描述
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<h3 style="line-height:1.8;">*1、项目功能介绍</h3>
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<p>本项目为基于RA4M2主控的数控双向Buck-Boost负载试验电源，核心思路是通过单级四开关拓扑实现能量在电源与负载间的双向流动与自动回馈，显著降低外部直流电源的供电压力。装置能够模拟短路、断路、电机反灌等极端工况，并将负载消耗的能量通过升降压环路回馈至输入侧，实现节能与环保。通过16-bit ADC+12-bit DAC数字控制与硬件选环PWM调制技术，系统兼具高精度测试、实时监测和高效能量利用，适用于实验教学、科研验证和工程应用。</p>
<h3 style="line-height:1.8;">*2、项目属性</h3>
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<p>项目类别：电力电子与能量变换系统<br>主控平台：瑞萨RA4M2系列微控制器（ARM Cortex-M33）<br>控制方式：16-bit ADC采样 + 12-bit DAC硬件选环 + PWM双向调制<br>通信方式：串口调试、I²C OLED本地显示、预留CAN/RS485上位机接口<br>应用场景：实验教学双向电源平台、能量回馈测试仪、节能型负载模拟器</p>
<h3 style="line-height:1.8;">*3、开源协议</h3>
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<div>项目采用 GNU General Public License v3.0（GPL 3.0）：</div>
<div>可自由使用、修改、分发</div>
<div>衍生项目须以 GPL 3.0 继续开源</div>
<div>保留原作者版权信息</div>
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<h3 style="line-height:1.8;">*4、硬件部分</h3>
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<p>本系统硬件由主控单元、数控电源模块、辅助电源模块、信号检测与保护模块及显示通信模块组成。主控采用瑞萨 RA4M2 微控制器，该芯片基于 Arm® Cortex®-M33 内核，主频 100 MHz，支持 TrustZone 安全架构与硬件加密引擎（SCE），在保证控制精度的同时具备较高的系统安全性与抗干扰能力。RA4M2 通过 FSP 框架实现外设灵活配置，并利用 SPI、I²C、ADC、PWM 等接口完成对数控电源模块的实时控制与数据采集。</p>
<p>数控电源模块作为系统的能量执行单元，在 RA4M2 的控制下实现输出电压、电流的闭环调节。主控通过 PWM 信号控制功率级的 MOSFET 驱动（IR2104 等器件），实现 DC-DC 或 DC-AC 变换过程。系统内置霍尔电流传感器与分压采样电路，对输入与输出端参数进行实时监测，采样信号经 ADC 转换后用于电压、电流环控制及保护判断，从而实现稳态输出与能量回馈的精确调节。</p>
<p>辅助电源模块输入范围宽（18–75 V DC），输出稳定 12 V，用于为驱动芯片、继电器及风扇等提供电源，并通过降压电路获得 5 V 及 3.3 V 电压，分别供给 RA4M2 主控及信号检测单元。模块采用隔离式设计，具备较好的 EMC 抗扰能力和高转换效率，保证整个系统的可靠供电。</p>
<p>为提升系统的安全性与可维护性，硬件设计中加入了过流、过压及短路保护电路，并配备 OLED 显示屏与串口通信接口，用于实时显示电压、电流、功率及状态信息。经实测，系统在电压突变与负载变化情况下均能保持稳定运行，输出波形无明显畸变，验证了整体硬件设计的可靠性与动态响应性能。</p>
<h3 style="line-height:1.8;">*5、软件部分</h3>
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<p>系统软件基于瑞萨 FSP（Flexible Software Package） 框架进行分层设计，整体采用模块化、实时化的嵌入式架构。软件主要由 系统初始化层、信号采样层、控制算法层、执行输出层、UI显示层与通信交互层 六大功能模块组成，确保程序的高可移植性与稳定性。</p>
<p>在系统启动阶段，主程序在 <code>hal_entry()</code> 中完成 FSP 驱动初始化，包括 ADC、DAC、PWM、GPT定时器、UART、I²C(OLED) 等外设的配置与校准。初始化完成后，程序进入主循环，通过 非阻塞调度机制 周期性执行“采样 → 运算 → 设定 → 刷新”闭环流程。核心任务由 GPT 定时器中断 提供精确定时触发，以保证控制周期的确定性和数据处理的实时性。</p>
<p>以下为 RA4M2 主循环参考代码片段：</p>
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<div><code>while(1)
</code></div>
<div><code>{
</code></div>
<div><code> adc_v = adc_read(&adc0_ctrl, ADC_CHANNEL_VOUT);
</code></div>
<div><code> adc_i = adc_read(&adc0_ctrl, ADC_CHANNEL_IOUT);
</code></div>
<div><code> power = adc_v * adc_i;
dac_val = pid_calc(&pid_power, target_power, power);</code></div>
<div><code> dac_write(&dac0_ctrl, dac_val);
oled_float(0, 0, adc_v); // 电压显示
</code></div>
<div><code> oled_float(1, 0, adc_i); // 电流显示
</code></div>
<div><code> oled_float(2, 0, power); // 功率显示
</code></div>
<div><code> uart_send_frame(&uart0_ctrl, adc_v, adc_i, power);
</code></div>
<div><code>}</code></div>
</div>
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<p>PID 控制算法采用位置式结构，辅以积分分离与抗积分饱和机制，在动态调节中兼顾响应速度与稳态精度。控制量输出至 12-bit DAC，经数控电源模块实现模拟电压设定；同时硬件比较器与三角波调制电路承担纳秒级快速保护，使系统具备“软件精细控制 + 硬件快速保护”的双层安全闭环。</p>
<p>在显示与通信部分，OLED 实时显示关键电参（电压、电流、功率），UART 模块则周期性发送采样数据，便于上位机监测与调试。系统支持命令行协议解析，可通过串口发送参数指令，实现目标电压、电流、功率等设定的在线修改。</p>
<p>软件工程基于 Renesas e² studio + GCC 编译环境，支持 J-Link 下载与 Live Watch 实时变量监控。源代码结构清晰、注释完善，便于教学演示与二次开发。整体软件在保持高实时性与鲁棒性的同时，具备良好的扩展性，可方便移植至其他 RA 系列微控制器或功率控制系统中。</p>
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<h3 style="line-height:1.8;">*6、BOM清单</h3>
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<p style="line-height:1.8;">R7FA4M2AD3CFL#AA0（RA4M2 Cortex-M33）<br>IR2104S（半桥驱动）<br>IR3205N（TO-220 55 V/110 A）<br>LMV358（轨到轨运放）<br>LM393（双比较器）<br>INA199B1DCKR（50 V/V 电流检测）<br>SSD1306 OLED 0.96"（I²C接口）<br>TPS5430DDAR（15-33 V→13 V 3 A降压）<br>78M05（13 V→5 V线性稳压）<br>AMS1117-3.3（5 V→3.3 V LDO）<br>SS54肖特基二极管（5 A防反接）<br>12 V工业隔离电源模块（18-75 V输入，15 W）<br>电解电容470 µF/63 V（输入&输出滤波）<br>多层陶瓷电容100 µF/25 V×4（高频去耦）<br>NTC 10D-9（浪涌抑制）<br>磁珠600 Ω@100 MHz（数字-功率地隔离）<br>精密电阻0.1 % 1/4 W（采样分压网络）<br>多圈电位器3296W 10 k（三角波偏置调节）<br>旋转编码器EC11（带按键）<br>轻触开关6×6×5 mm×4（ON/OFF/SET/RES）<br>铝合金散热片+绝缘垫片+TO-220螺丝套件<br>PCB接线端子KF301-2P-5.0 mm×6<br>排针/排母2.54 mm若干<br>M3铜柱+螺丝包（主板与散热片固定）</p>
<h3 style="line-height:1.8;">*7、大赛LOGO验证</h3>
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<p style="line-height:1.8;"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/SYVVMKVZQA80mfZjq7WRsDNjfk7Mpn2jayllKwZR.jpeg" alt="" width="515" height="386"></p>
<h3 style="line-height:1.8;">* 8、演示您的项目并录制成视频上传</h3>
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<p style="line-height:1.8;">立创电赛：《基于瑞萨RA4M2的数控电源》-整体工程测量演示</p>
<p style="line-height:1.8;">请在工程视频文件中查看</p>
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