（系统分析与集成专业论文）校验仪功能模块的研究与设计.pdf

摘要 现代工业生产安全、可靠运行必须依靠安装在生产现场上的监测过程参数 的仪器仪表来保障，校验仪则用来定期比对和测试现场仪器仪表是否准确地工 作。一般校验仪的主机都具备电压、电流、电阻以及频率等基本参数高精度的 测量和输出功能，同时也应具有操作方便、抗干扰性强、方便携带、可扩展性 好等特点。 本文对校验仪主机各功能模块的设计原理和实现方法进行了研究，设计了 一种基于a r m 内核的高性能的嵌入式微处理器的校验仪系统。 阐述了校验仪的发展现状和分类；对a r m 核微处理器l p c 2 1 3 1 的功能特点 和结构做了详细的介绍；详细分析了系统的功能要求，提出了总体设计方案， 在此基础上进行了系统的硬件设计，对每个部分所完成的功能和设计思路作了 说明，并对目前实现功能的几种方案的优缺点进行了介绍及对比；采用了模块 化设计的方法，对各功能软件进行了设计，以流程图的方式介绍了各个功能的 具体实现：文中还对影响测量及输出信号精度的因素做了一定的讨论，对系统 中出现的软硬件干扰问题做了相应的抗干扰措施。 最后对试验结果进行了分析，指出了设计中的不足，提出了对系统的改进 意见。 关键词：校验仪，l p c 2 1 3 1 ，a d 转换，d a 转换，d d s a b s t r a c t t h es a f e ，r e l i a b l eo p e r a t i o no fm o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o nm u s tr e l yo nt h e m o n i t o r i n gi n s t a l l a t i o nf o rr e a l t i m ed e t e c t i n gp r o c e d u r ep a r a m e t e r s t h ec a l i b r a t o ri s ad e v i c eu s e dt ot e s tw h e t h e ram o n i t o r i n gi n s t r u m e n tw o r k si nn o r m a lo p e r a t i o n c o n d i t i o n g e n e r a l l ya c a l i b r a t o rc a l lm e a s u r ea n dp r o v i d ev o l t a g e ，c u r r e n t ，r e s i s t a n c e a n df r e q u e n c yo fh i g h p r e c i s i o n i ta l s oh a sas e r i e so fm e r i t s ，s u c ha u se a s yt oo p e r a t e ， s t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c e ，p o r t a b i l i t y , s c a l a b i l i t ya n de x t e n d i b i l i t y i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g np h i l o s o p h i e sa l o n gw i t hm e a s u r e m e mm e t h o d so f f u n c t i o n a lm o d u l e sa r es t u d i e d ，a n dac a l i b r a t o rs y s t e r m 俪t 1 1h i g h - p e r f o r m a n c e e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ro fh i g hp e r f o r m a n c ea r mi sd e s i g n e d t h ep r e s e n tc o n d i t i o n so fc a l i b r a t o ra r ei n t r o d u c e sa n df u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ea r mc h i pl p c 2131a r em a d eag o o di n t r o d u c t i o n a no v e r a l ld e s i g no f s y s t e r mi sp r o p o s e do nt h eb a s i so fa n a l y s i n gt h et o t a lr e q u i r e m e n t s i nh a r d w a r e d e s i g np a r t ，d e s i g no fe v e r yf u n c t i o nm o d u l ei se l u c i d a t e di nd e t a i l ，b yc o m p a r i n g “mo t h e rc u r r e n ta p p r o a c h e s t h es o f t w a r ei sd e s i g n e db ym o d u l a r i z e dm e t h o d s ， w h i c he v e r ym o d u l ei sr e a l i z e di nf l o wc h a r t ；t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ea c c u r a c yo f s y s t e r ma r i s i n gf r o mt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei s s u e sa r ea l s oc a r r i e do nd i s c u s s ， c o r r e s p o n d i n ga n t i - i n t e r f e r e n c em e a s u r e sa r ea l s ot a k e ns t e p s f i n a l l y , t h ei n s u f f i c i e n c i e s o ft h e d e s i g n a r e p o i n t e do u ta n da d v a n c e d a p p r o a c h e sa r eg i v e no n t h eb a s i so ft e s tr e s u l t sa n a l y s i s k e y w o r d s ：c a l i b r a t o r , l p c 2 131 ，a dc o n v e r t e r , d ac o n v e r t e r , d d s 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发 表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名：燃 日 期：星聋：星 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索：有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：燃 日 期：幽：z 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 作者签名：必旌 e l 期：翻：笸：篁 导师签名：至翌勃 日期： 垒! ：至：篁 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 在现代工业中，安全可靠的生产运行必须依靠安装在生产现场上的监测过程参数的仪 器仪表来保证。现场仪器仪表是否准确地运行需要定期使用实验室的标准仪器仪表来比对、 测试。由于现场比对校验与实验室的检测校验有环境和设备的差异，有些现场仪器仪表只 能作简单的比对、测试，有些仪器仪表受多种条件的影响无法用实验室的标准仪表完成检 测，而且有些现场测试仪表不能或不便于从现场中取下来送实验室测试、检定，因此便携 的可进行实地测试的过程校验仪应运而生u 1 。 过程信号校验仪是一种智能化的工业仪表校验仪，可用于工业仪表的现场调校，也可 用于实验室仪器仪表的校准。一般具有可模拟输出电压、电流、频率等多种工业控制过程 测控中所需的信号，同时也可测量这些工业控制过程中产生的信号，是测试和校验工业自 动化系统及仪表必备的工具仪表，可在用户设定的工作方式下对各项待测参量进行检测， 并可按照用户的需要显示自己所需的各项数据，具备精度高，体积小等优点。 随着单片机技术及外围设备的发展，数字的、可模拟多种输出信号的功能校验仪是未 来发展的必然趋势。传统的模拟仪器通常体积较大，不方便携带，限制了其使用范围；容 易因外界因素造成误差，也限定了校验的精度。数字式校验仪具有体积小、输出信号精度 高、多校验点、方便携带、长期运行稳定以及数字校验可不作任何电位器调整的特点，特 别适用于现场对工业控制过程的各类仪表进行校准及维护。 1 2 校验仪的研究现状 1 2 1 校验仪的基本特点 目前研制的校验仪器仪表主要是以测控技术为核心，结合嵌入式系统，采用一个或几 个c p u 来同时完成测量、数据采集、数据处理和显示、控制等功能的智能化仪表。可以通 过软件对各项参数的测量误差进行修正和对整个系统进行满量程校正，同时通过各种接口 输出以便进行键盘输入、结果显示或与p c 机进行数据交换。配以相应的测试、显示电路和 接口并与相应软件组成一个具有功能全面、准确度高、操作简单、携带方便等特点的多功 南京信息工程大学硕士学位论文 能高科技测试工具。所以一般在其设计中都具有以下特点晗1 ： ( 1 ) 操作使用方便：广泛采用了键盘和l e d 显示，人机间接口与仪器功能部件的设计 可完全独立地进行，从而明显地改变了传统仪器前面板及有关控制操作机构的设计，使面 板控制采用灵活的数字键和功能键，或兼有这类按键的编程能力。 ( 2 ) 具有自测功能：仪器在使用时，若出现故障可事先被自检出来。同时还能诊断出 仪器所发生故障的根源和部位。这种自测试不仅可在仪器启动时进行，同时也可在仪器运 行中进行。 ( 3 ) 功能不断提高：采用了微处理器或单片机，使其具有了一定的数据处理能力( 如 计算、变换、误差修正等) ，功能有了极大的提高。许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无 法解决的问题，现可用软件非常灵活地加以解决。例如传统的数字万用表只能测量电阻， 交直流的电压电流。而智能仪器不仅可量测这类参数，而且还能计算出诸如偏移、比例、 极值及其它统计参数等。采用间接的测量方法，来扩展其测量功能。 ( 4 ) 高性能指标：可通过内设的微处理器或单片机的数据处理，实现仪器的自动校正， 能对某一参数进行多次测量后取其平均值，从而提高仪器本身的测量精度。仪器自动校零 时，不仅可以清除由于漂移，增益不稳定等因素所引起的误差，还能校正由于使用各种传 感器、变换器所带来的某些非线性误差或频率响应误差。 ( 5 ) 操作自动化：整个测量过程是用微处理器或单片机控制操作，如键盘扫描、量程选 择、开关启闭、数据采集、传输、处理以及显示打印等，从而实现测量过程的全部自动化。 ( 6 ) 具有对外接口功能：配有标准的对外接口总线，如仪器专用接口总线g p i b ( i e e e 4 8 8 标准接口) 或r s 2 3 2 c 接口，仪器不仅可实现本地输入输出，还具有可程控能力， 实现远程输入输出。通过这些标准接口总线，组成用户所需的各种多功能的自动测量系统。 1 2 2 校验仪的主要技术问题 ( 1 ) 数据采集技术 数据采集技术已被广泛应用到各类过程校验仪中。数据采集系统的主要技术指标有： 分辨率、精度、输入信号电平、采集速度以及共模噪声抑制能力等。为了不丢失被采样信 号的信息，系统采样频率应满足采样定理的要求。一般在工程上采样频率应取被采样信号 所含最高频率的k 倍( 一般取k 1 0 2 0 ) 口3 。 ( 2 ) 输入输出技术 校验仪要通过各种输入输出部件与外界进行通讯联系。近年来，随着由对被测对象个 2 南京信息工程大学硕士学位论文 别参数的检测，发展到以一个自动测试系统对被测系统作全面的综合特性的测试，仪器内 部所包含的输入输出部件也日益增多。目前，在一般校验仪上常采用键盘取代传统测量仪 器面板上的开关和旋钮、用l e d 显示各种字符及有关的图形或图表。 ( 3 ) 信号处理技术 信号的提取与分析要依赖广泛的信号处理技术。如模数转换器a i ) c 与数模转换器d a c 是数字电压表、数字功率表、数字示波器以及数字信号处理系统和数字采集系统中的核心 部件；数字滤波用来减少对模拟信号进行数字转换引起的量化误差；线性化处理功能则可 以校正传感器的非线性检测特性。校验仪的系统软件不是单一的控制程序，它应在实时接 受来自键盘或总线接口的操作命令，解释与执行命令；负责调度各应用程序模块，并与键 盘、显示器等外设交换信息。某些仪器对系统软件的实时多任务处理提出要求，此时系统 软件应具有较强的实时处理能力和多任务的管理功能。同时进行多个参数测试任务，并具 有较强的人机交互能力。 综上所述，数据采集与输入输出技术是过程校验仪的硬件基础。数据处理技术与信号 处理技术是校验仪的软件基础h 1 。仪器在使用过程中不可避免会存在误差，但利用内设微 处理器的数据处理功能，通过各种算法和软件设计可以显著减少使用过程中出现的系统误 差与随机误差，从而提高准确度。部分硬件( 特别是模拟硬件) 的性能也可以利用算法来 改善。 1 3 过程校验仪的发展情况 过程校验仪的产生是工业发展的必然产物哺1 。随着电子技术的发展，从早期单一功能 的校验装置发展到可校验多种信号的校验仪。目前常用的过程校验仪表是一种集数字万用 表和信号源功能于一体的高精度、高分辨率、高可靠的手持式综合数字校验仪表，能同时 显示输出信号值和测量信号值，交直流电源供电，方便使用。仪表信号输出和测量功能主 要是针对工业自动化现场仪表实施现场校验、检修的需要而设计。生产的过程校验仪已经 进入智能化时代，软件技术参数与各种补偿、误差修正和高水准、高精度的测量，使实时 测量和自动测量成为现实。 许多著名的仪表生产厂商纷纷推出自己的现场型过程校验仪产品，如美国f l u k e 公司 的f 7 1 0 系列，日本横河公司的c a i o 系列等等。这类校验仪除功能和应用范同及精度要满 足需求外，同时还具有对温度、湿度变化及水溅和偶然跌落的环境适应能力。另外为了保 证校验仪的精度指标，还能方便的溯源到国家标准。目前，世界上比较先进的校验仪生产 南京信息工程大学硕士学位论文 商美国的f l u k e 公司，其过程校准产品包括压力校准仪、温度校准仪及多功能校准仪等， 以f l u k e 7 2 6 为例，它价格较为昂贵，测量和校准的精确度高达0 0 1 ；允许同步测量、输 出和查看过程信号，测量电压、电流、r t d 、热电偶，频率和电阻，以检测传感器变送器。 此外，还能在无计算器帮助的情况下解释结果，并存储测量值以供将来分析。我国校验仪 的发展与国外发达国家相比起步较晚，在技术水平上也有较大的差距，目前国内生产校验 仪的单位也较多，但不仅产品种类较少，而且从精度或读数的重复一致性方面均与国外有 不小差距。 ， 1 4 本课题研究的内容 本课题研究的主要内容是设计种可用于工业现场的多功能校验仪主机。对现场校验 仪的测量原理、测量方法、提高精度措施和信号处理系统进行了理论上的分析研究，对功 能模块的硬件及软件实现进行探讨。样机采用p h i l i p s 公司的a r m 核芯片l p c 2 1 3 1 作为主 处理器芯片，并结合数字信号处理、信号调理和嵌入式微处理器等方面的技术及工程经验， 可作为成套校验装置的标准部分。主机与模块之间为数字通讯，抗干扰能力强。对本仪器 的校准采用软件校准，不需要任何硬件调整，以保证仪器的准确性。设计具有配置简单、 扩展方便、可靠性高的特点。本文主要完成了以下工作： ( 1 ) 在对整个测试和输出系统的原理和方案分析的基础上，对系统的软硬件设计进行 了协调优化，并进行了总体部分的设计。 ( 2 ) 硬件部分：完成了电压、电流、电阻和频率数据测量采集单元、采用了d d s 技术 完成输出频率功能，程控可调稳压输出和恒流输出数据发生单元、l c d 显示、与p c 串口通 信以及放大电路、低通滤波电路等部分的电路设计。 ( 3 ) 软件部分：完成了l p c 2 1 3 1 的初始化，中断处理单元、d d s 芯片控制、a d 转换、 d a 转换、键控和l c d 显示控制部分的流程图设计和相关软件部分的编写。 4 南京信息工程大学硕士学位论文 2 1 系统总体结构 第二章系统方案设计 本系统设计通过对过程校验系统的深入研究和综合集成，旨在提高测量仪器的精度和 可靠性，达到提高系统整体效能的目的，同时使操作方便，界面友好。 多功能校验仪的总体结构设计如图2 - 1 所示： 图2 - 1 校验仪系统总体结构 整个系统按功能可分为两大部分：参数测量系统和信号输出系统。其中测量系统主要 负责对测值及相关数据进行实时采集，完成各种数据处理工作；信号输出系统用来输出标 准源，完成参数校验工作。测试结果可以实时在l c d 显示屏上得到，也可通过r s - 2 3 2 接口 输出到上位机使用相关软件进行监测和查看。通过j t a g 调试接口可连接计算机对程序进行 烧写和仿真。 2 2 系统功能模块概述 硬件平台选取a r m 7 系列微控制器l p c 2 1 3 1 ，结合众多的外围接口电路构成，它主要由 以下几个主要功能模块组成： ( 1 ) l p c 2 1 3 1 以及相应的外围电路组成控制模块，主要用来控制整个下位机系统。 ( 2 ) 测量系统中数据采集模块由a d 转换芯片c s 5 5 3 2 以及放大、滤波电路等组成， 用于实时采集数据。其中又根据不同电路设计及相关芯片完成电压、电流、电阻数值的测 量。频率测量模块主要利用了l p c 2 1 3 l 自带的3 2 位可编程定时计数器，并由放大、整形 5 南京信息工程大学硕士学位论文 和滤波电路组成。 ( 3 ) 标准源输出系统通过指令控制d a 转换芯片d a c l 2 2 0 完成输出模拟信号，根据需 求稳定输出量程范围内的信号，可用作数字式程控电压电流源装置。频率输出模块由d d s 芯片a d 9 8 3 3 以及外围滤波电路合成模拟正弦波信号。 ( 4 ) l c d 液晶显示部分选用t c m 2 4 0 6 4 b 图形点阵液晶显示器，它由控制器t 6 9 6 3 c 、行 驱动器列驱动器及2 4 0 6 4 全点阵液晶器组成，可完成图形显示，也可以显示1 5 4 个( 1 6 1 6 点阵) 汉字。 ( 5 ) r s 一2 3 2 通讯模块用于校验仪和上位机的通讯，通信主要由l p c 2 1 3 1 上自带异步 串行口完成，由于系统是3 3 v 供电，所以要使用s p 3 2 3 2 e 进行r s 2 3 2 电平转换。程序调 试端口利用了周立功单片机发展有限公司开发的l p c 2 0 0 0 系列a r m 7 微控制器的e a s y j t a g 仿真器。它支持a d s l 2 集成开发环境，支持单步、全速及断点等调试功能，采用a r m 公司 提出的标准2 0 脚j t a g 仿真调试接口。 ( 6 ) 电源模块用来产生系统所需要的各种标准电压以及为芯片提供基准信号。由稳压 芯片、精密基准源芯片、d c - d c 升压芯片及相应外围电路组成。 此外，由带1 2 c 存储的电源监控芯片c a t l 0 2 5 w i 组成的复位电路用于当下位机系统出 现“死机”等情况时重新启动系统，提高了系统的可靠性。 6 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 一个优秀的嵌入式系统产品，往往具有良好的硬件系统结构。硬件设计不仅需要考虑 电路的基本组成结构，也要考虑到嵌入式系统的小型化和低功耗的要求。以满足系统的指 标为前提，在仔细研究了国内外同类产品的优缺点和发展基础上，根据现有开发条件，设 计了校验仪功能模块的硬件方案。 3 1 控制器解决方案 依据整个系统的复杂程度、数据处理速度以及精度要求，我们选择了目前市场上比较 流行的3 2 位a r m 核微控制器，具体型号为p h i l i p s 公司生产的a r m 7 系列中的l p c 2 1 3 1 。 3 1 1a r m 核微处理器简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量 高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低 和能耗小的特点，适用于多种领域。a r m 公司的合作伙伴众多，处理器广泛应用在1 6 3 2 位嵌入式r i s c 解决方案中，几乎占有嵌入式r i s c 微处理器市场份额的7 5 。 a r m 处理器本身是3 2 位设计，但也配备1 6 位指令集。与传统4 8 位单片机相比， a r m 微处理器一般具有如下特点h 1 ： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 6 ) 指令长度固定。 a r m 是精简指令集计算机( r i s c ) ，它集成了非常典型的r i s c 结构特性： ( 1 ) 一个大而统一的寄存器文件； ( 2 ) 装载保存结构，数据处理操作只针对寄存器内容，而不直接对存储器进行操作； ( 3 ) 寻址模式简单，所有装载保存的地址只由寄存器内容和指令域决定； ( 4 ) 采用统一和固定长度的指令格式，指令归整、简单，简化了指令的译码。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 除此以外，a r m 体系结构还采用一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯 片面积，并降低功耗： ( 1 ) 每一条数据处理指令都对算术逻辑单元( a l u ) 和移位器控制，以实现对a l u 和 移位器的最大利用； ( 2 ) 地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化； ( 3 ) 多寄存器装载和存储指令实现了最大数据吞吐量； ( 4 ) 所有指令的条件执行实现最快速的代码执行。 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高 的消费类应用；具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便：能够提供0 9 m i p s 删z 的三级 流水线结构：代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集；对包括w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l m o s 等操作系统广泛支持；指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m l 0 e 系列兼容，便于产 品升级换代。其主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用口1 。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e r n e t 设各、网络和调制解调 器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 3 1 2l p c 2 1 3 1 主要特性 l p c 2 1 3 1 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 1 1 c p u ，a r m 7 t d m i - s 处理 器使用了一个被称为t h u m b 的独特的结构化策略。t h u m b 指令集的1 6 位指令长度使其可以达 到标准a r m 代码两倍的密度，却仍然保持a r m 的大多数性能上的优势。这是因为t h u m b 代码和 a r m 代码一样，在相同的3 2 位寄存器上进行操作。t h u m b 代码仅为a r m 代码规模的6 5 ，但其 性能却相当于连接到1 6 位存储器系统的相同a r m 处理器性能的1 6 0 。 l p c 2 1 3 1 带有3 2 k b 嵌入的高速f l a s h 存储器。该存储器可用作代码和数据的存储。对 f l a s h 存储器可通过串口进行在系统编程，也可以在应用程序运行时擦除或编程f l a s h ，这 样为数据存储和现场固件的升级都带来了极大的灵活性。当使用片内b o o t l o a d e r 时，f l a s h 存储器可作用户代码使用。 l p c 2 1 3 1 的同一个引脚可以具有不同的功能【9 1 ，管脚连接模块允许将微控制器的管脚配 置为不同的功能。配置寄存器控制连接管脚和片内外设的多路开关。应当在激活外设以及 使能任何相关的中断之前，将外设连接到相应的管脚。任何一个被使能的外设，如果其功 能没有映射到相关的管脚，对它的激活将被认为是未定义的。管脚连接模块包含3 个寄存器， 见表3 1 。 8 南京信息工程大学硕士学位论文 此外l p c 2 1 3 1 片内集成大量外设，还具有以下特性： e m b e d d e d l c er t 和嵌入式跟踪接口通过片内r e a l m o n i t o r 软件对代码进行实时调 试和高速跟踪： 1 个8 路1 0 位的a d 转换器，共提供1 6 路模拟输入，每个通道的转换时间低至 2 4 4 u s ； 2 个3 2 位定时器外部事件计数器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 和看门狗： 低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的3 2 k h z 时钟输入； 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、2 个高速1 2 c 总线( 4 0 0 k b i t s ) 、 s p i 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的s s p ； 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址： 小型的l q f p 6 4 封装上包含多达4 7 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) ； 多达9 个边沿或电平触发的外部中断管脚； 通过片内p l l ( 1 0 0 灿的设置时间) 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率； 片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为1 3 0 姗z ，与外部振荡器的操作频 率范围高达5 0 m h z 。 低功耗模式：空闲和掉电。 可通过个别使能禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗。 通过外部中断或b o d 将处理器从掉电模式中唤醒。 单电源，具有上电复位( p o r ) 和掉电检测( b o d ) 电路： l p c 2 1 3 1 采用非常小的l q f p 6 4 封装。由于内置了宽范围的串行通信接口，也非常适合于 通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。后续的器件还 将提供以太网、8 0 2 1 l 以及u s b 功能。在本校验仪系统中，l p c 2 1 3 1 管脚配置见图3 - i 。 9 南京信息工程大学硕士学位论文 图3 1l p c 2 1 3 l 管脚配置 l p c 2 1 3 1 支持通过j t a g 串行端口进行仿真和调试。跟踪端口允许跟踪程序的执行。调 试和跟踪功能只在g p i o 的p 1 口复用。这意味着当应用程序在嵌入式系统内运行时，位于 p o 口的所有通信、定时器和接口外设在开发和调试阶段都可用。 目前，a r m 7 芯片常用的编译器有a d s 、k e i lp i s i o n 、s d t 2 5 等，在本系统中使用的 是a d s l 2 ( a r md e v e l o p e rs u i t ev 1 2 ) 。该工具是专门为基于a r mr i s c 的处理器而设计 的集成开发工具，它可加速并简化嵌入式开发过程中的每一个环节，c o d e w a r r i o r 集成开 发环境为管理和开发项目提供了简单多样化的图形用户界面。用户可以使用a d s 的 c o d e w a r r i o ri d e 为a r m 和t h u m b 处理器开发用c 、c + + 或a r m 汇编语言的程序代码。另外 在调试时，我们运用a d s 自带的一个调试器a x d 调试，用户通过a x d 可对正在运行的可执 行代码进行变量的查看、断点的控制等调试操作。 l o 南京信息工程大学硕士学位论文 3 2 测量系统设计 测量系统用于对输入信号的测量和更高精度校验仪对仪器本身的校验。输入信号分别 包括电压、电流、电阻、频率信号。模拟信号通过a d c 转化成数字信号送入处理器，再根 据需求完成相关数据处理。系统的误差主要由量化误差及模拟误差组成，即由a d 转换器、 放大器、恒流源误差以及温漂构成。 3 2 1a d 转换芯片的选择及应用 为了满足小信号测量精度要求，校验仪数据采集选用的a d c 为美国c i r r u sl o g i c 公司 的c s 5 5 3 2 。这是一款高精度、低噪声、双通道的型a d 转换器u 们，可得到高达2 4 位 分辨率的输出结果。由于其采用电荷平衡技术和极低噪声的可编程增益斩波稳定测量放大 器，允许小信号的输入，提高了系统的动态特性。c s 5 5 3 2 的差动输入端可以直接铡量毫伏 信号，可编程增益放大器可使放大倍数从1 3 2 进行设定( 以2 倍步长增加) ，多级程控 数字滤波器使得数据输出速率可选择，范围为7 5 h z 一3 8 4 k h z ，非常适合测量称重仪表、 过程控制、科学和医疗等应用领域的单双极性小信号。 c s 5 5 3 2 由多路开关、可编程增益放大器( p g i a ) 、四阶差动一调制器、程控多阶 数字滤波器以及串口、时钟发生器、校准控制系统和输出锁存等组成，片内有一微处理器， 用来控制a d 与外设之间的数据传送。此外，c s 5 5 3 2 内部有一个完整的自校正系统分为自 校准和系统校准两种方式。内部校准可在需要的时候进行，但必须在系统初始化后进行。 偏差校准在前，增益校准在后。校正结果存在偏差和增益寄存器中。可设置a d c 传递函数 的零点以及增益斜率，从而消除系统通道的失调和增益误差。 由于c s 5 5 3 2 允许毫伏级小信号输入，且采用简单的三线串口通讯方式，故其与 l p c 2 1 3 1 及外围设备的接1 3 非常简单。电路原理图如图3 2 所示。由于设定 v a + = v d + = v r e f + = 5 v 、v a - = v r e f - = 0 v 、校准后输入电压范围可达5 m v 5 v 。在本系统 中，c s 、s d i 、s d o 和s c l k 分别接至l p c 2 1 31 的p 0 2 5 、p o 2 6 、p o 2 7 和p 0 2 8 。 南京信息工程大学硕士学位论文 趔! ! + s va 肘f 一2 晶隔 c 2 9l o u i - = = 4 9 1 5 2 m 2 0 p f i： 心l + a n 卜 c l c 2 v a + 溺 a o a 1 x o i r r ) a n a 眦+ a 聃2 一 v r 日斗 v i u 丁 d g n d 册 c g s d i s d o s c u ( r 6 1 0 q 圈3 - 2c s 5 5 3 2 管脚连接图 两路输入信号a i n l 、a i n 2 分别接入模拟信号，数字电源和模拟电源分开，电阻& 与电 容c s 组成r c 滤波器，c 5 5 5 3 2 使用多路复用器时的稳定时间受仪表放大器之后的单极点低 通滤波器的限制，为达到规定的稳定时间和线性度，在c 1 与c 2 之间串联了2 2 n f 的电容 芯片外接4 9 1 5 2 删z 的晶振，可使通道转换速率范围达到3 8 4 k h z 。 l ， 由于c s 5 5 3 2 的分辨率为2 4 位，根据a d 转换原理可知量化电压匕虻= 争2 2 4 ，那 v 町 么在取得a d 变化结果后很容易得到待测电压值。电压与电流或电阻之间均呈线性关系， 因此只要将待测电流或电阻值转换为电压信号，即可通过a d 转换芯片送入控制器，完成 相关计算和处理。 3 2 2 基准电压源 a d 转换器的v e r f + 端外接参考电压，参考电压输入范围为+ 1 0 - - 一+ 5 o v 。在许多集成 电路和电路单元中，如数模转换器( d a c ) 、模数转换器( a d c ) 、线性稳压器和开关稳压器， 都需要精密而又稳定的电压基准。在模数转换器中，d c 电压基准与模拟输入信号一起用于 产生数字化的输出信号；在数模转换器中，d a c 根据呈现在其输入端上的数字输入信号， 从d c 基准电压中选择和产生模拟输出n 。 为了提高a d 转换精度，一般均采用基准源芯片来提供参考电压。t l 4 3 1 是一个性价 比较高的、低噪声的三端可调分流基准源( 温度系数为3 0 x1 0 ) ，参考点与阳极之间 稳定压降为2 5 v ，可编程输出电压达3 6 v ，在典型动态阻抗0 2 2q 时有1 0 m - - , l o o m a 的 灌电流能力，在整个额定工作温度范围内可进行工作温度补偿。由于工作方式为并联稳压 器，所以可用作正压或负压参考。t l 4 3 1 的符号如图3 - 3 所示，图3 - 4 为其代表性框图n 劓。 1 2 燃一 ，h a m m 斟一 南京信息工程大学硕士学位论文 参考 卿 参考 i r i 撮 图3 - 3t l 4 3 1 符号图3 - 4t l 4 3 1 代表性框图 本系统中选用t l 4 3 1 来提供5 v 的直流电压作参考，由于采用了封装为s o p - 8 的贴片型 芯片，芯片外形引脚功能如图3 5 所示，应用电路原理如图3 6 所示。 + 1 2 v 图3 - 5s o p 一8 封装引脚功能图图3 6t l 4 3 1 作5 v 参考电压电路 根据图3 5 所示，1 脚为阴极v j n ，8 脚为参考。由于v r f 2 5 v ，v 0 可在2 5 3 6 v 之 p 间调节，则= ( 1 + 鲁) ，取r 3 。r 2 = 5 k q ，得输出电压理论值为5 v ，即v r e f 0 端输出 电压为5 v 。由于元件承受电压与输入电压与输出电压的压差有关，当压差很大时，r l 的功 耗随之增加。另外根据t l 4 3 1 的稳定边界条件，电容c l 的选取要避免元件产生自激振荡， 此处取1 0 心。 3 2 3 电压测量 电压测量采用了分压方式，由于电压测量范围为0 3 0 v ，可将量程划为二档：o 5 v 和0 一- - 3 0 v 。由于分辨率要求在0 0 0 3 读数，分辨力= o 0 0 3 i 2 1 5 ，系统a d 转换器分辨 力必须大于1 5 位，上述提到的c s 5 5 3 2 满足要求。 电压测量部分设计如图3 - 7 所示： 1 3 南京信息工程大学硕士学位论文 图3 7 电压测量原理图 由于a d 转换芯片的参考电压为5 v ，而测量电压的量程最大为3 0 v ，因此输入信号不 能直接接入a d 的输入通道，必须经过一定的处理，此处采用的是电阻分压的方式对输入 信号进行转换。上图j p 3 为量程换档开关，v i n + 代表输入信号。a 通道为o 5 v 档，c 通 道为o - - - 3 0 v 档。以a 通道为例，当输入端v i n 接入的是小于5 v 的电压，开关转换到a 档， 电压信号直接传输经电容c 6 组成的简单去除噪声干扰后送入c s 5 5 3 2 的a i n i 通道：当输入 端v i n + 接入的是不大于3 0 v 的电压，开关可转换到c 档，电压信号经过两串联精密电阻风 与r ，取两电阻中间位置的电压作为传输到a d 的信号，设此处电压为v ：，根据基尔霍夫 p 定律：砭= n ，l 瓦j 7 _ ，由于系统设定耻r 7 - 5 ：1 ，此信号的电压值理论上应为输入电 压的六分之一，即满量程状态为5 v 。这样使a d 输入电压最大不超过5 v ，满足工作条件。 电压信号的实际值还原可依据量程触发条件通过软件编程来完成。 3 2 4 电流测量 对电流的测量可以将电流转化为电压后在利用电压测量装置来进行。电流测量范围为 0 1 2 0 m a ，量程划为两档：0 - - 2 4 m a 和o 一- - 1 2 0 m a ，精度要求在0 0 0 3 读数。上述提到a d 转换芯片c s 5 5 3 2 允许毫伏级小信号输入，经计算可得感测电阻产生的电压几乎无须经过放 大处理。系统电流测量电路如图3 8 所示， 图3 8 电流测量原理图 1 4 南京信息工程大学硕士学位论文 待测电流经串联精密电阻r 或r 。以电压信号的方式进入a d 转换芯片通道a i n i ，j p 2 为一个量程换档开关。当电流小于2 4 m a 时，开关接通c 1 档，由于a d 转换器参考电压为 + 5 v ，选择r - 一的阻值为2 0 0 q ，这样通道c 1 的满量程电压输出为= l r 4 = 4 8 v ，同 理当电流小于1 2 0 m a 时，通道a 1 的满量程电压输出为= i , o 墨1 = 4 8 v ，满足a d 元件 工作条件。电流信号转换为电压信号通过a d 转换单元传输至控制器，而控制器则通过软 件编程的方式将该传输的数字信号进一步转换成电流值和连续时间存储于存储单元中，进 而控制l c d 屏显示数值。 需要说明的是，电流测量还有一种比较常用的方式是通过运算放大器构建电流一电压 变换电路n3 1 ，这种测量方式尤其适用于电流信号较小的情况，电流经过变换以后，调节放 大增益可控制变换后的电压范围，进而也是把测量电流问题转化为电压测量问题了。鉴于 本系统电流量程范围较宽，故采用上述方式更佳。 系统设计无论是电压测量还是电流测量，待测信号均输入a d 转换器的a i n i 通道，因 此两项工作无法同时进行，控制器必须依据外部命令做出相应的功能选择，切换电路主要 是通过继电器来实现的。本设计选用松下n s - t q 系列双稳态磁保持继电器t q 2 - l 2 - 3 v 。该 元件双线圈锁存，其工作电压为直流3 3 v ，具备2 组开关组合m 1 。如图3 9 所示。 魁 q 坠) 汕i n + 图3 - 9 继电器内部构造图3 - 1 0 继电器控制选通原理图 l p c 2 1 3 1 的管脚p o 2 、p o 3 通过i kq 的上拉电阻分别接至继电器的l 脚和1 0 脚，5 与6 接地。当1 - 5 间施加一个脉冲电压信号，2 3 接通、8 9 接通，该脉冲信号撤除后，仍 然保持此状态：同样，当1 0 一6 间旌加一个脉冲信号后，3 4 接通，2 3 断开，8 7 接通， 8 9 断开，该脉冲信号撤除后仍保持原状态。注意在外部有负载的情况下p o 2 和p 0 3 不 1 5 南京信息工程大学硕士学位论文 能同时为高或低电平。本系统中控制器输出高电平作脉冲信号，由于l p c 2 1 3 1 的拉电流较 小，选用p n p 三级管8 5 5 0 驱动继电器。控制原理如图3 - 1 0 所示，电路中除了利用继电器 空载输入端接地防止串扰外，还利用输出端串联二极管接地的方式来防止继电器切换时产 生瞬间的高压，作继电器输出保护。 3 2 5 电阻测量 电阻测量系统的思路是：由精密恒流源通过精密电阻实现电阻一电压转换，并将电压 保持在适当的范围，然后进行采集和a d 转换，最后送入控制器显示测量结果。 电阻测量范围为0 6 kq ，量程分为两档：0 6 0 0q 和o 6 kq 。本系统采用反馈性恒 流源电路，结构设计如图所示。其中，r e f 0 2 是专用的精密电压基准源，输出一个精确的 5 v 的电压参考，此处选择了r e f 0 2 主要考虑了基准源芯片的稳定性和优秀的负载调节能力 因为根据本系统设计方案，在电流小于1 m a 时，一般的稳压二极管( 如前述的t l 4 3 1 ) 不 能正常工作。o p 0 7 是常用的高精度运算放大器，具有极低的输入失调电压，极低的失调电 压温漂和输入噪声电压幅度及长期稳定等特点，尤其适用子高可靠的精密仪器仪表n 引。电 阻测量部分电路如图3 1 1 所示。 图3 - i i 电阻测量原理图 为方便说明上图，假设转换开关j p i 、电阻r s 和r - s 构成一个固定电阻设为r x ，为待 测电阻( 负载) 。当系统开始工作，负载上的电压作为输入信号直接加到运算放大器的同相 输入端i n + ，而反向输入端接r e f 0 2 地。由于两输入端之间存在虚短，因此有放大器输入 端v i n + v i n - ，构成电压跟随器，保证了电阻r ；上的电压恒等于v p , 产5 v ，因此流经电阻 1 6 南京信息工程大学硕士学位论文 r x 上的电 流k 旭有l 2 薏2 素。因此，照飓确定流经负瓤上的电流为固定 值。由电流源产生的检测电流在