（通信与信息系统专业论文）空调控制器测试仪的研究.pdf

摘要 摘要 ， ( 空调控制器是轿车空调上的一个核心控制部件，空调控制器测试仪则是空调 控制器生产中必备的重要设备。有关该设备的理论与方法的研究，对于我国汽车 空调控制器的生产以及推动我国轿车工业的国产化具有十分重要的现实意义。本 文针对当前我国该领域研究中的不足 制器测试仪的测试方法和电路设计等 1 空调控制器测试仪的总体分析与设计， 对空调控制器测试仪所采用的测试方法进行了总体分析提出了采用单片机 对整个系统进行控制的思路与总体设计框架。并对各部分的功能和作用以及软件 的总体结构进行了阐述。使用单片机对整个系统进行控制，克服了以往测试速度 慢的缺点，使生产效率明显提高。 2 信号发生器和计数器的设计 提出了多周期同步闸门计数法的测量方案和用分频方法构成信号发生器的 设计思路。f 采用石英晶体作为振荡器用8 2 5 3 芯片分频和计数、组成信号发生 器和计数器，大大减小了输出频率的漂移，并分析了采用多周期同步闸门计数法 的测量精度。使得输出稳定度和测量精度有了进一步的提高。) - 1 厂。 3 标准电阻和电压源的设计 提出了使用x i c o r 公司的新型器件x 9 3 1 2 数字电位器构成标准电阻的设计思 路和由7 13 5 组成的测量电路的校准方法，用d a 转换器0 8 3 2 组成电压源，并 对电路进行了分析。该设计方案消除了由机械开关造成的接触不良等影响。 4 键盘和显示电路的设计 用显示接口芯片8 2 7 9 构成键盘和显示电路，对电路进行了分析。对8 2 7 9 的 应用作了阐述。 关键词：空调控制器测试仪信号发生器计数器标准电阻 凇 腔卜翥鬈 鬻 鹰渐 a b s t r a c t a i rc o n d i t i o n e rc o n t r o l l e ri sc o r ep a r to fc a ra i rc o n d i t i o n e r t h et e s t e ro fa i r c o n d i t i o n e rc o n t r o l l e ri sa ni m p o r t a n te q u i p m e n tf o rp r o d u c t i o no fa i rc o n d i t i o n e r c o n t r o l l e r t h es t u d i e so f t h e o f i e sa n dm e t h o d so nt h ee q u i p m e n th a v ev e r yi m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ec a ri n d u s t r yo fc h i n a t oc o u n t e rt h ed e f i c i e n c i e so f t h e s t u d i e so fc h i n a t h i sp a d e rs t u d i e st h et e s tm e t h o d sa n dc i r c u i td e s i g n so fa i r c o n d i t i o n e rc o n t r o l l e rb a s e do nm o d e me l e c t r o n i c st h e o r y 1 1 1 em a i nc o n t e n ta n d r e s u l t so f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 o v e r a l la n a l y s i sa n dd e s i g no f a i rc o n d i t i o n e rc o n t r o l l e r a no v e r a l la n a l y s i sf o r 血et e s t i n gm e t h o d so f a i r c o n d i t i o n e rc o n t r o l l e ri sd o n ea n d ad e s i g nf r a m eo fu s i n gm i c r o c o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h e s y s t e mi sp r o p o s e d t h e f u n c t i o n sa n ds t r u c t u r e so f e a c hs u b s y s t e ma r ed e s i g n e d t h em e t h o dc a n s p e e d e rt h e t e s t i n gp r o c e s so b v i o u s l y 2 d e s i g no fs i g n a lg e n e r a t o ra n dc o u n t e r at e s ts c h e m eo f c o u n t i n gm e t h o du s i n gs y n c h r o n i s mg a t eo fm u l t i - p e r i o da n da d e s i g nt h i n k i n go f s i g n a lg e n e r a t o ru s i n gf r e q u e n c ys p l i t t i n ga r ep r o p o s e d u s ec r y s t a l a so s c i l l a t o ra n d8 2 5 3t of r e q u e n c ys p l i t t i n ga n dc o u n t i n gr e d u c et h es h i f to f o u t p u t f r e q u e n c yd i s t i n c t l y n et e s t i n gp r e c i s i o no ft h ec o u n t i n gm e t h o di sa n a l y z e d t h e r e s u l ts h o w st h a tt h et e s t i n gp r e c i s i o na n ds t a b i l i t yo fo u t p u ts i g n a la r ei m p r o v e d o b v i o u s l y 3 d e s i g n o fs t a n d a r dr e s i s t o ra n d v o l t a g eg e n e r a t o r a d e s i g nt h i n k i n go fu s i n ga n e w t y p ed e v i c e x 9 3 1 2d i g i t a lp o t e n t i o m e t e rm a d e i nx i c o rc o m p a n ya ss t a n d a r dr e s i s t o ra n dac a l i b r a t i o nm e t h o db a s e do na7 1 3 5 t e s t i n gc i r c u i ta r ep r o p o s e d t h ev o l t a g eg e n e r a t o ri sm a i n l yc o n s i s t so f d ac o n v e r t e r 0 8 3 2 1 1 1 ed e s i g nr e d u c e st h eh a r m f u le f f e c t so nt h es y s t e mb ym e c h a n i c a ls w i t c h 4 d e s i g no f k e y b o a r d d i s p l a yi n t e r f a c e ak e y b o a r d d i s p l a yc i r c u i ti s d e s i g n e du s i n gp r o g r a m m a b l ek e y b o a r d d i s p l a y i n t e r f a c e8 2 7 9 t h ef u n c t i o na n dr e s u l ta r ea n a l y z e d k e y w o r d ：a i rc o n d i t i o n e rc o n t r o l l e rt e s t e r s i g n a lg e n e r a t o r c o u n t e rs t a n d a r dr e s i s t o r 第一章绪论 第一章绪论 1 1研究意义 空调控制器是轿车空调系统上的一个核心控制部件，它根据车厢内的温度和 发动机的转速自动控制空调压缩机的工作状态。由于它的使用，实现了不同工况 下空调系统工作的自动调节，从而对使用空调时轿车的动力性和经济性起着重要 的调控作用。所以对该部件的技术指标和可靠性都有很高的要求。因此我国轿车 中的该部件以前基本上是以进口为主。 以夏利轿车为例9 5 年以前该部件一直由日本进口后来在国家系列 提高轿车国产化率的政策引导下天津汽车公司和天津大学无线电厂共同开发 了夏利轿车空调控制器并指定由无线电厂为夏利轿车配套生产空调控制器。 为汽车公司配套生产空调控制器生产批量大( 3 0 0 0 台月) ，而且对技术参数的 一致性也要求很高。为了生产出满足汽车公司要求的产品，就必须有合适的测 试设备。 而目前国内已有的空调控制器测试设备尚不能满足空调控制器生产过程中 的要求，其主要原因是( 1 ) 调试速度慢，自动化水平低，不能满足大批量生产 的要求：( 2 ) 内部干扰及漂移较大，使测试仪的精度降低造成空调控制器技术 参数的一致性差，甚至指标超差不能满足用户对产品质量的要求。因此，对空 调控制器测试仪的电路和测试方法进行分析和研究提出自动化水平高、足够精 度的测试技术和方法对当前我国汽车空调控制器的生产以及推动我国轿车工业 的国产化具有十分重要的现实意义。 1 2 目前国内现状 目前国内生产空调控制器的厂家有十几个，各个厂家所使用的测试设备主要 是模拟轿车运行中的实际工况产生一个频率信号( 转速) 和一个温度信号( 热敏电 阻) 来测试空调控制器。而空调控制器对这些信号的分辨率也是很高的。其中对 热敏电阻的分辨率可达1q ，而流经热敏电阻的电流是o 5 m a ，则对应电压是5 0 0 “v i 文就说明塑调控件封暑呈内軎b 的眭l 压比率蔓暑呈的由压分辨率大约兵 5 0 0l lv 。对于 第一章绪论 频率信号的分辨率经实测大约是0 0 5 t t z 经空调控制器内部的f v 转换器l b t 2 9 0 7 将频率转换成电压后，其对应的电压分辨率大约也是5 0 0 v 这样对测试设备 输出的精度和噪声就有较高的技术要求。 目前各厂所使用的测试设备主要分为两大类一类是将电阻箱、信号源、电 源、频率计等几台仪器组合在一起而成，用测试线将这些仪器连在一起模拟夏 利轿车的实际工况对空调控制器进行测试。这类测试设备的优点是信号源的输出 频率稳定性高、误差小如天津无线电一厂生产的x d l b 型信号发生器的频率稳 定性为0 1 ，其指标最高的如h g i o i o 型精密信号源，它的频率稳定性是0 0 5 h o 它们的频率误差都在1 。电阻箱的稳定性也很高、输出误差也很小。其稳 定度为0 1 、误差也小于0 1 ( 在1 0 0 0 挡) 。该类测试设备的缺点是连线较 多较长，相互之间的干扰就不可避免，再加上连线稍有不合理之处其干扰就更大。 电阻箱各档位之间转换时会出现短时的空档使电阻出现瞬时的跳变，在手动改变 电阻箱的档位时人体的干扰也进入了空调控制器所有这些干扰信号要大于空调 控制器的电压分辨率几倍甚至几十倍。这样空调控制器的质量及技术指标的一致 性就很难保证。其次用电阻箱和信号源对空调控制器进行测试一小时最多测 l0 台左右，每天只能测试7 0 台左右。这样就很难满足年产十万辆轿车的要求。 另一类测试设备都是各厂自行研制的专用设备，主要由振荡电路和电源电 路组成，振荡电路一般由数字电路或运算放大器构成的多谐振荡器组成，用机 械开关改变电阻获得所需的频率用来模拟夏利轿车的转速信号。温度信号是 用几个机械开关选择不同阻值的电阻来实现。这类测试仪的优点是基本上能满 足产量的要求且相互干扰较小。其缺点一是频率稳定性差，时漂和温漂都不 太好时漂大约是1 h z h 。温漂大约是o 1 h z ：二是由于使用了机械开关， 在测试了几千个后其触点的接触电阻就变大且不稳定，也就是接触不良。由于 接触不良对频率稳定性的影响大约是0 5 h z 一2 h z 左右对温度信号的影响大约 是十几欧姆到几百欧姆，这对空调控制器的质量的影响是很大的。为了保证质 量只好每小时用频率计校准一次输出频率，用繁用表校准一次输出电阻，每测 试两干台空调控制器就把所有的机械开关全部更换，就是这样做每天还有一些 经检验不合格的产品需返工。这样频繁的校准和更换开关不仅耗费人力物力， 而且如果操作者稍有懈怠、人为造成未按时进行校准和更换。就可能造成成批 的产品不合格。 第章绪论 由以上可见，两类测试方法都不能满足空调控制器的质量要求，且智能化 水平低测试结果全靠操作者进行判断，因而产品质量的一致性和生产能力都 很难达到用户的满意。因此提出一种智能化水平高，调试速度快、输出稳定性 和精度足够高的测试技术就非常有必要了。 1 3 本文的主要工作 随着生产的发展和轿车工业的要求，对测试效率高、输出稳定度高的测试 设备的需求就显得越来越突出了，为此我们提出了一种能满足以上要求的测试 技术。并在此基础上研制了x k c 空调控制器测试仪。 为了解决输出信号的稳定性问题，频率输出采用了数字分频的方法来得到 一稳定的输出频率。其稳定度是由晶体振荡器本身的频率稳定度来决定的，其 指标是l o o p p m ，也就是o0 1 ，这就比一般信号源的稳定度高出一个数量级。 标准电阻的输出采用美国x i c o r 公司的新型器件x 9 3 1 2 系列数字电位器来 实现该器件的温度系数是6 0 0 p p m 1 2 ( 最大) ，它使用脉冲计数的方法来改变 其电阻值，这样就避免了机械开关接触不良而造成的误差。 为了提高生产效率，采用8 0 3 1 单片机自动控制整个测试过程对测试结果 自动处理判断出合格与否。因而该测试技术的使用不但可使测试仪的技术指 标稳定性高、干扰小、而且简化了测试过程、提高了生产效率也减少了人为 的误判。使用该项测试技术可达到如下的技术指标： 频率特性： 频率稳定性： o0 5 误差范围： 0 1 1 d i g 电阻特性： 电阻稳定性： 01 1 2 误差范围： 0 1 i d i g 电压特性： 输出范围：0 5 v 误差范围： 0 5 l d i g 第二章空调控制器测试仪的总体分析 第二章空调控制器测试仪的总体分析 2 1 空调控制器技术指标和要求 首先我们把空调控制器的指标和要求了解清楚，现在以夏利轿车所用的空 调控制器为例。这一种是正在生产的三缸发动机的夏利轿车所用的l 型空调控 制器其主要指标如表2 - 1 ： 表2 - 11 型空调控制器技术指标 测试条件电压d c l 3 v + 02 v温度2 5 + 2 发动机电磁关 8 0 0r r a m - + 7 5r m m ( 2 0 h z d ：l8 7 h z ) 转速离合器开 1 2 0 0r r a i n ( 3 0 h z ) 检测状态关一开 4 0 0 一+ ，, o or m m ( 1 0 h z 一* 2 l2 5 5 1 1 - ) 温度空调关4 3 7 7 f t 1 5 0 d ( y c ) 检测开 4 1 6 3 q ( 3 ) ( 热敏电阻等价值)状态关一开 2 1 4 q 8 3 f 2 ( 1 ) 转速调整范围关 5 0 0r m m 一10 0 0r m i n 温度调整范围 关4 8 5 2 q 一3 5 9 0 q 重复性偏差5 其框图如下 温度信号 转速信号 圈2 - 11 型空调控制器框图 由图2 1 可以看出空调控制器将热敏电阻送来的温度信号( 电阻值) 经i c i 放 大后。一路去控制空调继电器另一路去控制电磁离合器来调整发动机的转速， 4 第二章空调控制器测试仪的总体分析 发动机送来的转速( 频率) 信号经i c 2 放大后和i c i 送来的温度信号一同去i c 3 ， 共同控制空调继电器，使空调系统工作在最佳状态。 当温度大于等于3 1 2 ( 4 1 6 3q ) 且转速大于等于1 2 0 0 转分时空调控制器使 空调系统开始工作，当温度小于等于2 o7 5 ( 4 3 7 7 1 5 0 q ) 时或转速小 于等于8 0 0 转分7 5 转分时空调控制器使空调系统停止工作。当温度大于等 于3 ( 4 1 6 3q ) 时电磁离合器吸合将转速提高。 还有一类空调控制器是四缸发动机使用的暂叫4 型空调控制器其温度 指标和上面的空调控制器相同，只是多了两个开关量和一个加速电压，下面仅 介绍一下它的框图： 3 厂 压黯。i tr 压力开关i 1 0l h a c 开关【 | 单片机l ， 一风扇继电器 li 驱动器卜_ + t 6 | 图2 - 24 型空调控制器框图 器 4 提高信号 - 由图2 2 可以看出4 型空调控制器3 脚、1 0 脚、9 脚、1 1 脚分别输入压力 开关信号、a c 开关信号、加速电压信号和热敏电阻送来的温度信号，1 脚输 出一怠速提高信号，1 4 脚、1 6 脚分别去控制空调继电器和风扇电机继电器。当 9 脚加速电压大于35 v , 3 脚压力开关和lo 脚a c 开关合上，1 1 脚热敏电阻送来 的温度信号大于等于4 ( 3 6 9 0q ) 时控制器使空调继电器、风扇电机继电器、 蝇1 调空 器动驱 速一 怠一 一 划 驱 r 二 ，i，叫 毒加 第二章空调控制器测试仪的总体分析 怠速提高信号接通，空调系统开始工作。 当关闭压力开关或a c 开关时，空调继电器、风扇电机继电器、怠速提高信 号断开，空调系统停止工作。当加速电压小于3 5 v + 0 5 v 或热敏电阻送来的温度 信号小于3 c 0 7 5 ( 4 1 6 3q 1 5 0 n ) 时使空调继电器、怠速提高信号断开， 空调系统停止工作。 2 2空调控制器测试仪总体分析 空调控制器测试仪的主要功能是模拟轿车运行时的实际工况，产生开关信 号、电压信号、频率信号和电阻信号等，输出给空调控制器控制器根据这些信 号的变化输出不同的控制信号，空调控制器测试仪收到这些控制信号后根据空 调控制器的技术条件自动判断所测空调控制器的指标和功能符合技术条件的规 定与否。 因而、空调控制器测试仪需产生如下几个输出信号： 一、温度信号：该信号以电阻阻值的形式输出，用以测试空调控制器在温 度变化时的功能状态。根据表1 - 1 可看出空调控制器停止工作时的参数为4 3 7 7 1 5 0 q ，空调控制器从开始工作到停止工作时的参数为2 1 4 8 3 q 。为了确保 产品的质量和一致性我们根据测试电路的精度和所选器件的指标( x 9 31 2 数字 电位器的输出分辨率是1 0 1q ) 把空调控制器的内控指标定为4 3 7 7 2 0q 。2 1 4 6 0 q 。 二、转速信号：该信号是以频率的形式输出，当频率变化时检测空调控制器 是否符合技术条件的要求。由表1 - 1 可见、空调控制器停止工作时的参数为2 0 1 8 7 h z ，空调控制器从开始工作到停止工作时的参数为1 0 ：毯h z 。为了保证产 品质量、减小各参数的离散性，我们把空调控制器的出厂指标定为2 0 0 5 h z 和 1 0 ：h z ，这主要是靠信号发生器的工作原理和计数器的测试方法的精度( 计数 器的测量精度是0 1 ) 来保证。 三、电压信号：该信号以电压的形式输出，用来模拟轿车的加速电压信号检 测空调控制器的工作状态。由表】一2 规定了空调控制器停止工作时的参数为3 5 0 5 v ，为了保证产品质量、减小参数的离散性，根据所选器件的精度( 0 8 3 2 的输出分辨率是o 0 2 v ) ，我们把空调控制器的出厂指标定为3 5 0 2 5 v 四、开关信号：这是一个开关信号，用以模拟压力开关和a c 开关的断开 6 第二蕈空调控制器测试仪的总体分析 和闭合的状态。该信号是一数字量，断开为o v 、闭合为1 2 v 。根据该信号的变 化检测空调控制器的工作状态。 根据以上的分析和空调控制器的技术要求。我们选择的空调控制器测试方法 的总体框图如图2 3 所示： 图2 3 空调控制器测试仪方框图 7 第二章空调控制器测试仪的总体分析 下面把框图所示的各部分的功能和要求分析一下。 一、控制系统：控制电路是由单片机8 0 3l 及其数据存储器6 1 1 6 、程序存储 器2 7 1 2 8 和外围电路组成这部分电路是整个测试仪的控制中心，负责各部分电 路的输入和输出，负责控制输出频率的变化、输出电阻的改变和输出电压的设定， 还控制计数器和测量电路，并根据所测数值和空调控制器的技术指标对各个参数 的变化加以分析和判断，以检测空调控制器合格与否。由于单片机的使用。减小 了人为的误判、提高了检测速度。 二、信号发生器：这部分电路主要是用来产生一个频率信号，它是由可编程 计数器8 2 5 3 及其外围电路组成是由单片机8 0 3 1 控制，采用数字分频的方式产 生一个方波来模拟轿车的转速信号。由于采用数字分频的方式和晶体振荡器， 所以输出的方波信号很稳定，漂移很小。该信号输出到空调控制器用来检测该控 制器对频率信号变化的响应是否符合技术条件的规定。 三，计数器：这部分电路主要是用来对信号发生器的输出频率进行精确的测 量。由于采用数字分频的方式产生输出频率信号，送入8 2 5 3 的计数值不可能整 除时钟频率，其中必然存在着舍入误差和量化误差，因而用计数器精确测出信号 发生器的输出频率来作为指标判定和数据处理的依据。它利用可编程计数器8 2 5 3 的两个计数器和由数字电路组成的可变周期同步闸门，采用可变周期同步计数 法进一步提高了计数精度，为单片机对空调控制器的检测和分析提供了可靠的 数据。 四、标准电阻：这部分电路主要是用来模拟夏利轿车的温度信号而产生一个 电阻信号。为了减小机械开关的接触电阻造成的影响，采用x i e o r 公司的新型器 件x 9 3 1 2 系列数字电位器来组成由单片机8 0 3 1 通过一个接口电路8 2 5 5 进行 控制该信号输出到空调控制器用来检测该控制器对温度信号变化的响应是否符 合技术条件的规定。 五、电压源：这部分电路主要是用来模拟夏利轿车的加速电压信号而产生一 个电压信号。采用0 8 3 2 作为d a 转换，再由运算放大器将电流信号转换为电压 信号输出到空调控制器由单片机控制0 8 3 2 的输出电流值并检测空调控制器的 状态是否符合技术条件的规定。 六、测量电路：用来测量本仪器的输出电阻和输出电压，并将所测数据提供 第二章空调控制器测试仪的总体分析 给单片机作为检测依据对空调控制器的状态进行判断。该电路是由双积分a d 转换器7 1 3 5 及外围电路组成，电阻和电压信号通过模拟开关输入到7 1 3 5 ，单片 机通过8 2 5 5 的接口和713 5 连接进行数据交换。对检测信号进行分析和比较，判 断出空调控制器合格与否。7 1 3 5 的测量精度很高、漂移很小。8 0 3 l 又以7 1 3 5 的 实测值为依据，这样就进一步保证了测试方法的整体精度 七、键盘和显示系统：该电路主要的作用是进行人机交互。采用一种通用的 可编程序的键盘、显示接口芯片8 2 7 9 和一些外围电路组成，通过键盘来控制测 试仪的工作状态，并将检测结果用l e d 显示器直观的表示出来。 图2 - 4 是空调控制器测试仪的实物照片。 图2 4 空调控制器测试仪 2 3 软件的总体设计 根据夏利空调控制器测试仪的特点，我们在对软件的设计上尽量实现模块 化。这样在调试过程中就很方便，出现问题也很容易查找，也使编程变得比较简 单了。 在编程过程中，我们把整个程序分成四部分：准备程序、中断程序、测控程 9 第二童空调控制器测试仪的总体分析 序、通用程序。下面分别加以介绍。 1 准备程序 准备程序主要包括初始化程序和主程序初始化程序主要是对一些地址单元 和寄存器进行清零，把一些扩展芯片如8 2 7 9 、8 2 5 3 等置位成初始状态。 主程序是按照测试仪的特点和工作要求调用各个功能模块和子程序、使仪器 按照程序的指令工作。图2 5 就是准备程序的框图。 2 中断程序 中断程序主要是用来处理键盘输入和7 1 3 5 测量数据处理的程序。当c p u 响 应中断时。采用查寻的方式来判断中断是来自8 2 7 9 还是来自7 1 3 5 。当中断来 自键盘时中断程序根据不同的键值，采用跳转的方式跳转到不同的分支程序， 进行键功能的处理。同时改变内存中的键功能寄存器，瘦主程序根据键功能寄存 器的状态去执行相应的操作。当中断来自7 1 3 5 时，中断程序首先将中断屏蔽 然后将7 1 3 5 送来的数据分别存放在指定的内存中，供数据处理程序进行处理， 然后再打开中断。图2 6 就是7 1 3 5 中断程序的框图。 3 测控程序 测控程序主要是用来又寸空调控制器测试仪的工作状态和空调控制器进行测 量和控制。主程序根据键功能寄存器的状态调用不同的测控程序去执行相应的操 作，如调试或检测等。 4 通用程序 这部分程序是一些模块化的子程序。有较强的通用性，在主程序和测控程序 中都可调用。只要把数据或状态放入该程序指定的寄存器中就可任意调用。这 些程序主要包括一些浮点数运算和处理子程序。 1 0 第二章空调控制器测试仪的总体分析 开始山 y 芝 寄存器清零 l 山 火 设置8 2 5 5 的模式_ 例沁 测 山 设置8 2 7 9 的模式 ，、 、扩阳调试子程叫 调检测子程序 设置8 2 5 3 的模式 山 、 设置测试仪初始工作状态 、， f 甲 n o v 访问键盘状态寄存器 k l 调：l 调校准子程序 l 弋 1q o 、声 调自检子程序 i 入 j i 旬k 柿、n 。 山 调测频子程序 l 图2 5 准备程序方框图 塑三童窒塑墼型量型堕垡塑璺堡坌塑 图2 67 1 3 5 中断程序方框图 1 2 第三章信号发生器和计数器的设计 第三章信号发生器和计数器的设计 3 18 2 5 3 简介 8 2 5 3 是可编程间隔定时器计数器芯片。它是为8 0 8 0 微型机设计的通用定 时元件。其所有操作都可编程控制。它除了能在软件控制下产生精确的时间延 迟外还可实现下列功能：可编程速率发生器、事件计数器、实时时钟、数字 单拍发生器以及复杂的电机控制器等等。8 2 5 3 有3 个独立的1 6 位计数器，其 每个的计数速率均为o 。2m h z 。每个计数器有两个输入端和一个输出端，它们 分别是：时钟c l k 、门控g a t e 和输出o u t 。从时钟引脚输入的时钟脉冲用来对 计数器进行减法计数。从门控端输入的信号用来启动计数器计数、禁止计数或 允许计数。当计数器减量计数到0 时就从输出端输出信号。通知片外，计数器 己计到0 。每个计数器均有6 种工作方式这6 种方式的计数减量( 减i 或减2 ) 、 门控作用( 启动计数、禁止计数或允许计数) 、输出信号的波形都不相同。它们 由用户根据需要通过编制程序来选择。8 2 5 3 的工作过程是：由c p u 将控制字送 往8 2 5 3 的控制字寄存器，用以设定某一个数当计数到0 时，从输出引线输出 一个信号。不同的工作方式，即使计数器的初始值相等输出引线上的信号波 形也是不同的。 2 工作方式 如上所述，8 2 5 3 各个计数器可有6 种工作方式下面分别说明。各种方式 的时钟、门控、输出波形示于图3 1 。 方式0 ：计数结束的中断 当某一计数器被设置为工作方式0 时，该计数器的输出为低电平。当计数 器初始值送入该计数器后，输出仍维持低电平。当计数器结束( 计数到0 ) 时， 输出变为高电平该高电平一直保持到把输入工作方式或新的计数值输入到计 数器为止。如果对正在减量计数的计数器重新写入初始值而且写入的是1 6 位的初始值( 先低8 位、后高8 位由控制字指定) ，则当第1 个字节( 低8 位) 写入计数器时，减量过程立即停止，而当第2 个字节写入计数器时。减量 过程重新开始。在写第l 和第2 字节之间的时间，计数器不计数。对于方式0 ， 第三章信号发生器和计数器的设计 门控输入g 为高时允许计数g 为低时禁止计数。 方式1 ：可编程单稳 当某一计数器被设置为工作方式l ，一旦将初始值送入该计数器时，输出 引线就为高电平。在门控g 由低电平变高电平( 上升沿) 时，开始计数。计数 时输出为高电平，直到计数结束又为低电平。在计数过程中如又对计数器设置 一个视始值，则不影响原计数过程。在本次计数结束后，再开始对下一次送来 的初始值进行计数。在计数过程中如门控g 又出现一次上升沿，那么原来计 数过程作废( 输出仍为低电平) ，计数器又从初始值开始重新减量计数。 方式2 ：速率发生器 当某一计数器被设置为工作方式2 。且设置好初始值时，输出为高电平。 在开始计数后输出仍保持高电平，仅在计数到0 之前的一个时钟脉冲输出为低 电平，之后又回升到高电平，也就是说输出为一个时钟脉冲宽度的负脉冲。当 计数到0 后，计数器又自动设置成刚才的初始值并开始计数。因比方式2 可 在输出引线得到一个连续的负脉冲。脉冲间的时间取决于初始值的大小。 在计数过程中，如果重新对该计数器设置初始值，这不影响本次的计数( 即 仍以原来的初始值为基础进行计数) ，但下次的计数将按新的初始值进行。 在方式2 中，门控g 相当于复位( r e s e t ) 信号。若g 为低电平。则输出立 即变为高电平。当随后g 由低变高时，就启动计数器从初始值初始计数。 方式3 ：方波速率发生器 方式3 和方式2 的不同是：输出端在计数时间间隔的前一半保持高电平 后一半保持低电平。在每一个时钟的后沿，对计数器减2 当计数到0 时就改 变输出的状态，并自动将初始值设置到本计数器再进行减量计数。整个处理 是反复进行的。 如果初始值是奇数，则在输出是高电平时第一个时钟脉冲将计数器减1 ( 在 刚设置初始值之后) 。后面的时钟脉冲则对计数器减2 。在减到计数器为0 时输 出变低电平。同时将原初始值设置到计数器，此后的第一个时钟脉冲对计数器 减3 。以后的时钟脉冲则对计数器减2 ，一直到计数为0 。输出又变高电平如 此反复。因此当初始值为奇数时，输出高电平保持( n + i ) 2 个时钟脉冲宽度 ( n 为初始值) ，而输出低电平保持( n 一1 ) 2 个时钟脉冲宽度。 方式4 ：软件触发脉冲 4 第三章信号发生器和计数器的设计 前的一个时钟脉冲，输出端为低电平，在下一个时钟脉冲又恢复到高电平。在 计数过程中如门控g 又产生一个上升沿则计数器将再从初始值开始重新计 方式o 方式3 ， 一 、 芸掣笠掣= 萎、掣掣婴鬯犁罂 焉二互4 三 一 嚣互专里柱 输出 2 1 卜一 ，蔓、广 广- 1广一 ( 中断气j 丁i 工= = ： 一” 二i 触r ( 十断) ( 二- = _ = = ，一 方式1 时钟几几n 几乙n _ 厂u 1 _ 几_ 广乙r l j _ u l 硪。 广 ：= 与：! 卜输出 ( 。：4 ) l _ 一 ：= 互! 卜一 辅m 广一 时钟j 1 九几r u w u l j l 仉j 1 九几兀 一1 口= r 。v o j r 一 潞；_ ! ! 牟 ! 阳：卜 。磐，艺、_ q ! 产心址 方式 时钟nnn n nnnn 几nn 几n 丽 ! ：! 广一 输出，叫广一 籼二 ! ir 方式5 时钟l 厂l 厂u u l j l j u l j l j l j l j l _ 厂l 拙1 叫厂丑=)l-j 黜，j x 面一 nt ) 。_ 1 广一 图3 一l8 2 5 3 输出波形 1 5 第三章信号发生器和计数器的设计 3 2 信号发生器的设计 目前国内所见到的低频信号发生器有很多种，所采用的振荡电路也是各不 相同。但大部分对波形的非线性失真要求高、对频率漂移要求小的低频信号发 生器都采用r c 选频网络的振荡器，如x d l 型、x d 2 型等低频信号发生器。而一 少部分低频信号发生器和函数发生器对波形的非线性失真要求不高、对频率漂 移要求不严则采用一些专用的集成电路作为振荡器。如h g l 6 3 0 型h g l 6 3 1 型 等函数发生器。 对本文来说信号发生器的非线性失真不作要求、而对频率漂移( 时漂、温 漂) 要求较高。采用专用的集成电路、如8 0 3 8 等集成电路作为振荡器，通过试 验其频率漂移较大对我们不太适合。如果采用r c 选频网络的振荡器。其频率漂 移较小符合我们的要求，但输出频率的变化是通过改变电阻来实现这对于 用单片机来控制频率的改变就比较困难，因而也不太符合于我们的要求。 因此本文采用石英晶体振荡器石英晶体振荡器就是以石英晶体谐振器取 代l c 振荡器中构成谐振回路的电感和电容所组成的正弦波振荡器。它的频率稳 定度很高，在不采取任何温度补偿措施的情况下其频率稳定度也能达到lo “左 右。我们选择的石英晶体振荡器的谐振频率为4 m h z ，信号发生器的简单原理图 如图3 2 所示 图3 - 2 信号发生器原理图 第三章信号发生器和计数器的设计 由图3 2 可见石英晶体振荡器的4 m h z 谐振频率经过四个分频器后变为 1o k h z 的方波信号送到8 2 5 3 的时钟输入c l k o 端，经过8 2 5 3 内部的数字分频 后从8 2 5 3 的输出o u t o 端输出所需频率信号。该信号经过d 1 8 ：c 和d 1 8 ：a 两 级与非门后送入三极管v 】进行放大，v l 将该信号的幅度放大成峰峰值约1 2 v 的输出信号送给空调控制器。考虑到使用方便，我们增加了一个外部频率输入 功能，用单片机的p l 口产生一个选通信号，通过非门d 1 9 ：e 来控制d 1 8 的两 个与非门来进行内外输入频率的选择。8 2 5 3 的d o d 7 脚和系统的数据总线 相连接，和8 0 3 1 进行数据交换。8 2 5 3 的r d 端和w r 端与系统的控制总线相连 接控制数据的输入和输出，c s 为片选输入端和地址输入端a 0 、a 1 一同连接 到系统的地址总线用来选择8 2 5 3 的控制寄存器和计数器。现将其工作过程叙述 如下，由图3 一l 可见，首先在初始化程序中通过数据总线向8 2 5 3 的控制寄存器 中写入控制字使计数器0 工作在方式3 状态( 方波发生器) ，再将所需频率对 应的计数值写入到计数器0 中。由于g a t e o 为高电平，所以在写入计数值后计 数器便开始计数，o u t o 端便开始输出方波信号。当8 0 3 1 的p 1 2 为高电平时， 门d 1 8 ：b 关闭，门d 1 8 ：c 打开，则内部频率信号( 8 2 5 3 的输出信号) 作为输出 信号当8 0 3 1 的p 1 2 为低电平时，门d 1 8 ：b 打开，门d 1 8 ：c 关闭，则外部输入 的频率信号作为输出信号。其初始化程序如下： m o va # 3 6 h m 0 vd p t r # c 8 2 5 3 + 3 m o v x d p t r ，a m o va ，# 7 a h m o vd p t r ，# c 8 2 5 3 + 3 m o v x d p t r a m o va ，# o b a h m o vd p t r # c 8 2 5 3 + 3 m o v x d p t r a m o vd p t r # c 8 2 5 3 m o v a ，# c 8 h m o v x d p t r a m o va ，# 0 0 h m o v x d p t r ，a m o vr 7 a 8 3 5 3c o n t r o lw o r d ，c o u n t e r0m o d e3 c o u n t e r2m o d e5 8 2 5 3 的计数器0 写入计数值2 0 0 。使输出频率为5 0 h z 8 2 5 3 的计数器0 的高字节写入0 第三蕈信号发生器和计数器的设计 3 3 计数器的设计 i 测量方案： 如何将频率信号转换成数字量是计数器测量频率的关键，在不同的频段选 择不同的测量方案因而测量方案的选择对测量精度有很大的影响，现将不同 的测量方案介绍如下： a ：定时计数法 该方法适用于音频范围内的信号测量，它是一种可以避免进行数字运算的 测频方案，图3 3 是定时计数法测量频率的方框图。 被测信号门电路 t _ 1 - _ _ _ _ _ 一计数器 i i 一_ 【 门信号 图3 3 定时计数法方框图 每次测量开始前先将计数器清零。被测信号通过门电路进入计数器但 是门电路的开闭则由闸门信号控制。闸门信号的宽度正好是一秒，当被测信号 是1 k h z 时计数器正好计得1 0 0 0 个脉冲。则f x = n ，显示器的值正好是1 k h z 。 所测信号的准确度依赖于下面两个条件： 闸门信号的宽度要大于被测信号的周期，使得在闸门信号的宽度内可填 入被测信号脉冲进行计数。 闸门信号的宽度应该正好是被测信号周期的整倍数。 第一个条件的重要性是显而易见的，它要求对于一定的测频灵敏度而言 闸门信号的周期应大于被测信号的周期，也就是说当闸门信号定时被测信 号的频率就不能太低。 这第二个条件实际上是无法满足的，因为被测信号的频率是连续变化的， 在第二个条件不满足时，在一个闸门期间可能多记或少记一个脉冲，当闸门信 号正好是一秒被测信号是1k h z 左右时，其误差是0 1 ，被测信号变为l o o h z 左右时其误差就变为1 ，要想提高测量精度就必须增加闸门的开启时间， 如果要保证0 1 的误差则测量l o o h z 左右的频率肘，闸门信号的宽度就应 8 第三章信号发生器和计数器的设计 为1 0 秒测量l o h z 左右的频率时。闸门信号的宽度就应为1 0 0 秒 的影响测试的响应速度，给使用者带来极大的不方便。因此定时计 下限很难降低。 b 周期同步计数法 该方法与上面的方法不同，适用于超低频范围内的信号测量图3 4 是周 期同步计数法测量频率的方框图。 被测信号 门电路 图3 - - 4 周期同步测量法方框图 由图可见，周期为t x 的被测信号经整形后送入同步闸门发生器，产生一个 宽度等于被测信号周期的闸门信号。用该信号去控制门电路的开闭，当门电路 被打开后。计数器开始对时钟脉冲计数闸门信号结束后，计数器所计的数为 n 则t x = n t o ，t o 为时钟脉冲的周期，转换成频率为f x = f o n 。该方法的主要 误差是时钟脉冲的周期不是被测信号周期的整倍数，这样就造成了在计数期间 都将存在着1 个字的量化误差。只要时钟脉冲的周期相对于被测信号的周期 足够小，测量误差就会很小。这种计数方法的缺点是只适合超低频频段，频率 上限也无法提高。 c 可变周期同步计数法 这个方法就是本文提出的计数方法。它克服了前两个计数方法的缺点。集 超低频和音频的计数方法于一体，大大提高了测量精度。由该计数法的名称就 可看出它的闸门时间是可变的，是随着被测信号的周期变化而改变的。为了确 保闸门时间比时钟脉冲的周期大的多，在音频范围内闸门时间是被测信号周期 的几倍或几十倍。在超低频范围内其闸门时间可以正好是被测信号的周期。而 且该计数法也采用的是同步测量技术。目前单片机已广泛的应用在测量仪器中， 因而对测量结果进行乘除运算已是很容易的事了，因而可变周期同步计数法采 用了两套计数器。其简化的原理图如图3 5 。 1 9 第三章信号发生器和计数器的设计 l 时钟l _ 叫| j 计数器2 一j 1 【 11 一一 m 一广一一 l _ _ i 早 厂 j l 片【 删鹋偿! ：l 厂 川 il 发生器iii1 被测信号 j l 一 l lr 一一j l ， 一h 竺望! h 一_ | 图3 - - 5 可变周期同步计数法方框图 由图3 5 可见。计数器l 和计数器2 的输入控制门均被闸门信号发生器控 制，当闸门信号打开并输入到控制门时计数器l 开始对被测信号计数，计数 器2 开始对时钟脉冲计数当闸门信号结束关闭输入控制门时计数器1 的计 数值为n ，计数器2 的计数值为n 。，把这两个数送入单片机进行以下运算。 n t 。= n 。t 。( 3 1 ) f x = 导f 0 ( 3 川) 最终得到被测信号的频率。其中f 。是被测信号的频率、f 。是时钟脉冲信号 的频率n 1 是对被测信号计数的数值，n 2 是对时钟脉冲计数的数值。 这里有一个必须解决的问题那就是闸门信号的周期如何自动选取，即要 和被测信号同步、又要是被测信号周期的整倍数，而且这个整倍数是随被测信 号周期的变化而改变，这个问题是由同步闸门信号发生器来解决的图3 6 是 该电路的原理框图。