS推出的32位单片机EFM32WG能够很好的解决传统单片机的上述矛盾。由于本文是EFM32WG系列在超声波中的应用，后面提到的控制部分均采用单片机控制。而功率部分可根据实际对所产生超声波的频率和耐压值要求，采用VDMOS(场效应管）IGBT等功率器件，以及半桥、全桥、推挽等电路。

超声波电源的应用原理

超声电源的作用是为超声加工系统提供一定频率、一定功率的振荡信号。超声波发生器通电后，将50Hz的交流电转化为超声频的电振荡，换能器将超声频的电振荡转化为超声频的机械振动，如下图流程。

图1：超声波电源的应用原理流程图

超声波电源系统大致可以分为六个部分：电源，控制系统、功率放大、换能器、电流采样、有效值及相位检测。

图2：超声波电源系统

电源：

对输入的交流电，进行整流滤波成直流电，然后提供给部分器件作为工作电源。

控制系统：

输出PWM，根据反馈的数据，调整PWM,设置死区时间，电路保护等。

功率放大：

功率器件组所需的波形电路。

换能器：

电能转化成机械振动器件。

采样：

对输出正弦波相位和电流采样。

有效值和相位检测：

对采样的数据值进行一定的过滤处理，也可由控制系统来完成。

控制系统可根据设置的输出正弦波的频率和幅值进行PWM输出，功率放大部分被PWM驱动之后，产生高频的正弦波的电能，换能器得到高频正弦波产生超过2khz的震动，从而产生超声波。为了保证稳定频率输出，控制系统需要对输出进行了采样，根据采样相关数据对PWM输出进行调整。

EFM32WG230F256介绍：

图3：EFM32WG230资源图

图4：EFM32WG230F256介绍

图5：EFM32WG230F256介绍

EFM32WG230F256在超声波电源的应用

图6：基于EFM32WG230F256的超声波电源

EFM32WG在超声波电源系统应用中主要实现以下工作。
EFM32WG功率驱动：
1）EFM32WG230F256内置256K大容量FLASH，可需预先写入数十种不同频率的驱动波形绘点，可根据按键设置不同超声波频率，以拓宽超声波的应用范围。

2）配置16bit的定时器可产生两路PWM输出，可驱动半桥功率电路。

3）通过DMA通道配置，将flash内的波形图的数值和PWM缓存区连接器，快速的刷新PWM输出，可使输出的波形更平滑。

EEM32WG采样部分：
EFM32WG230F256的ADC采用精度为12bit。选取两路进行采样电流和相位的数值，MCU根据这些数据判读是否有过压，过流，波形变形的问题现象。

EFM32WG控制处理：
1）处理按键请求，对输出波形切换、开关机、系统配置进行响应和配置。

2）异常监控，对输出过压，过流，波形变形进行监控和对电路的保护。

3）显示，通过SPI驱动LCD显示屏，就当前状态以及系统配置状态进行显示。

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全部评论（2）

用户41008251 Lv4 资深工程师 2018-07-01

超声波有方案或者DEM0
- Marvin1_世强回复：不知道您需要将超声波方案应用到哪种应用，世强有超声波水表方案，详情请参考https://www.sekorm.com/news/2862.html。
  查看全部2条回复
zdr69909057 Lv8. 研究员 2018-09-13

好芯片

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