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哈尔滨理工大学t 学硕： = 学位论文 基于数字合成技术的智能表面电位计设计 摘要 表面电位计可测量带电体的表面电位，测量电荷量大小，它是静电复 印、静电印刷、静电记录等研究或生产单位必备的仪器。在有些生产过程中 可用来连续测量制成品的静电电位，以控制产品的质量。本文设计了一种基 于数字合成技术的智能表面电位计，此仪器由两部分组成，分别是传感器部 分和电子线路部分。利用d d s 技术，用a r m 芯片l p c 2 1 1 4 对仪表电路进 行设计。重点介绍了电子线路部分的硬件设计。 直接数字合成( d d s ：d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ) 是七十年代初提出的一 种新的频率合成技术，其数字结构满足了现代电子系统的许多要求，因而得 到迅速地发展。d d s 主要由相位累加器、波形存储器、d a 转换器、低通滤 波器等构成，其中几乎所有频率合成所用的模块都可由数字器件实现，因此 可以很大程度地提高输出信号的综合性能指标。基于d d s 技术的振荡源具有 输出频率稳定、准确、波形质量好和输出频率范围宽等一系列独特的优点。 本文主要研究基于数字合成技术的智能表面电位计电子线路的整体方案和核 心部分振荡源的设计。 文中，首先讨论了d d s 的基本概念和理论，然后分析仪器技术指标和要 求，给出d d s 振荡源的两种可行技术方案。可编程逻辑器件的出现，改变了 现代电子数字系统的设计方法，提出了一种全新的设计模式。因此，一种方 案是用可编程逻辑器件c p l d 自行设计d d s 逻辑芯片。而另一种方案采用 a d i 公司的专用高性能d d s 芯片a d 9 8 3 3 实现。 a r m 处理器是近年高速发展起来的高性能3 2 位嵌入式微控制器，凭借 其低功耗、高性能，在3 2 位嵌入式微控制器领域处于绝对的领先地位。该表 面电位计的控制核心是p h i l i p s 公司a r m 7 t d m i s t m 的l p c 2 11 4 。 其次从软硬件方面介绍了利用l p c 2 11 4 自带的a d 转换器设计的a d 转 换模块、用于数据显示的l c d 模块、用于通信的串口s p i 通信模块以及信号 处理模块等。 关键词表面电位计；直接数字合成技术；微控制器 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 d e s i g no fi n t e l l i g e n ts u r f a c ep o t e n t i o m e t e r b a s e d o nd i g i t a ls y n t h e s i st e c h n o l o g y a b s t r a c t s u r f a c ep o t e n t i o m e t e rc a nm e a s u r et h es u r f a c ep o t e n t i a lo fc h a r g e db o d y a n dt h en u m b e r so ft h ec h a r g e s i ti san e c e s s a r ye q u i p m e n to fe l e c t r o s t a t i c p h o t o c o p y i n g ，e l e c t r o s t a t i cp r i n t i n g ，e l e c t r o s t a t i cr e c o r df o rs o m ec o m p a n i e s i n s o m ep r o d u c t i o np r o c e s s e si tc a nb eu s e df o rm e a s u r i n ge l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a lo f m a n u f a c t u r e st oc o n t r o lt h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t s i nt h i sp a p e r ，a ni n t e l l i g e n t s u r f a c ep o t e n t i o m e t e rb a s e do nd i g i t a ls y n t h e s i st e c h n o l o g yi sd e s i g n e d ，w h i c hi s c o m p o s e do ft w op a r t s o n ep a r ti ss e n s o r sa n dt h eo t h e r i se l e c t r o n i cc i r c u i t t h e c i r c u i ti sd e s i g n e db yu s i n gd d st e c h n o l o g ya n dt h el p c 2 114a r m c h i p t h i s p a p e rf o c u s e so nt h ee l e c t r o n i cc i r c u i tp a r t so f t h eh a r d w a r ed e s i g n d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ( d d s d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ) w a s a d v a n c e dr a p i d l yi ne a r l y19 7 0 sa n dh a sb e e nd e v e l o p i n go w i n gt oi t se n t i r e l y d i g i t a ls t r u c t u r e i th a s ar a p i dd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s i ti sp r i m a r i l y c o m p o s e db yp h a s ea c c u m u l a t o r ，w a v e f o i t nm e m o r y ，d ac o n v e r t e r s ，l o wp a s s 。 f i l t e r ，e t c ，i nw h i c ha l m o s ta l ls y n t h e t i cf r e q u e n c ym o d u l e sc a nb ea c h i e v e db y u s i n gd i g i t a ld e v i c e s ，a n d t h e r e f o r ec a n s i g n if i c a n t l yi m p r o v ei n t e g r a t e d p e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so ft h eo u t p u ts i g n a l t h e o s c i l l a t o rb a s e do nd d s t e c h n o l o g yh a sas e r i e so fu n i q u ea d v a n t a g e ss u c ha ss t a b l e a n da c c u r a t ea n d w i d er a n g eo ft h eo u t p u tf l e q u e n c y ，g o o dw a v e f o r mq u a l i t y t h i sp a p e rs t u d i e s t h es y s t e ms c h e m ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h es u r f a c ep o t e n t i o m e t e r se l e c t r o n i c c i r c u i tb a s e do nd i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e ri nd e t a i l t h eb a s i cc o n c e p t i o na n dt h e o r yh a v eb e e nd e a l tw i t ha tt h eb e g i n n i n g t h e n ， s p e c i f i c a t i o n sa n dr e q u i r e m e n t so ft h es u r f a c ep o t e n t i o m e t e ra r ea n a l y s e s da n d t w of e a s i b l et e c h n i c a ls o l u t i o n sa r eg i v e n t h ea p p e a r a n c eo ft h ep r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c eh a sc h a n g e dt h ed e s i g nm e t h o do fd i g i t a le l e c t r o n i c a ls y s t e ma n d p r o v i d e dan e wd e s i g nm o d e l t h e r e f o r e ，o n ew a yi s t of i n i s ht h eh a r d w a r e i i 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 c i r c u i to fd d so s c i l l a t o rb yu s i n gt h ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e - c p l d a n d a n o t h e rm e t h o di st ou s et h ec h i po fa d 9 8 33 t h ea r m p o r c e s s o r sd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ，w i t hi t sl o w p o w e r c o n s u m e ，h i g h p e r f o r m a n c e a n di ti sa tt h ea b s o h i t el e a d i n gp o s i t i o ni nt h ea r e a o fe m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e ro f3 2 - b i t t h ec o n t r o lc h i pu s e di nt h en e ws u r p a c e p o t e n t i o m e t e ri sl p c 2 114b a s e do na r m 7 t d m ic o r e ，w h i c hi so n eo ft h e p r o c e s s o r so fp h i l i p sc o m p a n yp r o d u c t i o n t h i s p a p e ri n t r o d u c e s f r o mt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r et h a t s y s t e m c o n s t i t u t e so fac o n t r o lm o d u l eb yu s i n gl p c 2114 ，a na dc o n v e r s i o nm o d u l e ，a l c dm o d u l e ，as p ic o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n das i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，e t c k e y w o r d s s u r f a c ep o t e n t i o m e t e r ，d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ，m i c r o c o n t r o l l e r - i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于数字合成技术的智能 表面电位计设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：李南日期：加习年弓月厂日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于数字合成技术的智能表面电位计设计系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人 完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨 理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全 部或部分内容。 本学位论文属于 保密一口，在年解密后适用授权书。 不保密冈。 ( 请在以上相应方框内打、) 作者签名： 导师签 季荫日期：加7 年岁月l 虽 杠聃：节朋步白 哈尔滨理t 大学工学硕j j 学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 表面电位计可测量带电体的表面电位，测量电荷量大小。由于它的测量电 极较小，还可以用作分布电位的测定，它是静电复印、静电印刷、静电摄影、 静电记录等研究或生产单位必备的仪器，也是测量驻极体的电荷密度及电位分 布状态的良好仪器。在有些生产过程中可用作连续测量制成品的静电电位，以 控制产品的质量。 在静电安全工程中，静电带电体的电压是表征其危险程度的重要标准。纺 织领域，在纺织加工和服装穿着过程中产生带电现象，给生产或生活带来了一 些麻烦和困难，严重时甚至影响生产的正常进行或造成意外事故。因此纺织品 的静电性能越来越引起人们的关切。对驻极体材料而言，其面电荷密度是非常 重要的物理量，因此，测量面电荷密度或表面电位的平均值就很重要。对我国 的静电领域、纺织领域、驻极体及驻极体话筒领域有着深远的影响。 1 1 1 静电领域的发展 在静电安全工程中，静电带电体的电压是表征其危险程度的重要标准。以 各种高分子材料为代表的静电非导体更易起电，且静电不易释放，是常见的静 电危害源，历史上因静电放电引起的可燃性粉尘燃烧、爆炸事故，在国内外屡 见不鲜n 1 。因此，在含能材料的生产和运输中要防范静电危害，确保安全。安 全性是含能材料生产所应考虑的决定因素，静电问题则是影响安全生产的重要 隐患乜1 。而此类带电体的静电电压测量相对于电量和能量更易于实现。例如可 以测定粉状乳化炸药的静电感度，并由此计算确定其最小静电着火能b 1 。 1 1 2 纺织领域的发展 在纺织品穿着过程中，带静电的衣服容易吸附灰尘或脱去时产生火花，吸 附在身上使人感觉不适h 1 ；在有易燃易爆气体的场合会引起爆炸起火；在电子 仪器的附近会使仪器受到干扰而失灵。在干燥的季节若穿上化纤衣服和绝缘鞋 在绝缘的地面行走等活动，人体身上的静电可达几千伏甚至几万伏怕1 。长期受 此带电现象的影响，有的人会皮肤过敏，引起皮疹，严重者会发生血相变化。 医学专家研究证实，人的皮肤对静电的干扰比较敏感，它会改变人体体表的j 下 哈尔滨理丁大学丁学硕上学位论文 常电位差，影响心脏正常的电生理过程及心电在无干扰下的j 下常传导，这种静 电能使人加重病情或诱发早博等，持久的静电还会使血液的碱性升高，更会导 致皮肤搔痒、色素沉着，影响人的机体生理平衡、干扰人的情绪等一1 。 为了研究如何克服防止材料的带电现象，需要正确评价和测定其带电性 能。掌握了各种防治材料的静电性能，便于研究采取相应措施消除静电现象， 并鉴别措施的效果m 1 。 1 1 3 驻极体及驻极体话筒的发展 驻极体是驻极体话筒的重要组成部分。驻极体是一种能永久保持极化状态 的电介质。极化效果的好坏，应有一个定量的测试结果，这就是驻极体表面电 荷密度与寿命的测量。对驻极体材料而言，其面电荷密度是非常重要的物理 量，因此，测量面电荷密度或表面电位的平均值就很重要。但作为器件来说无 须也不可能在使用中一直跟踪测量表面的面电荷密度( 或表面电位) ，因此，只 能从宏观上对其综合性能给出评价，所以对驻极体测量就很重要。 1 2 静电理论背景 1 2 1 静电的产生 不同特性的两种物体相互摩擦或紧密接触后迅速脱离时，它们对电子的吸 引力大小不同而发生电子转移。电荷停留在物体的内部或表面呈相对静止状 态，这种电荷就称静电旧1 。 物质都是由分子组成，分子是由原子组成，原子中有带负电的电子和带正 电荷的质子组成。在正常状况下，一个原子的质子数与电子数量相同，正负平 衡，所以对外表现出不带电的现象。但是电子环绕于原子核周围，一经外力即 脱离轨道，离开原来的原子进而侵入其他的原子b ，a 原子因缺少电子数而带 有正电现象，称为阳离子、b 原子因增加电子数而呈带负电现象，称为阴离 子。造成不平衡电子分布的原因即是电子受外力而脱离轨道，这个外力包含各 种能量( 如动能、位能、热能、化学能等) ，由于不同物质使电子脱离原来 物体表面所需外界做功( 逸出功) 大小不同，因此在两者紧密接触面上就会发生 电子转移，逸出功小的物质失去电子而带正电荷。各种物质电子逸出功的不同 是产生静电的基础叫。 同常生活中，任何两个不同材质的物体接触后再分离，即可产生静电。 当两个不同的物体相互接触时就会使得一个物体失去一些电荷如电子转移到另 喻尔滨理工人学t 学硕1 ：学位论文 一个物体使其带正电，而得到一些剩余电子的物体带负电。若在分离的过程中 电荷难以中和，电荷就会积累使物体带上静电。所以物体与其它物体接触后分 离就会带上静电。通常在从一个物体上剥离一张塑料薄膜时就是一种典型的 “接触分离”起电，在同常生活中脱衣服产生的静电也是“接触分离”起电。 固体、液体甚至气体都会因接触分离而带上静电。为什么气体也会产生静电 昵? 因为气体也是由分子、原子组成，当空气流动时分子、原子也会发生“接 触分离”而起电。所以在我们的周围环境甚至我们的身上都会带有不同程度的 静电，当静电积累到一定程度时就会发生放电2 一引。 我们都知道摩擦起电而很少听说接触起电。实质上摩擦起电是一种接触又 分离的造成正负电荷不平衡的过程。摩擦是一个不断接触与分离的过程。因此 摩擦起电实质上是接触分离起电。在同常生活，各类物体都可能由于移动或摩 擦而产生静电。例如，工作桌面、地板、椅子、衣服、纸张、卷宗、包装材 料、流动空气等。 另外，还有一种常见的起电方式是感应起电。物体除接触后分离能起电之 外，当带电的物体接近不带电的物体时会在不带电的物体的两端分别感应出负 电和正电。 1 2 2 静电的测量 静电参数l ：电荷量。静电的实质是存在剩余电荷，电荷是所有的有关静 电现象本质方面的物理量。电位、电场、电流等有关的量都是由于电荷的存在 或电荷的移动而产生的物理量。在科研院所、高等院校、检测站和工矿企业等 部门经常需要测量物体的电荷量或电荷密度。表示静电电荷量的多少用电量q 表示，其单位是库仑c ，由于库仑的单位太大通常用微库或纳库。 在测量粉体带电及其荷质比，测量防静电服的性能时都要测量其带电电荷 量。测量物体的带电电量从原理上说可用法拉第简和静电计及静电电容测量， 但这种方法测量繁琐，误差较大，而且对于非静电技术人员使用时更是困难。 静电参数2 ：静电电压。由于在很多场合测量静电电位较容易，另一个常 用的静电参数是静电电位，其单位为伏，但由于静电电压通常很高，因此常用 一个较大的单位一千伏( k v ) 。 测量静电电压的仪表通常分为接触式和非接触式，对于导体和人体带电的 场合以及测量有源带电体如静电发生器( 高压电源) 等的静电电压，由于整个带 电体的电位相等常用接触测量；在介质带电的情况下，带电体具有非等位特 性，必须用非接触测量。但由于接触式仪器在与被测物体接触时会使带电物体 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 的静电放电，而使电荷量减少或使带电物体的电容增加，这两个因素都将使物 体的静电电位降低，因而测出的结果与物体真实带电情况相差较大，所以这在 测量许多物体的静电电压时更常用的方法是用非接触式静电电压表，这种仪表 在测量时不与初测物体有任何接触，因而对被测量物体的静电影响很小n 钔。 由于接触式静电测量时接触被测物体会放电，测量过程就存在放电引燃的 危险，所以在危险场所不能使用，国外有的标准就禁止在危险场所使用接触式 静电测量。因此，在危险场所采用非接触式静电电压表进行测量n 5 1 。 非接触式测量原理：高绝缘介质中的电荷不能自由移动，各不同部位的电 位不同，只能用静电感应或空气电离的原理进行测试。前者是将测量的探极靠 近带电体，测量其表面电位，实质上是对其表面的电场的测量。 非接触式测量仪器大致分为感应式和电阻分压式。感应式仪表中多采用直 接放大式、旋叶式和振动电容式等。振动电容式静电计，它的特点是探头是一 个可振动的金属片，由于机械振动，使探极与被测体之间的电容周期性变化， 在被测体静电感应的作用下，探极上感应的电压也周期性变化1 1 引。 1 3 课题研究的发展及现状 我国是家用电器、纺织品、复印机、手机等消费类电子电气产品的生产大 国，又是这些产品的出口大国，主要出口市场在欧洲、北美，由于上述地区市 场准入许可证制度的实施，不经抗扰度试验考核的产品便无法进入。这对国内 数以万计从事电子电气产品生产的中小企业来说，如何获得既买得起又用得起 的表面电位计，是当前需要解决的难题。 国外也只有为数不多的发达国家有此产品，且价格昂贵，如日本t r e k m o d e l4 0 0 静电电压表。据我们掌握的国内情况看，国内在这方面的研发工作 起步较晚，基本没有生产表面电位计，仍需依赖价格昂贵的进口产品。研发表 面电位计的需求源于市场，源于企业，具有强大的生命力和时代紧迫感。 此外，根据行业市场调查，进口的产品也存在不少问题，且善后维修也相 当困难，不仅仅体现在配套件的供应上，维修服务人员由于工作繁忙不能马上 到位，为用户造成极大不便。 本仪器研发成功，可打破同类型设备必须完全依赖进口的局面，其技术含 量、灵敏度及使用寿命等各方面可基本达到国际先进水平。本仪器研发成功为 我国的静电领域、纺织领域、驻极体及驻极体话筒行业提供国产化的、优质可 靠的测量设备创造条件。 哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 现代测量仪器的设计偏重于运用数字化方式实现，随着数字信号处理技术 发展，a r m 微控制器和d d s 技术运用到表面电位计中。直接数字频率合成技 术( d d s ) 以其在频率捷变速度、相位连续性、相对带宽、高分辨率以及集成化 等方面的优异性能，成为现代频率合成技术中的佼佼者，同时也为表面电位计 的实现方式提供了新的选择u 引。 1 4 论文主要研究内容和项目来源 此次课题针对目前表面电位计发展的不足之处，主要是要求在深入学习 d d s 和a r m 微控制器的基础上，设计基于d d s 技术和a r m 7 的智能水平表 面电位计。传感器采集的数据经过调制、放大、解调、滤波，最后经微控制器 内部a d 变换后进行l c d 显示。系统主要由以a r m 微控制器为核心的主控 模块、以传感器为核心的信号采集模块、以d d s 芯片为核心的信号生成模 块、信号处理模块以及包括人机接口界面组成。 论文主要研究内容包括： 1 研究表面电位计工作原理以及d d s 技术与a r m 在其中的应用； 2 研究非接触式静电电位计通用电路模型。进行方案选择与参数确定； 3 详细进行系统硬件设计； 4 系统软件设计。 本课题分四章： 第l 章讨论了课题背景，阐明了课题研究现状，介绍了课题的研究内容。 第2 章介绍了此系统最有新意的一个模块部分，d d s 振荡源。其中描述了 仪器技术指标和要求，给出d d s 振荡源的两种可行的技术方案。一种方案是用 可编程逻辑器件c p l d 自行设计d d s 逻辑芯片。而另一种方案是是采用a d i 公 司的专用高性能d d s 芯片a d 9 8 3 3 实现。 第3 章详细设计了此表面电位计的主要硬件电路，包括微处理器主控模 块、以d d s 为主的信号生成模块以及模拟量测量通道设计包括滤波、程控放 大电路以及显示电路l c d 的设计。 第4 章介绍了此表面电位计的软件设计过程，其中重点描述了a d 9 8 3 3 软 件部分及a d 、滤波模块设计。 在结论中我提出了设计的表面电位计的改进方向和应用前景，分析了这次 毕业设计的理论价值和实际应用价值，并对以后的研究做出了展望。 本项目来源于上海电动工具研究所委托项目。 哈尔滨理工人学工学硕：i j 学位论文 2 1 系统概述 第2 章系统总体方案研究 设计的表面电位计的基本原则是选定的方案必须满足各项技术指标要求， 尽量采用数字化设计使仪器设计简洁可靠。在现代电子、计算机和信号处理等 技术飞速发展的今天，微处理器的应用已主领着电子技术领域的潮流。先进的 数字信号处理技术，数字d d s 技术的诞生，解决了许多传统仪器不能或不易 解决的问题，简化电路，降低成本，提高仪表的可靠性能，实现各种复杂的功 能，极大地促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处 理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号 测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点。 就数字d d s 振荡源和模拟振荡源对比而言，具有输出频率精度高、波形 失真小、调制信号具有对干扰有较强的抵抗作用、解调方便且易于集成等优 点，可由单片机或d s p 微处理器对其进行通讯控制其输出频率，从而实现用 数控方式来精确控制其输出频率，以适应高精度仪表或智能化系统频率源应 用，从而克服传统方式通过模拟振荡带来的频率调整分辨率低、稳定性较差、 电路复杂、调节电路信号的频率和幅值较麻烦且精度不高、无法实现和微控制 器接口的智能化的缺点8 。因此在各种数字系统中得到越来越广泛的应用，成 为现代电子系统及设备中频率源设计的首选，广泛应用于现代通信设备及科研 教学仪器中。 基于上述原因，本课题中设计的表面电位计电子电路部分采用传感器 + a r m + d d s 的结构，传感器采集的微弱电压信号经过d d s 产生的载波信号调 制，再进行放大、滤波、检波解调、a d 变换，最后由l c d 显示，这一系列 过程由微控制器控制。 这其中要设计出符合要求的信号生成电路、信号处理电路及人机接口界面 等。以后各章将分别从软硬件方面介绍这几部分电路。 2 2 仪器的特点 设计的基于数字合成技术的智能表面电位计主要有以下特点： 1 非接触式测量，不会使被测样品电荷损失； 哈尔滨理- t 大学t 学硕一i ：学位论文 2 振荡源d d s 产生频率可变的多波形的信号源； 3 仪器的智能化程度高，能实现自动量程、程控校准等功能； 4 仪器性能稳定，可靠，操作方便。 2 3 仪器的技术指标和要求 设计的表面电位计主要有以下技术指标和要求： 1 显示方式：数字显示； 2 电源及电压：a c 2 2 0 v + _ 5 ； 3 澳0 量电压：d c 3 0 v 、3 0 0 v 、3 0 0 0 v ； 4 测量准确度：3 ； 5 校正电压：+ 2 0 v ； 6 外形尺寸：3 0 c m ( l ) x 2 1 4 ( w ) 1 2 c m ( h ) ； 7 存储环境：放干燥环境内，不能有腐蚀性气体侵入，要远离磁场。 d d s 信号源的设计要求如下： 1 具有产生正弦波、方波、三角波3 种波形周期性波形的功能； 2 输出波形频率范围1 0 0 h z 2 0 0 k h z ，频率可调，步进间隔 = 2 4 4 斗s ； 5 具有掉电模式； 6 一路或多路输入的b u r s t 转换模式； 7 可选择由输入引脚的跳变或定时器的匹配信号触发转换。 l p c 2 11 4 的a d 的转换频率最大可达到4 5 m h z ，转换精度为2 d o ，完全 能够满足实时采集和高精度的要求。使用a d c 模块时，先要将测量通道引脚 设置为a i n x 功能，然后通过a d c r 寄存器设置a d c 的工作模式、a d c 转换 通道和转换时钟( c l k d i v 时钟分频值) ，并启动a d c 转换。可通过查询或中 断的方式等待a d c 转换完毕，转换数据保存在a d d r 寄存器中。 a d c 转换时钟分频值计算如下： c l k d i v = 辱口k 只d 以k 一1 ( 4 - 1 ) 式中：f p c l k 为所要设置的a d c 时钟，其值不能大于4 5 m h z 。 使用a i n 0 进行1 0 位a d c 转换的初始化程序如下( 转换时钟设置为 1 m h z ) ： p i n s e l l = 0 x 0 0 4 0 0 0 0 0 ；设置p o 2 7 为a i n 0 功能 a d c r = ( i 0 ) i s e l = 1 ，选择通道0 ( ( f p c l k 1 0 0 0 0 0 0 1 ) 8 ) i c l k d i v = f p c l k 1 0 0 0 0 0 0 1 ，即转换时钟 】m h z ( o l6 ) l ( 0 l7 ) i ( o 2 1 ) l ( o 2 2 ) i ( o 2 4 ) l ( o 2 7 ) ； b u r s t = o ，软件控制转换操作 l c k s = o ，使用11 个时钟转换 p d n = l ，j 下常工作模式( 非掉电转换模式) t e s t l ：0 = 0 0 ，j 下常工作模式( 非测试模式) s t a r t = 1 ，直接启动a d c 转换 e d g e = 0 ( c a p m a t 引脚下降沿触发a d c 转换) 呛尔滨理工大学t 学硕十学位论文 a d 初始化和操作流程如下图4 - 4 所示。 i 设置a 。c 部件时钟 i 设置引脚连接模块 + i 设置a ，d - t 作模式 启动d 转换 + 等待转换结果 + 读取转换结果 图4 4a d 初始化和操作流程 f i g 4 4f l o wc h a r tf o ra di n i t i a l i s a t i o na n do p e r a t i o n 4 5l c d 显示的软件设计 1 6 0 2 液晶模块内部的字符发生存储器( c g r o m ) e 经存储了1 6 0 个不同的 点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、 和同文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“a ”的 代码是0 l o o o o o l b ( 4 1 h ) ，显示时模块把地址4 1 h 中的点阵字符图形显示出 来，我们就能看到字母“a ”。 哈尔滨理t 大学工学硕一i ：学位论文 1 6 0 2 液晶模块内部的控制器共有1 1 条控制指令，它的读写操作、屏幕和 光标的操作都是通过指令编程来实现的( 说明：l 为高电平、0 为低电平) 。 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模 块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显 示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，比如第二行第一个字符的地址 是4 0 h ，那么是否直接写入4 0 h 就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置 呢? 这样不行，因为写入显示地址时要求最高位d 7 恒定为高电平l 所以实际 写入的数据应该是0 1 0 0 0 0 0 0 b ( 4 0 h ) + 1 0 0 0 0 0 0 0 b ( 8 0 h ) = 11 0 0 0 0 0 0 b ( c o h ) 。 4 6 本章小结 本章介绍了基于数字合成技术的智能表面电位计的软件部分设计，主要包 括主程序流程、信号生成部分软件流程、a d 转换部分初始化程序和l c d 显 示软件设计。并针对m a x 2 7 4 进行了软件滤波设计。 哈尔滨理工大学1 = 学硕f ：学位论文 结论 课题对表面电位计的电子线路进行了详细的研究，对其硬件部分进行了重 点设计。在理解并研究了d d s 原理后设计出了d d s 振荡源的两种可行性方 案，并在此基础上确定了基于数字合成技术的智能表面电位计的整体方案，给 出了此表面电位计的电路通用模型及详细硬件设计。 课题设计的表面电位计采用传感器+ a r m + d d s 的结构，利用d d s 技术对 传统表面电位计的振荡源进行改造，用微控制器以便能够控制信号生成、信号 处理及显示等一系列过程，用数字化技术对仪器进行重新设计。 与传统表面电位计比较，基于数字合成技术的智能表面电位计采用d d s 振荡源，具有频率合成速度快，频率分辨率高，输出信号变化平稳，相位噪声 和漂移特性极为优异等特点。 本文具体设计中，采用p h i l i p s 公司的a r m 微控制器l p c 2 1 1 4 做核心 设计了主控模块，而且l p c 2 1 1 4 内置a d ，既能达到仪器设计要求又方便设 计；采用d d s 芯片a d 9 8 3 3 做核心设计了信号生成模块，与传感器配合完成 高质量调制信号产生，并在后续信号处理部分完成解调；采用x 9 5 11 与运放实 现程控放大，既能用单片机编程控制，也可使用按键手动控制，方式灵活；为 了减少噪声，采用m a x 2 7 4 设计滤波器，滤波特性良好；为了完善人机接口 界面，放弃表头及l e d 显示方式，采用l c d l 6 0 2 。 当然，此表面电位计设计也存在很多不足之处，可以从以下几个方面进行 改进和完善： 1 根据d d s 振荡源的精度要求，如果要求高，需用基于f p g a c p l d 的 振荡源设计方案； 2 为了使仪器性能更好，可以考虑外接高精度a d 转换芯片； 3 为了使表面电位计更智能化，在人机接口界面上，可以用键盘把仪器的 显示功能设计的更全面。 此表面电位计设计无疑会给国内数以力计从事电子电气产品生产的中小企 业带来新的曙光，但也存在一些问题如远程控制、实时性、数据可靠性等，表 面电位计在不断完善中，相信随着数字技术的发展，仪器的设计会更新颖，电 路会更简洁，功能也会更强大，价格也会更低廉，更能满足人们的需求。因 此，开发高性能、低价位的表面电位计定会有广阔应用前景的。 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 参考文献 【1 】何华伟，王霞明定向爆破拆除烟囱【j 】爆破，2 0 0 4 ，( 1 ) ：4 4 4 6 2 】曹海峰，王国立粉体含能材料生产与储运中的静电安全及防护 j 】工程 爆破，1 9 9 9 ，7 ( 2 ) ：7 - 9 【3 】曹海峰，王国立粉状乳化炸药静电安全性研究【j 】矿冶，2 0 0 4 ，1 3 ( 3 ) 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w a n g e r ，v i c t o r s r e i n h a r d t s i n eo u t p u t d d s sas u r v e yo ft h es t a t eo ft h ea t t i c 】i e e ei n t e r n a t i o n a lf r e q u e n c y c o n t r o ls y m p o s i u m 1 9 9 8 ，3 ：7 0 7 8 【2 2 】冯朝军d d s 的软件及硬件实现 d 成都：西南交通大学( 硕士论 文) 2 0 0 7 ：3 0 3 5 2 3 陈铸华，周有庆，吴桂清高精度信号发生装置的研制【j 】中国仪器仪 表，2 0 0 7 ，7 ：1 6 1 8 2 4 】j t i e r n e y ，c r a d e r ad i 西t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r c 】i e e e t r a n s a c t i o n so na u d i oa n de l e c t r o a c o u s t i c s ，19 7 1 ，1 9 ( 1 ) ：4 8 - 5 7 2 5 】s a u lph d i r e c tf r e q u e n c ys y n t h e s i s ar e v i e wo ft e c h n i q u e sa n d p o t e n t i a l c 】i e e e 15 t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nr a d i or e c e i v e r sa n d a s s o c i a t e ds y s t e m ，l a n d o n ，19 9 0 ，5 - 9 2 6 徐金龙，刘宇红，刘桥基于d d s 原理的任意波形信号发生器的设计 j 现代机械，2 0 0 6 ( 4 ) ：4 7 【2 7 邹托武，周建中，赵炳基于d s p 的直接数字频率合成器的研究和实现 j 】电测与仪表，2 0 0 5 ，2 4 ( 4 7 ) ：2 4 2 6 2 8 】鲁哨延多波形数字信号发生器的设计与实现 j 】微处理机，2 0 0 8 ， 2 9 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