本系統中核心板采用6層板設計。在硬件設計中，多層板主要用來降低硬件設計成本，縮小電路板的面積。由于核心板上擁有DDR2內存，屬于高速電路，因此內存電路是核心板設計的重點和難點。核心板的硬件結構如圖2所示。由圖可見，處理器外掛兩條內存，兩條內存共享處理器的時鐘線、數據線和地址線，為了保證系統穩定性，兩條內存到處理器的走線采用T型連接設計，并且等長布線。為了避免對高速電路的影響，晶振應避開高速電路，盡可能的靠近處理器的時鐘引腳。電源管理模塊負責對核心板上所有器件的供電管理。

2.2 底板設計

本設計中底板采用2層板設計，底板上主要包括了外圍設備接口、數模信號轉換模塊和插槽，外圍接口電路包括系統復位電路、串口電路、SD卡接口電路、LCD觸摸屏接口電路、USB接口電路、電源開關電路和用戶自定義按鍵，底板上的接插槽作為接口與核心板連接，底板的系統結構框圖如圖3所示。數模轉換模塊主要由高精度數模轉換芯片組成，使用串行接口連接。底板上所有部件接口引腳均連接至接插槽上，通過插槽與核心板連接，這樣有利于后期功能的擴展和系統的裁剪，同時有效的降低了開發成本。

3 PCB的板級設計與仿真

當完成系統的硬件設計和原理圖繪制之后，開始進行PCB電路板設計，本系統的PCB設計使用Cadence 16.3進行。進行PCB板級設計之前應做好如下準備工作：做好元器件的模型庫和元器件的封裝，設計PCB板。根據前文所述，本系統硬件采用底板加核心板的設計方法，因此要根據實際需求的尺寸分別設計底板和核心板的PCB板，設計板子的疊層，根據需求核心板設置為6層板，底板設置為2層板，之后進行布局和布線操作。由于本系統中內存和處理器之間的電路屬于高速電路，因此需要對內存的時鐘線及數據線進行仿真，來驗證布線的正確性，仿真使用Allegro PCB SI GXL進行。

DDR時鐘線是內存電路中最重要的線路，布線時采用差分對走線。仿真時打開本設計的PCB文件，首先建立DDR時鐘的差分對，之后進行仿真前的參數設定，包括板子的疊層設置、差分阻抗設置、測量差分緩沖延遲及為內存和處理器分別分配SI模型。由于Cadence PCB SI在仿真過程中使用的是DML模型，因此在仿真前需要將器件的IBIS模型進行驗證，沒有錯誤后轉換成DML模型，然后添加到模型庫的路徑之下。在測量差分緩沖延遲時，在處理器模型的引腳列表中找到DDR時鐘的兩個引腳，并進行引腳的耦合設置。上一步完成之后，開始進行內存時鐘差分對的仿真。首先設置互連模型參數，使用SigXplorer PCB SI GXL進行拓撲的提取。打開約束管理器，選中DDR時鐘的差分對，提取其拓撲結構，如圖4所示。

然后對相關仿真參數和差分驅動器激勵進行設置，設置完成后使用無損互連分析對內存時鐘差分對進行仿真。波形的眼圖如圖5所示。

使用如上同樣的方法對內存數據線進行波形圖和波形的眼圖仿真，依據得到的眼圖判定布線是否合理得當，若眼圖較亂則需要調整布線，之后再進行仿真驗證。

4 ARM數字調壓控制系統的軟件設計

ARM數字調壓控制系統使用Linux操作系統，系統應用程序軟件在Qt 4.0環境下開發。系統啟動后自動運行應用程序，其主界面如圖6所示。界面中預置了固定電壓輸出按鈕、步長調節按鈕、微調按鈕、復位按鈕和輸出校對按鈕。程序中提供了兩種不同的步進調節長度，步進可選為1 V或5 V步進。系統啟動后默認為1V步進長度。按復位鍵后輸出電壓被清零。

本系統的軟件流程圖如圖7所示。當使用本系統進行數字調壓控制的時候，首先啟動本系統，待系統正常上電啟動后，系統自動運行控制應用程序，用戶通過可視化的輸入界面選擇需要輸出的電壓值，用戶選擇后應用程序調用底層驅動程序將指令數據傳遞給處理器進行處理，處理器接到調用請求后將指令數據通過同步串行接口發送給數模信號轉換模塊，轉換結果輸出給正弦波調壓模塊以得到所需的電壓值;同時也可通過up、down調節按鈕對輸出電壓進行微調，直到得到理想的輸出值為止。復位鍵用來對調壓模塊進行復位，使得輸出端壓降為0 V。數模信號轉換過程中使用的公式如下：

其中，n為轉換精度，此處等于12;D為二進制指令代碼，12位長度;AVDD為參考電壓值，等于5 V;VOUT為調制輸出電壓值，范圍是0～5 V。

5 實驗結果

對于本系統的測試分兩步進行。首先將家用節能燈泡連接至正弦波調壓模塊的輸出端，檢查連接無誤后打開系統開關，上電啟動系統。首先按復位鍵，將輸出清零，此時燈泡處于熄滅狀態，之后連續按下“up”鍵將看到燈泡逐漸變亮，相反按下“down”鍵燈泡逐漸變暗直到完全熄滅。本步實驗的目的是進行系統的功能驗證，即驗證本系統是否存在調壓功能。本次試驗結束后，將燈泡取下，將振動器連接至正弦波調壓模塊的輸出端，本步實驗的目的是定量測試系統調壓功能是否具有線性特性。同樣方法檢查連接無誤后上電啟動系統，系統啟動后按下復位鍵，將輸出端電壓清零。此時連續按下“up”鍵，使電壓從0 V開始逐漸增大，然后反方向按下“down”鍵，使電壓逐漸減小到0 V，測試過程中使用萬用表測量輸出端電壓和電流，并使用測振儀測量振動器的振動幅度，記錄測量結果。本次試驗反復測量4次，每次記錄37次

結果，將4次測量結果取平均值，并繪制電壓、電流及對應振動幅度的變化趨勢如圖8所示。

6 結論

文中詳細描述了基于ARM的數字調壓控制系統的設計流程及實現方法，并進行了試驗檢測。通過第一步測試證明了本系統對電壓調節控制的有效性，而第二步測試結果的變化趨勢圖表明，輸出端電壓呈明顯線性變化，電流在線性增大到一定數值后變化趨緩。而在電壓、電流的共同影響下振動幅度呈指數上升趨勢變化，由于受到測振儀的測量精度限制，5微米以下振幅變化較緩，敏感度較低，5微米以上振動幅度呈較明顯線性上升變化趨勢。

文中所述的數字調壓控制系統可以實現理想的線性調壓控制，具有調節精度高、速度快、易于操作使用等優點，在后期的改進中仍需要對調節誤差進行控制，使精確度進一步增大。在應用控制軟件上根據實際控制需求進行功能的擴展與優化。