（电力系统及其自动化专业论文）单片机多功能测试仪的设计与研究.pdf

s t u d y o f am ultip u r p o s e m e a s u rin g s y s t e mo nc h i pm i o r o o o n t r o i i e r n a m eo fg r a d u a t e ： y a n x i at a n n a m eo fs u p e r v i s o r ： z h il i c l a s s ：9 6g r a d e ，e l e c d e p t d a t eo fa n s w e r ：a p t 3 0 ，1 9 9 9 b a t r a e t t od i f f e r e n tp a r a m e t e r s t e s t ，t h i sp a p e rp r e s e n t sr e s p e c t i v e l yd e t a i l e dd e s i g nm e t h o d s w h i c ha r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n dp r o v e dp r a c t i c a b l e ，t h u st od e v e l o pat e s ti n s t r u m e n t g o o d f o r t e a c h i n g t h i s i n s t r u m e n t n o t o n l y h a s t h e f e a t u r e o 仆i 曲s p e e d 、a c c u r a c y 、s t a b i l i t y a n dm u i t i f u n c t i o n b u ta l s oh a sa p e r f e c tr a t i oo fq u a l i t y p r i c e 1 1 1 es o f t w a r ea n d h a r d w a r eo f t h i s s y s t e m h a v e b e e np r o g r a m m e d 、d e s i g n e da n dd e b u g g e ds u c c e s s f u l l y ，a n df u r t h e r e l u c i d a t et h es t r o n gu t i l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m f r o mt h ew o r ko ft h i st h e s i s ，i ti s h e l p f u l t oh a v ea d e e p e rv i e w o n t e s t i n t e g r a t e d ”，s i m u l t a n e o u s l y ，i t a l s oo f f e r s c h i p m i c r o c o n t r o l l e r sd e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o n i nt h ef i e l do f t e s t i n gan e wr e f e r e n c e c h a p t e rlf i r s t l yp r e s e n t saw h o l e t h r e a dh e l di nt h ed e s i g n ，t h e nd i s c u s s e st h er a t i o n a l a s s i g n m e n to f s o f t w a r e h a r d w a r ea n dt h ep e r f o r m a n c e sw a n t e di nt h i ss y s t e m f i n a l l y ，t h e n e c e s s a r ya u x i l i a r ym e a n si nt h ep r o c e s so f d e v e l o p i n g a l ei n d i c a t e d c h a p t e r2d o e sr e s e a r c ho nt e s t i n go ft h eu s u a le l e c t r i cp a r a m e t e r ss u c ha sv o l t a g e 、 c u l t e n t 、r e s i s t a n c ea n df r e q u e n c ye t c i ta n a l y s e st h ed e s i g no fh a r d w a r et h e o r e t i c a l l yb a s e d o nh a v i n gak n o w l e d g eo fc o n s t r u c t i o na n du s a g eo f8 0 9 8 ，w h i c hc a r l a c c o m p l i s hs o m e p e r f o r m a n c e sw i t ht h eh e l po fs o f t w a r e ，w h i l et h es i m u l a t i o na n dp r a c t i c a lc i r c u i to p e r a t i o n p r o v e t h er e s u l t c h a p t e r3 d i s c u s s e st h em e t h o d so f g e n e r a t i n gs e v e r a lu s u a lw a v e f o r m sb yu s i n gt h e s i n g l ec h i p p r o g r a m sa r em a d ea c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n tw a v e f o r m s ，w h i c hh a v eb e e n a c t u a l l yo b s e r v e df r o mt h es y s t e mo u t p u t c h a p t e r4d e p i c t sae l e c t r i cc i r c u i ta f t e rr e g a r d i n gt h es e r i a l i n t e r f a c eo fb o t hp ca n d m i c r o c o n t r o l l e r f o l l o w i n g t h e p r i n c i p l e o f d i s p l a y i n gi n p u ts i g n a l w a v e f o r m s b y c o m m u n i c a t i o ni si n t e r p r e t e da n da l s op r o v e da s s i s t e dw i 也s o f t w a r e c h a p t e r 5p r e s e n t st h eo u t e re x t e n d e dc i r c u i to ft h i ss y s t e m ，i nw h i c ht h ed e s i g no nd a t a d i s p l a y i n gi se m p h a s i z e d c h a p t e r6d e s c r i b e st h ed a m a g eo f v a r i o u sd i s t u r b a n c e st os y s t e ma n dc o n s e q u e n tt h e s o l u t i o n sa r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：c h i pm i c r o c o n t r o l l e r s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n t e s ti n t e g r a t e d a n t i - i n t e r r u p t i o n 西直交通太堂班究生堂位论文 箍! 亟 概述 众所周知，数字技术和计算机技术己渗透到了工业、农业、商业、教育、 医疗、军事、娱乐等每一个领域及生活中的每一个角落，其应用之深之广令 人咋舌! 尽管p c 机的应用已相当普遍，但是，在工业领域、在日益追求小而精、 轻而薄的自动化控制器、自动化仪表、家电产品等方面，p c 机仍有所不适 宜。在这种情况下，单片机以它优越的控制功能、轻巧的体积，高可靠性和 高性价比在智能化仪表系统、工控领域等日益显示出强大的生命力，使传统 的电子技术产生了一场巨变，成为计算机发展史上个新的里程碑。 单片微型计算机，简称单片机，是把中央处理单元c p u 、随机存取存储 器r a m 、只读存储器r o m 、定时器计数器以及i 0 接口电路等主要计算机部 件，集成在一块集成电路芯片上的微型控制器。 在单片机发展过程中，i n t e l 公司扮演了重要角色。它由7 0 年代的m c s 一4 8 系列发展到8 0 年代的m c s 一5 1 系列，8 0 年代后期的m c s - 9 6 9 8 系列以及今 天的m c s 一9 6 0 系列及各种c m o s 系列高档机，使单片机技术日趋成熟和完善。 值得一提的是m c s 一9 6 系列的子系列m c s 一9 8 单片机，由于它具有8 位机价格、 1 6 位机性能和强大的i o 控制功能，使得面世伊始，便受到了广大科技人 员的青睐。目前i n t e l 正致力于推广8 0 c 1 9 6 8 0 c 1 9 8 系列，此系列在软件上 与8 0 9 6 9 8 基本兼容，硬件上也可互相参考。 纵观单片机的发展，可以认为“单片机是各种新技术的载体”，它表现 有以下几方面的特点： ( 1 ) 主流机型：m c u ( 微控制器) 一开始就是有别于m p u ( 微处理器) 而存在的。m p u 市场的特点是，推出新一代，便淘汰旧代，目前8 位、1 6 位的m p u 已经日趋萎缩，1 9 9 9 年将几乎全部为3 2 6 4 位机所占领，新旧交替 非常明显。而m c u 则不然，最早的四位机仍保持着定的增长率，1 9 9 9 年预 计仍将占m c u 总市场份额的9 ，它的优势是成本低、成熟度高、价格稳定而 低廉。8 位机仍是当前市场的主流，保持着稳定增长，其性能不断改进，有 的内部已采用1 6 位的结构，i o 功能也不断丰富。1 9 9 9 年的市场占有率仍 将为5 8 。可见，4 位和8 位机长期主导m c u 的应用反映了m c u 所控制的对 象和参数的有限性，即m c u 所处的环境，所面i 临的对象都是缓慢而稳定的过 程。但是对于大量的数据处理，4 位和8 位往往不足满足需要，由此1 6 3 2 位的m c u 应运而得到发展，它代表着m c u 发展中的最新最高技术水平，也反 映了客观世界的无限性对m c u 提出的要求。在未来市场上，1 6 3 2 位机在m c u 中的比重明显呈上升趋势，1 9 9 9 年的市场份额预计可达31 左右。 ( 2 ) 存储器的发展：对单片机而言，其内部或多或少都有些r o m 或r a m 的，目前，m c u 中的存储器正向容量增大，品种增多和寻址能力增强的方向 发展。 ( 3 )串行扩展技术：由于1 2 c 、s p i ( 串行外围接口) 等串行总线的引 入，现在单片机的引脚可以设计的非常节省，数目一般在2 8 脚以下。而市 场上提供非常丰富的接口芯片，使得在设计单片机系统时，就可以去掉并行 扩展，从而极大的提高整个单片机系统的可靠性。 ( 4 ) 单片机的c m o s 化：h c m o s 技术的出现尤其促进了单片机的c m o s 化。c m o s 芯片除了其本质低功耗外，还具有功耗的可控性，使得基于叫o s 单片机的整个系统工作在功耗精细管理状态。 ( 5 ) 单片机中采用r i s e ( 精减指令集) 结构和流水线技术。这些以前 都是用于大型机的技术，现在引入到单片机中，可以大幅度提高单片机的运 行速度。若在适当时钟下运行，可进一步降低功耗，提高抗干扰能力。 ( 6 ) 虚拟外设的出现：如今芯片的引脚功能越来越多，利用率也越来 越高，已经变成虚拟接口，它既可做1 2 c 总线接口，也可做s p i 总线接口。 具体应用时，对引脚接口进行编程设定，进行分时的指令管理。 ( 7 ) 开发环境：现在的开发装置更多侧重于软件的开发环境，以实现 软件的产业化，有利于软件的发展。这里主要有：使用c 语言编程，缩短开 发周期，增加软件的可读性：实时操作系统具有一个多任务的实时内核，系 统调用标准化、规格化，内核很小且与控制有关。以实现快速有效处理实时 的输入、输出，程序可靠而且可以做到很快上市；另一方面是实现简化甚至 避免开发设计，如采用新式的下载方式，程序模拟仿真后下载，对程序调试， 用串行输入线控制时钟，每给单片机一个时钟脉冲，控制执行条指令，走 一个单步，并通过内部的引出线监视和检查单片机的运行状态。 从应用情况来看，我国在8 0 年代初开始引进单片机，在资金严重不足的 情况下，自行研制了开发工具和应用软件，根据我国的实际生产需要和借鉴 国外单片机应用实例，单片机应用工作已在我国逐步获得开展。目前，在工 业控制、电机控制、机床控制、机器人控制、飞行器制导系统等方面都可见 到单片机应用的踪迹。 但是，与世界的单片机发展、应用情况相比，我国仍处于相当落后的状 态。据统计，1 9 9 5 年我国单片机产品的实际产量仅为1 0 0 0 万片，占世界产 量的百分之几，人均m c u ( 微控制器) 的拥有量还不足一片，而9 0 年代初 期，美国家庭一般拥有6 9 个m c u ，预计到2 0 0 0 年家庭拥有量则将达到2 2 6 个。从单片机使用的角度看，我国单片机使用面虽广，但使用的批量也仅集 中在空调、洗衣机及电饭煲等家用电器中，可见我国m c u 的市场很大，尤其 在智能仪表和智能传感器、通讯、测控网络和现场总线、农用单片机以及智 能i c 卡等方面都有着广阁的前景，可以大大拓宽单片机应用领域。有鉴于 我国单片机市场的巨大潜力，世界各大单片机厂家，如美国的m o t o r o l a 、 i n t e l ，西欧的p h l i p 、s i m e n s ，日本的n e e 、三菱及e p s o n ，韩国的三星以 酉直交通太堂妥究生堂位论室 蔓嚣 及台湾的华邦都纷纷在中国抢滩登陆，有的甚至在高校建立实验室，从长远 的观点培养人才，这些一方面给我国的单片机发展带来了大量的新技术和新 产品，另一方面也在我国的市场上展开了激烈竞争，中国的单片机事业正面 临挑战。结合国情，以市场为导向，充分地“用好、用够”单片机已成为目 前我国单片机应用发展的趋势。 观察在日常的实验教学与科研工作中，为完成某项测试任务，往往需用 多种仪器，如信号源、电压表、示波器、频率计等等，如此多的仪器不仅价 格昂贵，体积庞大，且互联也很麻烦。而近年来，随着控制技术、微电子技 术、通信技术和计算机技术的高速发展，不但促进了电测和仪器本身的变革， 而且使它们增加了很多新的生长点，测量与通信及计算机的结合，仪器和测 试系统软硬件平台结构的变化，都正在改变着测试和仪器的面貌。就新出现 的虚拟仪器系统而言，它将计算机资源( 处理器、存储器、显示器等) 和仪 器硬件一插件卡( 信号调理、定时、a d 、d a 变换器、高速缓冲、数字输 入输出电路等) 以及用于数据采集、过程通讯、系统仿真、数据分析及图形 用户界面的应用软件有效结合起来，用户不必了解电子线路及系统软件的细 节，只要应用虚拟仪器系统提供的“用户软件接口”和“用户硬件接口”经 过简单的二次开发，就可在较短的周期内开发出适应不同测控对象需要的仪 器。无疑这种新型测试仪不仅智能化程度商，且易于更新升级，灵活性强， 但是对测试技术和测试设备要求的提高，无疑使测试成本也大幅度增长，据 了解，台虚拟仪的价格可高达几十万元。显然，对于只用做实验教学的测 试仪来讲，大可不必付出这样的耗费。考虑单片机的特性，由于它可以提供 a d 输入通道，因此非常适用于模拟量( 温度、压力、流量) 输入采样系统， 而其超微型化的特点，无可比拟的价格性能比，无疑更为仪器仪表的智能化 提供了可能。基于此状况，本课题拟在设计一种集以上诸仪器功能为体的 单片机测试设备，这点与时下国际流行的“测试集成”思想不谋而合，因此 它不仅是单片机在智能仪器仪表领域应用的又一实现，且因其功能的完善与 总体价格的优越性又使它极具实用价值。 在单片机的选型上，考虑单片机本身的性能以及课题研发周期短的特 点，本文采用资源较为丰富的8 0 9 8 ，以9 8 仿真器作为开发工具。由于目前 8 0 9 8 因功耗的原因而趋为8 0 1 9 6 子系列所替代，所以在做成品时，建议使 用其升级产品8 0 1 9 6 k b ，后者的优越性主要表现在指令执行及中断响应的速 度、中断源的增加等方面，而其它功能与8 0 9 8 基本没有多大差别。在升级 时，只需注意某些引脚电平要求的区别，增加控制脚连接要求及分频系数即 可，故本文所阐述的思路与观点在实际应用方面并不受到限制。通过充分运 用单片机内部资源，本文对多种电参数测量、信号产生及示波方面的应用进 行了设计与研究，并在实验中予以实现，其中的基本设计思想在电力系统的 其它参数测量诸如功率、相位等方面同样具有参考价值。当然，基于芯片功 能的局限性，本系统不适于实现高频信号的示波及信号产生。 综上可知，本论文所设计的系统非常适于开发成为教学实验的器材，而 这种“测试集成”的新的仪器设计思想也为提高测试效率，降低测试成本提 供了有效的途径和方法。 一 第一章单片机多功能仪的结构与性能分析 检测仪器的发展已经历了三个阶段：模拟仪器、数字式仪器以及到目 前的智能仪器。单片机多功能仪即为一种智能仪器，因为就仪器本身来讲， 无论数字的采集还是处理都是由单片机来控制的。利用单片机的算术逻辑处 理能力和以软件取代过去电子线路的硬件功能，而软件的灵活性又使得仪器 可用各种算法和处理方法进行信息的采集、处理和存储，不再需要专用的电 子线路，从而使仪器的控制结构太大得以简化。 1 1 系统的总体实现方案 本单片机多功能仪的硬件基础是数据采集技术及输入输出技术，这包括 单片机、接口和输入输出设备：而软件基础则是数据处理技术和信息处理技 术。由软件对仪器的输入电路进行控制，执行采样、滤波等，并将输入信息 加工后产生的输出信号送去显示。 图1 1 系统的基本结构框图 系统执行过程如下： 用户通过开关或键盘向系统发出操作命令，通过辨别输入测试参量，单 片微机执行预先存入r o m 中的应用程序，在应用程序的控制下，被测量被 转换成相应的数字量并存入数据存贮器r a m 中，然后通过对被测量的各种 运算和处理。将中间结果或最后结果输出。 查宣童逵太堂受塞鱼堂僮趑 箜! 夏 1 2单片机系统性台b 特点 单片机应用系统是一种较复杂的信息处理系统，开发单片机系统同样是 一个复杂的系统工程。而作为一种过程，为使其有条不紊的进行下去，除了 必要的可行性分析外，首先需要的就是了解所确定的单片机主要功能特点， 以便在此基础上对单片机接口电路及其作用对象作出合理的设计。 1 2 18 0 9 8 的主要性能 c p u 操作方式采用寄存器寄存器结构，因此其操作速度快而且方便。 此外除了2 4 个8 位特殊功能寄存器外，2 3 2 个字节的寄存器均可用作累加 器，从而提供了高速的数据处理和频繁的输入输出能力，消除了“瓶颈”现 象。 内部数据总线为1 6 位，外部数据总线为8 位，因此c p u 可直接进 行字操作，1 6 位加法只需1 微秒( 1 2 m h z ) & 1 3n - t 完成，1 6 位乘法和3 2 位对1 6 位的除法也只不过用6 2 5 微秒( 1 2 m h z ) ，这无疑是高速高精度数字控制系 统软件开发中所要求的。 四通道1 0 位a d 转换器，当晶振为1 2 m h z 时，a d 转换时间为2 2 微秒。 四路高速输入口，可有效地对脉冲式周期信号进行检测，这使得对设 计事件捕捉系统非常方便。 可通过p 2 5 和高速输出单元i t $ 0 0 一蕊o 5 输出占空比可调的脉冲信 号。 八个中断类型包含有2 0 个中断源。每个中断类型对应各自的中断矢量。 全双工同步异步串行1 ：3 ，可方便地实现i o 扩展，多机通信及与c r t 中断等设备进行通信。 1 6 位监督定时器a t e h d o g 有效的保护了软件的正常运行，使系统具 有了对意外事件的自我防范功能。 可以设置四个软件定时器。四个软件定时器受高速输出口控制，到达 预定时间时，设置相应的软件定时器标志，可以引发中断的产生。 具有2 个1 6 位的定时器。其中定时器1 在系统中作为标准时钟，定时 器2 则主要用于对外部事件计数。 具有可动态配置的总线。通过c c r 的设置对总线控制信号的定义进行 选择，并可控制不同的等待周期，从而提高了总线的灵活性，并减轻了访问 耍宣童逗太堂受塞生堂堡迨塞苎! 堕 慢速器件时对片外硬件的要求。 1 2 2系统的设计要求 系统设计包括软件设计和硬件设计两大方面，二者之间互有影响，一般 原则是简化设计( 采用功能较强的芯片以简化电路，增强可靠性) ；冗余设 计( 考虑以后的扩展及修改) ：以软代硬( 在速度允许的条件下，能用软件 的尽量不用硬件) ，如软件低通滤波代替硬件低通滤波，软件中断代替硬件 中断等等。 硬件设计一般包括单片机接口电路的设计和单片机作用对象的设计，在 硬件电路的基础上，高质量的软件可使仪器的性能大为提高，其中包含如： 中断控制、定时、显示、码转换、自动量程转换以及数据的采集、处理、输 出等程序。在设计时，软硬件的配比问题应予重视，较多的使用硬件来完成 一些功能，可以提高工作速度，减少软件工作量；较多的使用软件来完成一 些功能，则可降低硬件成本，简化电路，但增加了编程的工作量，因此在综 合设计时，应根据所研制的周期及市场状况进行合理划分。 本设计系统具备如下特点： 小型化和多功能化 由于利用了单片机的计算能力，使得仪器能用于多种不同的用途或在同 一用途中可执行多种工作，而单片机及其外围器件的低功耗化，使仪器易于 实现小型化与手持化。 实现信息传输与交换 即与外部环境有接口能力，通过接口如r s - 2 3 2 c 、r s 一4 2 2 a 等即可和外 部的各种设备进行信息交换。 提高可靠性 将以往许多需由硬件实现的电路软件化，使得仪器的元器件数量和焊点 大为减少，从而使硬件电路大为简化，也提高了整机的可靠性。 设计和研制周期缩短，开发效率高 由于采用的是一个由单片机控制的功能系统，而单片机的开发又较为简 单，因此只要通过简易开发装置，即可实现在线开发。一旦开发成功，便可 投入加以使用。 1 2 3 系统的开发 西南交通大学研究生学位论文 第8 页 单片机虽然是一个五脏俱全的微计算机，但其本身并无自开发能力，尤 其当研制还处于实验阶段时，借助开发系统是非常必要的。为此本系统使用 了d v c c 9 8 c 仿真器辅以设计。 开发工具的主要作用表现在： 对系统硬件电路的诊断与检查 程序的输入与修改 程序的运行、调试、状态查询等功能 将程序固化到e p r o m 芯片中 由于采用联机调试可充分利用p c 系列机丰富的软、硬件资源为开发单 片微机上的用户软件服务，故将开发装置与p c 机通过r s 2 3 2 串行接口，配 备d v c c 一9 8 高级组台软件即可直接在p c 机进行仿真、调试、编辑等，从而 极大的提高了8 0 9 8 单片机开发工作的效率。 图卜2 开发系统结构图 第二章常用电参数测试系统设计 普通电气参数测试仪器标定精度一般为1 级和0 5 级，使用时还会造成 人为误差，运用8 0 9 8 单片机内部l o 位a d 测试模拟信号，在满量程时精度 达0 11 ( 0 1 级) ，综合各种误差，测试精度能稳定达到0 5 级。本系统采 用多路开关选取被测信号，通过运放和光电隔离等电路送入片内a d 。经8 0 9 8 数据处理得到各种负载下的电气参数。 2 1 a d 功能特点及相关要求 我们知道测试电参数t 必须将模拟量转换为数字量，为此在设计前，了 解8 0 9 8 内部a d 转换器功能及其相关要求是很有必要的。 2 1 1 硬件结构及功能特点 v r e f a d r e s u l t - h 1 0 l234567 a m r e s u l t - l o 7 65432 10 逐次逼近a d 转换器 采样保持 4 选1 多路模拟开关 a n g n da c h 4 a c h 5a c h 6a c h 7 a d - c o m m a n d0 a d c o m m a n d1 a d c o m m a n d 2 启动转换 或门 黾野。! o m 删。 图2 - 18 0 9 8a d 硬件结构原理框图 可见，8 0 9 8 内部a d 转换器主要由以下部分构成：4 选l 多路模拟开关， _ y 1p 吣一 b一制辑11控逻 西南交通大学研究生学位论文第1 0 页 采样和保持器，逐次逼近a d 转换器，控制逻辑，启动命令通道选择控制寄 存器，启动信号或逻辑以及转换结果存储和状态逻辑。 其各部分功能如下： 多路模拟转换开关用来实现对外部4 路模拟输入信号的转换控制 采样保持电路保证转换的可靠性 4 路模拟输入的转换接通由a d 转换命令控制器a dc o m m a n d 控制 启动转换命令由a dc o m m a n d 或高速输出部件h s oc o m m a n d 实现 通过b u s y 查询转换结束否，此外8 0 9 8 还具备a d 转换完成的中断功 能，因此处理转换结果可用两种方法：查询和中断 8 0 9 8a d 的结果由a d 结果寄存器来保存，可直接编程读取。先读低 字节，后读高字节 8 0 9 8 的参考电源v r e f 为单极性+ 5 v ，因此必须要求模拟输入为单极性 正电压信号。 2 i 2 使用要求 1 模拟输入端 8 0 9 8a d 转换器的模拟输入端具有采样保持电路，其等效电路原理图 如下： 图2 - 2 8 0 9 8 模拟输入端等效电路 图中，v 为外加信号源，r r 为信号源内阻。外部输入模拟信号通过r 1 对 c s 充电。输入端具有泄漏电流i l e a k a g e 。其中：c s 2 p f ，r 1 = 5 k q ，1 1 。“a g e 翌生生二墅坚塑垫堂塑堕垫墅垫! 蔓竺壁里：堕：董皇远塑皇鎏垄! ! 垒： 则外部输入电压误差为3 m v ：当r r 增大到2 k q 时，则外部输入模拟电压误 差为6 m v 。如果外部电压源阻抗增到1 5 k o 以上，a d 转换器精度将受到严 重影响。 设计时如果在模拟输入端接入1 个外部电容，将有利于降低a d 转换器 对噪声的灵敏度，提高信噪比和转换精度，起到误差补偿作用。这是因为， 外接电容与信号源阻抗构成了低通滤波器，高频噪声将直接入地，不进入a d 转换器。具体地说，由于6 m h z 下，8 0 9 8 采样时间为4 us ，所以若r r 大，c s 在采样时间内将得不到充分充电，造成测量误差。而接上c 后，非采样时间 中c 得到充分时间充电；采样时间，由c 来给c s 直接充电，从而与信号源 内阻无关。实际应用中，应选漏电流小的电容，并在电容前串接一小电阻。 电容大小取决于输入信号的频率，串接电阻用于限制过压状态下的输入电 流。下面是两种简单的模拟输入外部接口电路。 模拟输 ( a ) 简单模拟接口电路( b ) 带缓冲器的模拟接口电路 图2 - 3 两种模拟接口电路 本电路( a ) 具有输入电压嵌位，当输入电压 v r e f + o 7 v 时，d 1 导通， 输入电平嵌位在v r e f + o 7 v 左右，当输入电压 一0 7 v 时，d 2 通，输入电 平嵌位在约一o 7 v 。d 1 、d 2 起过载保护作用，而这种过载往往是尖峰干扰， 持续很短。另m c s 一9 6 技术条件规定输入端对输入地的电压不能低于一0 3 v ， 这点可靠低通滤波器r 和c 来保证。t = r e = 2 7 0 0 0 0 5 = 1 - 3 5 us 。以 一0 7 v 作阶跃输入，可知输出达一0 3 v 需历时：t = 一tl n ( 卜0 3 0 7 ) = 1 3 5 0 5 62 0 7 7 5us ，而尖峰峰值持续时间远小于上述时间，故这一电路可 有效起到过载保护作用。但此电路无极性变换功能，故来自用户电路的信号 应在o 5 v 范围内变化。电路( b ) 由放大器的同相输入端输入模拟信号，可 进一步提高输入阻抗，起到缓冲设计，只要适当设计，即可将放大器输出维 持在o 5 v 范围。但此电路也不能进行极性变换。本设计采用了( a ) 电路。 2 模拟参考电压源 a d 转换器基准源是否稳定，对其绝对值精度有较大影响。因此，a n g n d 引脚必须接地良好，并尽量靠近电源。参考电压v r e f 应经过稳压，如使用精 密基准电压放大器l y 3 3 6 。若输入模拟电压不是跃变的，则可把电源电压作 为v i e f ，但应从电源处单独引线以减少干扰。v r e f 可在4 5 5 5 v 之间选择， 并应能提供5 m a 以上的电流。此外，8 0 9 8 单片机的v r e f 与a n g n d 引脚间应 加上0 1pf 旁路电容；两个数字地v s s 应尽可能连线短并接地；a n g n d 与v s s 之间应加一约1pf 电容。 3 a d 转换器工作区段的选择 8 0 9 8 微控制器提供4 路1 0 位a d 转换器的分辨率为1 0 2 4 ，即0 1 0 2 3 的1 0 2 4 种状态。理想条件下，a d 转换的结果与模拟输入的电压成线性关 系，但现实情况与理想条件总有一定差别，实际的a d 转换结果与模拟输 入的电压关系如图2 4 所示。 l i r t l a x 认h i b h i b l i a l u 图2 - 4 实际1 0 位a d 转换结果与模拟输入的电压关系 图中，在0 电压和u m a x 附近处各有一个非线性区段，设这两个区段对 应电压分别为0 u a l 和u 舻u m a x ，在u a l u a h 间u 与i 的关系为线性( i 为 转换精度等级) ，对应的i a l 为1 0 左右，i h 为1 0 1 0 左右，其值对不同的8 0 9 8 微控制芯片会略有不同。本文通过对一定量的8 0 9 8 微控制器进行测试后发 现，当i = 1 3 1 0 0 8 ( 对应图中的b l b h 区段) 时，u 与i 成线性关系。因此， 西南交通大学研究生学位论文 第1 3 页 使用8 0 9 8 的a d 转换器时，工作区段应选择在图示的b l b h 间。 4 高于1 0 位精度的 d 转换 理论上，2 路1 0 位a d 转换可组成l 路1 1 位a d 转换器，4 路1 0 位a d 转换器可组成1 路1 2 位a d 转换器。但在实际应用中，由于上述非线性区 段的存在，用8 0 9 8 的a d 口实现1 l 位或1 2 位精度a d 转换时，将影响转 换的绝对精度。具体地说，实现l l 位精度的a d 转换时，将在i = o 、i = 1 0 2 4 、 i 2 2 0 4 7 的附近区段分别有一个非线性区，共有3 个非线性区段；实现1 2 位 精度的a d 转换时，在i = o 、i = 1 0 2 4 、i = 2 0 4 8 、i = 3 0 7 2 、i = 4 0 9 5 的附近区段 分别有一个非线性区，共有5 个非线性区段。 因此，建议不要用8 0 9 8 微控制器的a d 口扩展为精度高于1 0 位的a d 转换器。 2 2 直流电参数测试系统设计 2 2 i 直流电压的涓量 电压的测量是电子测量的基础。对于单片机多功能仪，由于单片机模拟 端只接受直流电压信号，因此整个测试系统的核心也是围绕着对直流电压的 测量而展开的。 1 硬件设计与测试原理 v i n 图2 - 5 直流电压测试框图 本衰减器采用电阻分压的方式，因为这种方法最简便且叉节约成本，但 需注意的是所选电阻的和应具备兆欧的数量级，以免测量高电压时因电阻消 耗功率过大而造成损坏。设计取：c 1 = 2 2 p f ，r 1 = 9 m q ，r 2 ：9 0 0 k q ， r 3 = 9 0 k q ，r 4 = 1 0 k 0 。 分析图2 6 ，当电压量程档为2 0 0 0 v 时，各电阻所承担的电流为： i = 2 1 0 = 0 2 m a ，电阻r l 消耗功率为p i = i u i = 0 3 6 w ，显然这么小的功率不会 对电阻有影响。即便是其中某一电阻毁坏，由于形成断路，因此也并不会对 后面的元器件电路构成威胁。图中c l 用以消除高频噪声。 5 v5 0 v5 0 0 v2 0 0 0 v c o m 图2 - 6衰减器电路 自校基准是通过模拟开关k i k 3 的通断实现的。校准的目的是为了消 除仪表的零点漂移和增益不稳定。设仪表的输入量x 与输出量y 之间的关系 为： y=ax+b f 2 1 、 式中a 、b 为误差因子。 、 7 校准时，先将模拟开关k 3 接通，此时仪表的输入端接地，即= 0 ， 代入式( 1 ) 中得此时仪表的输出为： yi=b( 2 - 2 1 然后将k 3 断开，将k 2 接通，此时仪表的输入端接一高稳定度的自校准信号 电压，即= e 佑节) ，此时仪表的输出为： y2=a e+b 从而可求得两个误差因子： 一：兰兰! e 将式( 3 ) 和( 4 ) 代入式( 1 ) 中可得： ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 一是寺y 矗t z - 。、) y ，一 一 上式即为仪表的基本校准方程，它反映了实际被测信号j 与输出值j ，之间的 关系a 由式( 5 ) 可见，只要在每次测量时都将校准参数n 、y 2 和e 的值代入 其中，通过简单的运算即可获得当时准确的被测信号之值。这种方法近似于 实时的误差修正，可以很好的消除仪表的零点漂移和增益不稳定的影响，使 西南交通大学研究生学位论文 第1 5 页 测量精度大为提高。此外用此方法也降低了对器件的要求，只要做校准用的 信号源具有足够的稳定度及良好的接地，就可以获得很好的效果。 系统的运放电路采用电压比较器形式，实际上也就是一个电压跟随器， 主要用于阻抗变换，以保证输入信号的幅度不受影响，提高系统精度。 光电隔离是一种既能实现信号传输又有电气隔离功能的放大电路，它在 防止高压故障时提供安全保护，消除接地回路引起的扰动噪声，能有效抑制 尖峰脉冲，从而使过程信道上的信噪比大大提高。极大的避免了干扰和噪声 对采集精度的影响。在高共模电压中低压信号测试等电子系统中它是关键的 电子部件。光电耦合器之所以具有很强的噪声干扰隔离能力是因为： ( 1 ) 光电耦合器的输入阻抗与干扰源内阻相比极小，前者数量级为1 0 0 q 1 k q ，而后者则为1 印1 0 8 q ，因此，光电耦合器输入端的噪声压降很 ，j 、。 ( 2 ) 干扰噪声虽有较大的电压幅度，但能量小，只能形成微弱电流，而 光耦输入部分的发光二极管是在电流状态下工作，所以，即使有很高电压幅 值干扰，由于不能提供足够电流而被抑制掉。 ( 3 ) 光电耦合器是在密封条件下工作，不会受到外界干扰。 ( 4 ) 输入回路与输出回路之间分布电容很小，般仅为0 5 2 p f ，而 且绝缘电阻很大，通常为1 0 “1 0 ”，因此在回路中，一端的干扰很难通过 光耦馈送到另一端去。 由于普通的光耦元件线性度较差，而好的元件又提高了仪器的成本，为 此本设计采用两个普通光耦元件4 n 3 5 构成的电路来解决这一问题，使光耦 输入输出的线性关系得到了较好的保证。具体电路如下： c l 图2 7 线性光电隔离电路 耍童童道太堂煎塞生苎堕皇垒塞 蔓! ! 夏 由图可得： 72 =gl ( j1 ) ( 2 - 6 1 ，3 2 g2 ( ，1 ) ( 2 7 1 由于两个光耦器件参数完全相同，故有9 1 ( 五) = 9 2 ( z 1 ) ，则电路增益为： g = 鲁揣= 七瑞= 七 p s ， u = _ k 一= ，【 f 2 x 1 r 2gl ( ，i )g l ( ，1 ) ” 选取届= 尼，就有k = 1 。 可见，由于本电路增益只与电阻局、岛的大小有关，而与光耦器件无 关，从而获得了良好的线性度：而选用普通元器件，又使电路的成本大为降 低。图中c 1 用来消除自激振荡。 隔离电路输出的o 5 v 模拟信号进入8 0 9 8 的任意模拟通道，通过采集、 保持后转换为数字量。本设计采用6 m h z 晶振，a d 转换器完成一次变换所 需时间为4 4 us 。 设计中为达到一表多量程测量及一表多功能选取之目的，利用拨码微 型开关与7 4 l s 2 4 4 来进行控制。( 使用了三片7 4 l s 2 4 4 ) ，其中8 0 9 8 、7 4 l s 2 4 4 、 7 4 l s 3 2 以及7 4 l s l 3 8 的连接如下。 图2 8 多功能多量程测量选取原理图 由图可以看出，开关闭合时，7 4 l s 2 4 4 相应的输入位为0 状态，因此通 过识别7 4 l s 2 4 4 地址单元内容的状态位，即可转向各个不同的程序段进行 处理。 2 软件编程 图2 - 9 功能识别程序流程图 本系统软件主要使用了m c s 9 6 汇编语言予以实现，因该语言具有丰富 的指令系统，不但运算速度快，而且编程效率高。 对于a d 转换功能程序本文采用h s o 启动a d 转换的方法来进行编 制a 为消除随机误差对直流测量结果的影响，设计每2 0 0 “s 采样一次，共 采样6 4 次，而后通过取平均值的方法来获得可靠值，并将结果送数码管显 示。 通道采样程序的流程图如图2 1 0 所示。 直流采样结果处理程序实现如图2 - 1l 。 一。 酉直童煎盍堂受塞生塑造塞蔓! ! 夏一 图2 一l o 1 l t w 。一般应用中取r c 3 t w 。电阻电容越大，越有利于积分后 的波形为非饱和三角波形。若r c 选得过小，则会使积分过快，可能不到t 。 时间就积分至饱和值，形成阶梯波。当然，过慢会影响速度和降低增益过多。 其中，t w 为编程8 0 9 8 要调制的脉宽。 3 2 1 方波信号的产生及应用 耍直童i 醚堂堑塞垒堂避塞篁! ! 夏 在驱动某些电路时，可能往往希望用不滤波的脉宽调制信号，马达转速 控制问题尤其如此。为此本文用h s 0 0 单元来产生占空比和周期均可调整的 方波输出信号。程序流程图如下： h s o 中断服务程序 | 关中断l i 调l d c a m 子程序 ； 开中断i l i d 千c 黼a m ；霎彳由 i 子程序入口f l _ j j h s o 0 立即触发置 1 ，且不引发中断 ； 延时8 个状态周期 0 h s o 0 在规定时刻置低 电平- 且不引发中断 延时8 个状态周期 i h s o 0 在规定时刻置高 电平，并引发中断 图3 4 产生方波波形软件框图 耍宣窑通去堂受塞生丝i 垒塞 蔓! ! 夏 可见在h s o 引脚上产生一个脉冲需要设置三个事件，前两个事件用以形 成脉冲的上升沿和下降沿，第三个事件的发生时刻决定脉冲的周期。若要产 生连续的脉冲波，必须不断写入这三个事件的命令和时间。由于一个命令由 保持寄存器传送到c a m 中需8 个状态周期，因此，若连续向h s o 写入命令， 需相隔两个n o p 指令。本程序中前两个时间触发后仅在引脚上输出相应的高 低电平，而第三个事件触发后，不仅要在引脚上产生相应动作，还应重新写 入上述三个事件的命令和时间，以保证连续脉冲的输出。为此，前两个事件 的触发并不开放中断，而第三个事件触发后开放l s o 中断，并在中断服务程 序中重新写入三个事件的命令和时间。占空比由5 2 0 0 h 单元内容决定，周期 值由5 2 0 2 h 单元内容决定，改变这两个单元内容，即可获得占空比与周期均 可变的方波信