引言

在嵌入式控制系統(tǒng)中，數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）與模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）是實(shí)現(xiàn) “數(shù)字信號(hào) - 模擬信號(hào)” 交互的核心環(huán)節(jié)，廣泛應(yīng)用于信號(hào)調(diào)理、電壓調(diào)節(jié)、小型閉環(huán)控制等場(chǎng)景。對(duì)于低成本、低功耗的小型嵌入式項(xiàng)目而言，選擇適配性強(qiáng)的主控芯片，并結(jié)合簡(jiǎn)潔的外圍電路實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的信號(hào)控制，是兼顧成本與性能的關(guān)鍵需求。

本實(shí)驗(yàn)以 CW32L012 為主控核心，搭建由 10kΩ 電阻與 47μF 電容構(gòu)成的 RC 濾波電路：以 MCU 的 DAC 輸出（Vdac）作為 RC 電路的輸入信號(hào)，采集經(jīng)過(guò) RC 電路平滑后的 ADC 電壓（Vadc），并通過(guò)軟件閉環(huán)控制算法，將 Vadc 穩(wěn)定調(diào)節(jié)至預(yù)設(shè)的目標(biāo)電壓值。

本實(shí)驗(yàn)的開展，不僅可驗(yàn)證 CW32L012 在 “DAC 輸出 - RC 調(diào)理 - ADC 采集 - 閉環(huán)控制” 鏈路中的功能可行性，還可加深PID在控制系統(tǒng)中的運(yùn)用和理解，還能提供一套簡(jiǎn)潔、低成本的模擬信號(hào)閉環(huán)調(diào)節(jié)方案，為小型嵌入式系統(tǒng)中的電壓精準(zhǔn)控制、信號(hào)穩(wěn)定輸出等需求提供實(shí)踐參考。

一、CW32L012C8T6主控

CW32L012 是武漢芯源半導(dǎo)體 (CW) 推出的 32 位低功耗 MCU，基于 ARM Cortex-M0 + 內(nèi)核，主頻高達(dá) 96MHz，集成64KB Flash和8KB RAM，專為需要高性價(jià)比和低功耗的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

1.1核心規(guī)格：

1.2主要設(shè)計(jì)亮點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)景：

完整的信號(hào)鏈集成芯片集成了從模擬信號(hào)采集（ADC）、數(shù)字處理（MCU核心）到模擬控制輸出（DAC和運(yùn)放）的完整鏈路，可以說(shuō)是一顆完整信號(hào)鏈混合信號(hào)MCU。這意味著在工業(yè)傳感器、信號(hào)調(diào)理等場(chǎng)景中，可以減少甚至省去外部的模擬調(diào)理芯片，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并降低成本。

硬件加速提升實(shí)時(shí)性能內(nèi)置的CORDIC和EAU硬件加速單元是關(guān)鍵特色。在電機(jī)控制、數(shù)字電源等需要快速進(jìn)行三角函數(shù)、開方、除法運(yùn)算的實(shí)時(shí)控制場(chǎng)景中，這些硬件單元能數(shù)十倍地提升計(jì)算速度，減輕CPU負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)更高效的控制算法。

兼顧性能與低功耗基于M0+內(nèi)核和低功耗工藝，芯片支持Sleep和DeepSleep等低功耗模式。在DeepSleep模式下，功耗可降至微安(μA)級(jí)別，非常適合電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、便攜式儀器等應(yīng)用。

二、實(shí)驗(yàn)硬件及接線

2.1硬件與原理圖：

2.2硬件接線：

CW32L012主控板PA4--->RC濾波電路Vadc

CW32L012主控板PB0--->RC濾波電路Vdac

CW32L012主控板GND--->RC濾波電路GND

CW32L012主控板PA9--->串口模塊的RX

CW32L012主控板PA10--->串口模塊的TX

完整接線如圖：

三、實(shí)驗(yàn)軟件

3.1項(xiàng)目框圖：

按鍵：作為人機(jī)交互輸入單元，用于設(shè)置目標(biāo)電壓值,Kp，Ki，Kd；

Vdac：CW32L012 的 DAC 外設(shè)輸出端，是 RC 濾波電路的輸入信號(hào)源；

CW32L012：系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)接收按鍵指令、驅(qū)動(dòng) DAC 輸出 Vdac、采集 Vadc 反饋信號(hào)、運(yùn)行閉環(huán)控制算法，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳、在 LCD 屏幕顯示狀態(tài)；

Vadc：RC 濾波電路的輸出端，作為 CW32L012 的 ADC 采集輸入，提供電壓反饋信號(hào)；

LCD 屏幕：實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)電壓、當(dāng)前 Vadc 實(shí)際值、Kp，Ki，Kd，輸出電壓Vdac等參數(shù)，直觀呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

串口：用于將目標(biāo)電壓、當(dāng)前 Vadc 實(shí)際值發(fā)送到上位機(jī)觀察波形，直觀感受數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。

3.2閉環(huán)控制框圖：

通過(guò)按鍵或者程序給系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)目標(biāo)電壓值，然后PID計(jì)算實(shí)際與目標(biāo)值之間的偏差，將計(jì)算結(jié)果作用到DAC模塊輸出電壓作用到RC電路的輸入端，此時(shí)RC電路的輸出端電壓會(huì)產(chǎn)生變化，再用ADC實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出端的實(shí)際電壓，重復(fù)進(jìn)行上述流程，實(shí)現(xiàn)RC電路輸出端電壓的閉環(huán)控制。

3.3內(nèi)部電壓跟隨器：

內(nèi)部運(yùn)算放大器的使用：

為了降低IO口的輸出阻抗，這里使用了CW32L012的內(nèi)部運(yùn)算放大器，并將產(chǎn)生DAC電壓的IO口PB1接到了運(yùn)放的同相輸入端，將PB0接到了運(yùn)放的輸出端口，然后將其初始化為電壓跟隨器模式。

void OPA1_Init(void)
{
        __SYSCTRL_GPIOB_CLK_ENABLE();
        __SYSCTRL_OPA_CLK_ENABLE();
        AFx_OPA1OUT_PB00();
        OPA_InitTypeDef OPA_InitStr;
        OPA_InitStr.Bias=OPA_BIAS_1UA_36US;
        OPA_InitStr.InputN=OPA_INPUT_NONE;
        OPA_InitStr.InputP=OPA_INPUT_INP3;
        OPA_InitStr.PgaGain=OPA_PGA_GAIN2;
        OPA_InitStr.WorkMode=OPA_WORKMODE_FOLLOWER;
  OPA_Init(CW_OPA1,&OPA_InitStr);
        OPA_Start(CW_OPA1);
}

3.4 PID控制算法：

在這個(gè) Vdac-Vadc 的電壓閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)中，選擇了增量式 PID：

減少電壓波動(dòng)

實(shí)驗(yàn)中，輸出的執(zhí)行器是DAC，其數(shù)字量范圍為0~4095，并且將新的數(shù)字量寫入DHR寄存器后，若無(wú)新值寫入，DAC會(huì)持續(xù)輸出上一次所寫數(shù)字量對(duì)應(yīng)的電壓，即執(zhí)行器具有保持功能，所以在此基礎(chǔ)上選擇了增量式PID，將每次的計(jì)算結(jié)果加上上一次的輸出作為最終輸出，這樣DAC變化更平滑，電壓波動(dòng)小。

避免積分飽和

位置式 PID 需要持續(xù)累積積分項(xiàng)，若目標(biāo)電壓（設(shè)定值）突變（比如按鍵修改設(shè)定值）或偏差長(zhǎng)期存在，易出現(xiàn)積分飽和（積分項(xiàng)過(guò)大導(dǎo)致控制量超出 DAC 輸出范圍），進(jìn)而引發(fā) Vdac 輸出跳變、Vadc 超調(diào)嚴(yán)重。增量式 PID 的輸出是 “控制量的變化量”，無(wú)積分項(xiàng)的累積，天然避免了積分飽和問(wèn)題，調(diào)節(jié)過(guò)程更平緩，適配電壓穩(wěn)定控制中 “小步長(zhǎng)、低超調(diào)” 的需求。

匹配 Vdac 的小范圍調(diào)節(jié)特性

實(shí)驗(yàn)中，Vdac 的調(diào)節(jié)目標(biāo)是讓 Vadc 穩(wěn)定在設(shè)定值（屬于小范圍、連續(xù)的電壓校正），增量式 PID 輸出的 “調(diào)節(jié)增量” 剛好適配這種場(chǎng)景 —— 每次僅微調(diào) Vdac 的輸出值，避免 Vdac 大幅跳變導(dǎo)致 RC 電路的電壓變化跟不上，能讓 Vadc 更平滑地趨近設(shè)定值。

#define Error_Scale 15
uint16_t pid_control(void)
{
        static float out_last=0;
        set_pid_para();//更新pid參數(shù)
        temper_pid.err=Error_Scale*(temper_pid.target-temper_pid.actual);//誤差縮放指定倍數(shù)再進(jìn)行計(jì)算
        temper_pid.out=temper_pid.Kp*(temper_pid.err-temper_pid.err_last)+
                       temper_pid.Ki*temper_pid.err +
                       temper_pid.Kd*(temper_pid.err-2*temper_pid.err_last+temper_pid.err_last_last);
        // 更新誤差歷史（前2次 → 前1次，前1次 → 當(dāng)前）
        temper_pid.err_last_last = temper_pid.err_last;
        temper_pid.err_last =temper_pid.err;        

        float temp=out_last+temper_pid.out;
        temp=(temp>DAC_MAX)? DAC_MAX:temp;//輸出限幅
        temp=(temp

	

	四、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

	4.1 屏幕：與屏幕對(duì)應(yīng)的變量含義：

	

	

	4.2 按鍵：

	按鍵1（左）：對(duì)光標(biāo)所選中的參數(shù)進(jìn)行加操作

	按鍵2（中）：對(duì)光標(biāo)所選中的參數(shù)進(jìn)行減操作

	按鍵3（右）：切換光標(biāo)選擇的內(nèi)容

	

	

	4.3 串口：

	使用VOFA+軟件連接串口，CW32會(huì)將設(shè)定、實(shí)際電壓（放大十倍），Kp，Ki，Kd幾個(gè)參數(shù)打印到上位機(jī)，顯示波形

	

	4.4 PID參數(shù)整定：

	4.4.1 P參數(shù)整定：

	將 I D設(shè)為0，P設(shè)為10，輸出響應(yīng)小，達(dá)不到控制目標(biāo)

	

	將 I D設(shè)為0，P增大到40，輸出響應(yīng)略微超調(diào)，仍達(dá)不到控制目標(biāo)

	

	將 I D設(shè)為0，P增大到45，輸出響應(yīng)略微超調(diào)，仍達(dá)不到控制目標(biāo)，此時(shí)P參數(shù)整定完畢

	

	4.4.2參數(shù)整定：

	將 D設(shè)為0，P設(shè)為45，I設(shè)為20，引入積分消除靜差，此時(shí)積分作用小，靜差消除慢

	

	將 D設(shè)為0，P設(shè)為45，I增大到50，增強(qiáng)積分作用，，靜差消除快，I整定完畢

	

	4.4.3 D 參數(shù)整定：

	引入微分作用后會(huì)造成震蕩，并且本系統(tǒng)超調(diào)和震蕩并不嚴(yán)重，可以不引入微分作用

	

	

	所以這里將D設(shè)定為0，D參數(shù)整定完畢

	總結(jié)

	本次基于 CW32L012 的 Vdac-Vadc 電壓閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)，以 “10kΩ+47μF”RC 電路為信號(hào)調(diào)理單元，結(jié)合增量式 PID 算法實(shí)現(xiàn)了 Vadc 對(duì)設(shè)定電壓的穩(wěn)定跟蹤；而通過(guò)上位機(jī)波形實(shí)時(shí)觀測(cè)與手動(dòng) PID 參數(shù)整定的實(shí)踐，更直觀地驗(yàn)證了 PID 三參數(shù)的核心作用，完整串聯(lián)了硬件架構(gòu)、算法選擇與參數(shù)調(diào)試的實(shí)驗(yàn)鏈路。