【集创赛】arm杯一等奖作品：智能BLDC驱动系统

本次推荐2020年集创赛arm杯的一等奖作品！赛题要求实现"基于 Arm 处理器核的智能化 SoC 设计",下面是他们的作品介绍！ 

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Arm杯-基于Arm处理器的智能化SoC设计挑战赛赛题

杯赛题目：基于 Arm 处理器的智能化 SoC 设计
参赛要求：A组、B组
赛题内容：
利用Arm Cortex-M3 DesignStart处理器在限定的可编程逻辑平台上构建片上系统，实现信号的采集和处理（信号类型不限，可以是音视频、医电、环境等）。设计并在Arm SoC中实现专门的硬件加速器以提高和优化系统的性能，实现系统对信号的智能处理和分析，要求系统具有创新性、实用性和一定的市场前景。

团队介绍

参赛单位：电子科技大学
队伍名称：ILWT
指导老师：黄乐天
参赛队员：杨欣程、刘悦多、包镕新
总决赛奖项：一等奖

项目简介

BLDC具备较低的运行噪声，较高的功率密度，极高的效率和极高的可靠性。但是，它需要复杂的外电路实现转子位置检测。

BLDC显著的缺点

1.不够稳定和智能：多数方案利用单片机作为控制器，使用定时器和中断实现换相
2.内核效率低下：CPU的内核时间大量被中断处理过程占用，效率很低
3.运行状态不可知：用户无从得知电机运行的转速、温度、功率等信息

本作品基于Arm Cortex-M3处理器搭建了以智能 BLDC 驱动为核心的SoC平台，克服市面上电子调速器只能控制电机而不能回传数据，自适应调节的缺陷，制作智能BLDC控制器。使用BLDC驱动硬件加速器对电机进行全阶段的控制，并自动处理堵转异常，防止电机烧毁，从而让CPU能够有更多空闲时间从事其他的工作，提升电机驱动的稳定性和CPU的利用率。另外，通过独立加速器，看门狗，default slave等SoC层面的稳定性设计，加强系统整体稳定性。

作品创新点

• 1.系统稳定性增强设计

• 2.自适应 PWM 频率调节

• 3.独立运行/嵌入运行

• 4.参数回传和人机交互

功能介绍

• 1.转向设置

• 2.自动重启动

• 3.异常警告

• 4.异常运行保护功能

• 5.PWM自适应调节

• 6.独立运行/子系统

• 7.友好的人机交互

作为子系统运行使用的上位机界面

系统构成

• SoC架构

• 软硬件功能划分

硬件模块：

1.BLDC全过程驱动
2.LCD8080并口驱动
3.随机数生
4.数码管动态刷新
5.蜂鸣器鸣叫
6.矩阵键盘控制
7.UART发送和接收
8.脉宽捕获
9.电压与电流采集
10.温度传感器读数

软件模块：

1.运行UCOSⅢ操作系统
2.运行遗传算法
3.任务调度
4.初始化各个外设
5.配置寄存器
6.进行堵转异常处理
7.处理UART数据
8.处理矩阵键盘数据
9.LCD数据可视化

工作流程示意图

• SoC外围电路部分

示意图

1.脉冲发生电路
2.MP2307开关电源
3.半桥驱动电路
4.NMOS功率管
5.过零检测电路
6.电压与电流采集电路
7.实时时钟
8.保护电路

加速器设计

• 原理分析

1.三相BLDC没有传统直流电机的换向器，必须以特定的方式按顺序通电来产生旋转磁场。
2.对于无感（没有转子位置传感器）BLDC，6步换相不需要使用ADC电路，成本较低，可靠性高。
3.由于开关噪声，振铃现象，EMI兼容问题等，需要使用噪声抑制算法来消除。

加速器结构

稳定性设计：
自主运行
影子寄存器
硬件堵转保护
纳秒级响应速度

功能性设计：
定义初始化序列
自动重启动设置
正反转设置
堵转警告
转速监测

辅助外设

• 真随机数生成器

1.遗传算法需要经过变异运算，才能更好的求解出全局最优值。M序列随机数发生器能够使变异过程更具随机性。
2.TRNG的seed由RTC产生，进一步增强了数据的随机性.RTC也可以用于显示系统当前时间。

使用MATLAB绘制TRNG产生的5000个连续数据点

• 驱动加速器

1.LCD驱动加速器：提高LCD刷新速率
2.全双工UART：提高UART发送速率
3.通用定时器：自动脉宽捕获（具备毛刺抑制功能）
4.ADC接口：自动读取ADC数据
5.温度传感器接口：自动读取温度和传感器状态
6.矩阵键盘驱动器：自动行扫描，消抖
7.数码管驱动器：自动动态刷新数码管

参赛感受

无刷永磁直流电机（BLDC）是一种随着半导体器件的发展而兴起的电机。BLDC具备较低的运行噪声，较高的功率密度，极高的效率和极高的可靠性。因此，BLDC常常用于高端的家用电器、无人机、电动汽车和工业制造等领域。

我们参加了全国大学生集成电路创新创业大赛的Arm杯赛，收获颇丰。在亲手设计外设，搭建SoC和外围系统的过程中，我们踩过了数字逻辑设计的坑，模拟电路稳定性的坑，进行了反复的计算与测试确保系统的可靠性和完整性。在校赛中我们未得到评委老师的认可，没有获得任何奖项，但是我们未曾放弃对专业知识的热爱，未曾放弃对电路设计的执着，我们相信，只要方向正确，付出总有回报。

分赛区比赛中，我们作为Arm杯赛唯一晋级的本科组，赛程更加紧张。由于我们的团队在数字电路设计能力上相比外校基础薄弱，无法取得压倒性的优势，我们规划了3个技术路线，分别针对作品功能，演示效果和技术先进性。我们突破了疫情的障碍，前往校外设备齐全的实验室进行技术攻关，最终在系统功能性，稳定性与演示效果上达到了空前的水准，制作了功能完善的SoC，实现了自我超越。

最后，感谢指导老师黄乐天给以我们全面的方向指引，并对我们的改进方向做出了充分肯定，感谢学院领导给予我们的支持，感谢比赛组委会为我们提供了自我提升的机会。也希望同学们能够不仅仅局限于考试，而是多和老师沟通，去探索主动发展的无限空间！

开源的工程：https://github.com/BAO-Rongxin/Intelligent-BLDC-driver

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