（电力系统及其自动化专业论文）时间继电器智能测试仪研究.pdf

西华大学硕士学位论文 1 1 4 3 0 ) 的现场可编程性相结合，不仅大大缩短了开发研制周期、降低了设计成 本，而且使本系统具有结构紧凑、体积小、重量轻、可靠性高，测量时间频 率范围宽、测量精度高等优点。填补了我军某型航空时间继电器智能测试仪 的空白，具有较高的经济价值和军事价值。本文详细论述了系统各部分硬件 电路组成，单片机和f p g a 的软件编程设计以及自上而下的设计方法。 关键词：单片机，f p g a ，v h d l ，q u a r t u si i ，l a b v i e w 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho n t i m e - - r e l a yi n t e i l i g e n t m e a s u r i n g i n s t r u m e n t e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t e ：l i uj i a n g l i nt u t o r ：y a n gj i n g c h a n g i nt h ee l e c t r o n i cf i e l d ，a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n i q u e ， l a r g es c a l ei n t e g r a t ec i r c u i tt e c h n i q u ea n de d a ( e l e c t r o n i c sd e s i g na u t o m a t i o n ) t e c h n i q u ea n da b o a r da p p l i c a t i o no fp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，t r a d i t i o n a ld e s i g n m e t h o d o l o g yo fd i g i t a l c i f c m ta d o p t i n gb o a o m _ u p ，t o l l s ，d e v i c e sh a sa l r e a d y d r o p p e db e h i n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ep o p u l a rt e c h n i q u e d e s i g nt e c h n i q u e a d o p t i n gt o p _ d o w na r et a k i n go nm o r et a s k so fd i g i t a ls y s t e md e s i g n t h es m a r t t i m er e l a ym e t e rd e s i g ni nt h i sp a p e rw h i c ha d o p t st o p _ d o w nd e s i g nm e t h o d o l o g y u s e st h ea t 8 9 s 5 2s i n g l e c h i pc o m p u t e ra st h em a i nc o n t r o l l i n gp a r t s t h e a t 8 9 s 5 2s i n g l ec h i pc o m p u t e rr e a l i z e st e s ts i 粤1 a 1 c o n t r o l ，k e y b o a r ds c a na n d o u t p u td i s p l a yo fl c d af p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) c h i p ( a c e x 1k 3 0 ) f u l f i l l sm e a s u r i n gt i m er e l a y m e a s u r i n gf r e q u e n c y ，d i v i d i n gf r e q u e n c yo f t i m er e f e r e n c e ，t i m i n gl o g i cc o n t r o l ，c o u n ta n do u t p u tf u n c t i o n u n d e rt h ef l a to f q u a r t u s 、i i ，f p g as o f t w a r ed e s i g n i n g ，c o m p i l i n g ，d e b u g g i n g ，s i m u l a t i o na n d d o w na leb e e nc a r r i e do u ti nv h d l ( v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) l a n g u a g e as t a r ts i g n a li sg i v e nu n d e rt h ec o n t r o l l i n go f a t 8 9 s 5 2 w h e nt h ec h o i c eo fm e a s u r i n gt i m er e l a y ，s t r o b es i g n a lo p e n su n d e rt h e c o n t r o l l i n go ft h et i m er e l a ys i g n a l ，t h et i m er e l a ys i g n a la n dt h eb a d et i m es i g n a l s w e r es e n tt ob a s ec o u n t e ri n p u tc o u n t i n gb e g a na tt h es a m et i m e ，w h e nt h eg a t e s c l o s e da tt h ec o u n t e rs i g n a l sa r es y n c h r o n i z e dt os t o pc o u n t i n g ，t h es i n g l ec h i p c o m p u t e rw o u l dr e a d12m e t r i cc o u n t i n gd a t at oh i sm e m o r yi nf p g at h e np r o c e s s i i i 西华大学硕士学位论文 t h ec o u n t i n gd a t a ，a n dt h el a s ts e n tt h er e s u l t so ft h ec o u n t i n gd a t at ol c d d i s p l a y t h r o u g ht h el o c a lk e y b o a r do rr e m o t eo p e r a t i o n p a n e l c a l lb ep r o g r a m m e d ， r e s p e c t i v e l ym e a s u r i n gt i m er e l a y m e a s u r i n gf r e q u e n c yc o n t r o l ，b u ta l s o t o c o u n t e rt h eo p e n ，a n ds t o pc o u n t i n gf u n c t i o n so fc o n t r o l ，t h ev a r i o u sc o u n t e r sc a n a l s ob ei n i t i a l i z e d i na d d i t i o nt h es y s t e mn o to n l yc a r lt e s tt i m eo ft h et i m er e l a y ， b u ta l s oc a l lt e s tt h es i g n a lf r e q u e n c y t h es i n g l ec h i pc o m p u t e ro fa t 8 9 s 5 2 i n c l u d e s2 5 6b y t e so fr a ma n d8kb y t e so ff l a s hm e m o r y ，s oa l l c o n t r o l l i n g p r o g r a m c a l lb ed o w n l o a d st ot h es i n g l ec h i pc o m p u t e r t h es y s t e mc o m b i n e st h e c o n t r o l l i n gf l e x i b i l i t yo fs i n g l ec h i pc o m p u t e rw i t hp r o g r a m m a b l ep e r f o r m a n c eo f f p g ac h i p ( a c e x1 k 3 0 ) ，s oi tc a nn o to n l yg r e a t l ys h o r t e nd e v e l o p e dc y c l e ， r e d u c i n gt h ed e s i g nc o s t s ，b u ta l s oe n a b l et h es y s t e mi sc o m p a c t ，s m a l ls i z e ，w e i g h t l i g h t ，h i g hr e l i a b i l i t ym e a s l l r e m e mo ft i m e f r e q u e n c yr a n g ew i d e ，h i 曲p r e c i s i o n a d v a n t a g e s i tf i l l st h eb l a n ko fac e r t a i nt y p et i m er e l a yo ft e s tf o rt h es m a r t i n s t r u m e n ti nm ya i rf o r c e i th a sah i g he c o n o m i ca n dm i l i t a r yv a l u e t h i sp a p e r d i s c u s s e si nd e t a i lt h ed i f f e r e n tp a r t so ft h es y s t e mh a r d w a r ec i r c u i t ，s i n g l ec h i p c o m p u t e r ，f p g ad e s i g n ，s o f t w a r ep r o g r a m m i n ga n dt o p - d o w nd e s i g nm e t h o d sa n d s oo i l k e y w o r d s ：s i n g l ec h i pc o m p u t e r ，f p g a ，v h d l ，q u a r t u si i ，l a b v i e w i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究工作所作的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名刊澎卟。8 年j 月7 日 翩擗蛳萨r 月妒 6 7 西华大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 数显时间继电器是自动控制系统中常用的一种控制电器。由于其具有延 时精度高、延时范围广、在延时过程中延时显示直观等诸多优点，是传统时 间继电器所不能比拟的，故在当前自动控制领域里已基本取代传统的时间继 电器。数显时间继电器是近年发展起来的新一代控制仪器，它采用八位微电 脑核心芯片，为通电延时面板式继电器，上、下两排数码管显示，并应用了 独特的抗干扰技术，广泛应用于冶金、电子、机械、纺织、塑料制冷、电炉 烘箱、航空航天等需要时间控制的场合。然而对时间继电器计时准确性的智 能测试仪却没有得到同步发展，因而对时间继电器智能测试仪的研究就成为 一项紧迫的任务。 1 2 国内外时间继电器测试仪现状及其发展趋势 1 2 1 时间继电器测试仪国内外现状 虽然国内智能时间控制器起步较晚，但在时间继电器领域也有了长足的 发展，尤其是近几年来随着我国电子技术的不断发展和国内专用时间继电器 芯片的大量研发及应用，使其在机械、电子、通信、导航、航空航天等领域 得到广泛的应用。然而在国内外对这些大量应用的数显时间继电器的计时准 确性的自动测试仪的研究却没有得到同步发展，目前国内大多数使用单位仍 然在大量采用传统的机械式或者是模拟式时间检测仪器来测量时间继电器的 计时准确度，这种检测仪体积大、精度低、操作复杂对测试人员要求高。这 严重的制约了智能时间继电器的推广应用，因而这就迫切的需要研究一款体 积小、重量轻、操作简便的数显时间继电器智能测试仪并且能够同时对多款 不同型号不同种类数显时间继电器的准确性进行快速检测。 西华大学硕士学位论文 1 2 2 时间继电器测试仪发展趋势 测试仪的发展，最早是由机械装置来完成测量任务的，后来发展到采用 分离电子器件来完成，到现在已开始向着采用专用的c m o s 芯片来替代，尤 其近几年可编程逻辑控制器( p l c ) 以其通用性强、灵活性好、硬件配套齐全、 编程方法简单易学及可靠性高，被广泛地应用于自动控制测量仪器领域。目 前测试仪器仪表正在完成从模拟技术向数字技术的转变；正朝着数字化、微 型化、智能化、网络化方、虚拟化等向发展。时间继电器智能测试仪也必将 顺应这一趋势，将朝着性价比高、通用性强、体积小、功耗低、抗干扰能力 强、良好的数据处理能力、测量范围宽、测量精度高、易于人机对话、能够 进行远程控制测量并且测量方法简便以及易于升级等方向发展。 随着电子技术与计算机技术的不断发展，以单片机为核心的智能测量控 制系统层出不穷。在被测信号中，较多的是模拟信号和数字开关信号，而且 还经常遇到以时间频率为参数的被测信号，例如通信、雷达、卫星、导航及 流量、转速、晶体压力传感器以及经过参变量时间频率转换后的信号等。 对于以时间频率为参数的被测信号，通常采用的是测频法或测周法。该测试 仪系统的设计扬弃了传统的自下而上的数字电路设计方法，采用先进的技术 及自上而下的设计，把资源丰富、控制灵活及良好人机对话功能的单片机和 具有内部结构重组、现场可编程的芯片完美的结合起来，实现了对被测信号( 时 间频率) 的测量。由于具有编程方便、速度快、集成度高、价格低、可靠性好， 从而使系统研制周期大大缩短，产品的性能价格比得到提高。f p g a 芯片 ( a c e x1 k 3 0 ) 采用v h d l 语言编程，并在q u a r t u si i 设计平台上实现了全部编 程设计，单片机采用底层语言编程，可以精确地控制闸门的开启和关闭，从 而进一步提高了测量精度。随着该时间继电器智能测试仪的设计完成，及时 的填补了我单位某型军用航空时间继电器智能测试仪的空白，具有较高的经 济价值和军事价值以及良好的推广应用前景。 1 3 本课题的主要研究内容 l 研究了时间继电器测量的基本原理及其误差分析； 2 以单片机作为测试仪的主控部件实现了对仪器的管理、控制和显示； 西华大学硕士学位论文 3 基于q u a r t u s i i 和v h d l 语言在f p g a 芯片a c e x1 k 3 0 上采用自上而 下的数字电子系统设计方法，实现了对时间继电器测试仪的硬件及软件设计； 4 设计上位p c 机虚拟仪器控制程序并将上位p c 机虚拟仪器控制程序、 接口转换卡与测时间继电器测频的联调，实现系统的功能。 1 4 时间频率测量方法及其产生的误差分析n 幻旧， 时间频率的测量是电子测量领域的最基本的测量之一。在数字化测量系 统中对时间的测量通常都是转化为对频率的测量。由于频率信号抗干扰能力 强、易于传输、可以获得较高的测量精度，所以对频率测量方法的研究越来 越受到重视。目前许多非频率量的传感信号都要转化为频率信号来进行测量。 而常用的时间频率测量方法通常有以下两类：一类是模拟测量方法，另一类 是数字测量方法。 1 4 1 模拟测量方法及其产生的误差分析n 1 时间频率测量技术按工作原理可以分为直接法和比较法两类： 1 直接法 直接利用电路的某种频率响应特性来测量频率值。在某电路中，输入被 测频率f x 是电路和设备的已知参数a ，b ，c ，的确定的函数关系。 f x = 国( a ，b ，c ，)( 1 一1 ) ( 1 1 ) 式中由于a 、b 、c 是电路的已知参数，可根据a 、b 、c 等的值求 得f x 的值。这种测量方法简单，但是精度低。其测量误差主要来源于频率特 性式的理论误差，各参数的测量误差以及判断误差。 用这种方法测量频率的典型方法有电桥法和谐振法。前者用于低频段， 后者主要用于高频段或微波段，随着数字电子技术的发展这种测量方法正逐 渐被数字测量方法取代。 3 西华大学硕士学位论文 2 比较法 比较法通过利用标准频率f o 和被测频率f x 进行比较来测量频率f x 的。其 测量原理就是调整参数m 、n 使下式成立： n f x = m f o( m ，n 为正整数) ( 1 - 2 ) 则可求得f x 。利用比较法测量的精确度取决于标准频率f o 和判断上述等式成 立的精确度。 拍频法、示波器法和差频法等测量频率的方法都是属于此方法的测量范 畴。前两种方法主要用于低频频率段的测量，差频法通常用于高频频率段的 测量。但是随着数字电子技术的发展模拟测量方法正逐渐被数字测量方法取 代，数字测量方法被越来越广泛的应用，下面就对其进行介绍。 1 4 2 数字测量方法及其产生的误差分析腩6 7 1 电子计数器也是一种利用比较法进行测量的最常见最基本的数字化仪 器，是其它数字化测量仪器的基础，因而在时间频率的测量中被广泛应用。 计数器测量方法是其典型的应用。 计数器测量方法是根据频率的定义，记下单位时间内周期信号重复的次 数。目前该方法被广泛应用的是电子计数器。此方法的测量精度主要取决于 基准时间和记数的量化误差，本次设计就是采用的电子计数器法，下面对其 进行详细介绍。 传统的电子计数器法测频方法通常有以下两种：一种是直接测频法，另 一种是测周期法。近年来在传统测频方法的基础上人们又提出了等精度恒误 差测频法。 1 4 2 1 直接测频法 所谓直接测频法是根据频率的定义，把被测频率信号经信号调理电路后， 加到闸门的输入端，只有在闸门打开时间t ( 以秒计) 内，通过计数器计数被测 信号的脉冲个数n ，从而通过频率的定义计算出被测信号的频率。直接测频法 的原理框图如图1 一l 所示，工作波形如图1 2 所示。脉冲调理电路将被测信 号转变成脉冲信号，其频率与被测信号频率f x 完全相同，将它送入闸门。 4 西华大学硕士学位论文 闸门的开关时间由门控信号控制。脉冲为在开门时间内通过闸门的被测 脉冲信号被送至计数器计数，时基信号发生器产生精确的开门时间，若在开 门期间计数器计数值为n ，则被测信号的频率为： f x = n t ( 1 3 ) 只要设置适当的开门时间t ，就可以从计数器中直接读出被测信号的频 率。此种测量方法的测量相对误差可以表示为： a f x f x = a n n + a f o f o ( 1 4 ) ( 1 - 4 ) 式等号右边第一项为计数相对误差，简称“士1 误差”，是由于闸 门开启和关闭时刻与计数脉冲之间的时间关系不相关而产生的一种随机误差 的最大值；第二项为标准频率误差，即时基频率f o 准确度，是时基信号发生 器本身的误差。 f i g 1 1p r i n c i p l ed i a g r a mo fd i r e c tw a y t om e a s u r ef r e q u e n c y 图1 1 直接测频法原理框图 由于闸门的开关与计数脉冲不相关，即它们在时间轴上相对位置的随机 性及反映t t x 的比值关系的计数值n 只能取整数，导致在相同的闸门时间内 所计的数值可能不一致。在图1 2 中，t 为门控闸门开门时间，t x 为被测信号 周期，a t l 为闸门开启到第一个计数脉冲之间的时间间隔，t 2 为闸门关闭到 下一个计数脉冲之间的时间间隔，n 为计数器的计数值。 由图1 2 可知： t = ( n 一1 ) t x + a t l + ( t x 一t 2 ) = n t x + a t l 一t 2 西华大学硕士学位论文 a n = t f r x - - n - a t l t x - - a t 2 t x( 1 - 5 ) 睦i & ：! 兰&kb& ；& l 止 t 二二二二二= 二二； &k&k&kbk& f i g 1 - - 2w o r k i n gw a v es h a p eo fd i r e c tw a y t om e a 吼l l ef r e q u e n c y 图1 2 直接测频法工作波形 考虑到和的取值范围，有最大计数误差a n = + i ，即所谓的“士1 误差”。 根据误差绝对值合成法则，由( 1 - 3 ) 、( 1 - 4 ) 、( 1 - 5 ) 式可得到直接测频法误 差为： a f x f x = + ( 1 ，n + ia f o f o1 ) - j = ( 1 t f x + fa f o f o1 )( 1 6 ) 通常，因为时基信号f o 相当准确，所以( 1 - 6 ) 式两项误差中“士l 误差”是主要 的，通常第二项可忽略不计。由此可知，当闸门时间一定，当被测信号频率 较低时，由“士l 误差”产生的测频误差是比较大的。因此直接测频法通常用 于高频信号的测量而不宜用于测量低频信号。此种方法产生误差的主要原因 是由于闸门开通时间通常不是被测信号周期的整数倍，因此产生了“士l 误差”， 其测量精度为士i n 1 0 0 。为了提高测量精度，通常需要加大闸门打开时 间( t ) ，从而增加开门时间内的计数值，如果被测信号频率( f x ) 比较低，就需 要比较长的闸门时间，从而导致检测速度比较慢，甚至无法满足实时检测的 6 西华大学硕士学位论文 要求。所以该测量方法在低频段时产生的相对测量误差是比较大的。虽然增 大闸门时间可以提高测量精度，但是在低频段测量时效果还是不理想。因此 测量较低的频率时通常采用间接测周期法。 1 4 2 2 测周期法 测周期法是通过测量被测信号的周期来计算频率的。其测量电路框图如 图1 3 所示。被测信号经信号调理电路变成方波信号后，加到门控电路形成 门控信号t x ，控制闸门开关。在打开闸门期间，周期为t o 的时基信号通过闸 门送到计数器计数。设电子计数器计得的时钟脉冲个数为n ，则有： t x = n t o f x = 1 1 x = l n t o = f o n ( 1 7 ) f i g 1 - - 3p r i n c i p l ed i a g r a mo f c y c l e m e a s u r e m e n t 图1 3 测量周期的原理框图 这种测量方法产生的总误差也为两项合成值，即： a t x t x = + k f o t x + ia f o f o ( 1 8 ) ( 1 8 ) 式右边第一项为“士1 误差”，第二项为标准频率误差，通常可忽略 不计。由此可见当标准频率f o 一定时，被测信号频率f x 愈高，t x 愈小，由“士1 误差”引起的测量误差就愈大，所以测周期法通常用于测量低频信号而不宜 用于测量高频信号。近年来人们在传统的测频方法的基础上又提出了等精度 恒误差测频方法。 西华大学硕士学位论文 1 4 2 3 等精度恒误差测频法哺钔 1 基本方法： 为了保证测试精度，一般对于高频信号采用直接测频法；对于低频信号 采用测周期法，这就使得测试很不方便，因此人们近年来提出等精度恒误差 测频法( 多周期同步测频法) 。等精度恒误差测频法是在直接测频法的基础上发 展起来的。它的闸门时间不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍，即与 被测信号同步，因此，消除了对被测信号计数所产生“士1 误差”，并且达到 了在整个测试频段的等精度测量。等精度恒误差测频法是一种测量精度与被 测信号频率无关的测频电路，图1 4 给出了该等精度恒误差计数器的测频原 理框图，工作波形如图1 5 所示。在测量时间内，被测信号f x ，经脉冲调理 电路转换成脉冲信号后通过闸门a 由计数器a 计数，时基脉冲信号f o 通过闸门 b 由计数器b 计数。闸门a 和闸门b 的开关可由单片机通过控制闸门时间预置电 路和同步门控电路来完成的，从而得到完全相同的闸门开门时间。计数器a 和 计数器b 在相同闸门时间t 内对被测脉冲信号f x 和时基脉冲信号f o 分别计数 n x 和n o ，且有： f x = n x t ，f o = n o t ；( 1 9 ) 消去t 有： f x = n x f o n o ( 1 1 0 ) 被钡! j 信号 可控亡 数器a i 司r 时j 可 预置电路刊霎誊耀 闸r - b 单片机 工 可控计 数器b f i g 1 - - 4p r i n c i p l ed i a g r a mo fe q u a lp r e c i s i o nt of r e q u e n c ym e a s u r e m e n t 图1 4 等精度测频法原理框图 8 西华大学硕士学位论文 二磊忑焉磊i = 一一- 顸置的闸门开启时间t 二- 一一l 一 二= = 忑= = f 蟾1 - - 5w o r k i n gw a v es h a p eo fe q u a lp r e c i s i o n t of r e q u e n c ym e a s u r e m e n t 图1 5 等精度测频法工作波形 两个闸门开门的大体时间t7 可由人工预置，通常t 7 不一定是被测信号的整 数倍。因此，同步及门控电路的作用是将t 延长至t ，保证闸门开关与被测信 号同步，使闸门开启时间准确地等于被测信号周期的整数倍，由于闸门开门 时间与被测信号同步，计数器a 不存在“士1 误差”。使得测量误差与被测信号 无关，这样可以通过比较少的低频脉冲的测量达到同样的测量精度( 等精度) ， 从而提高了对低频脉冲的测量速度。因为t 与时基信号没有同步关系，所有对 n o 的测量仍然有“士l 误差”；如图1 5 中的t 1 和t 2 所示。因而该方法的 主要误差来源是时钟脉冲计数值n o 的“士1 误差 ，但是时基频率f o 往往比较 高并且足够稳定，使n o 测量中的“士1 误差足够小且稳定。同时由于n o 是一 个可以控制的因素，可以通过增大时基脉冲的频率，使其在闸门开门时间内 计数值n o 足够大从而达到提高测量精度的目的。同时还可以采用恒温或者带 有温度补偿晶体振荡器提高时基频率的稳定度从而提高测量的准确度。 9 西华大学硕士学位论文 对于等精度恒误差的测频方法的误差分析将在第4 章第l 节作比较详细的 分析。 1 5 时间继电器测试仪设计方案论证l o t 1 1 1 1 2 依据前面的时间频率测量原理及其误差分析，1 同时考虑到我单位目前使 用的时间继电器的具体情况( 所用的军用时间继电器都是数字信号输入并且频 率都比较高，具体的性能参数根据保密规定在此就不便作具体说明) 以及结合 实验室的具体情况，我们选择了直接测频方法来完成本次设计。对于前面提 到的等精度恒误差测频方法由于是近几年才发展起来的所以没有在本设计中 采用，但是如果将来要对系统进行改进或升级则需要优先考虑这种方法，这 也是本设计下一步需要完善的地方。随着计算机技术、大规模集成电路技术、 e d a 技术的发展和可编程逻辑器件的广泛应用，传统的自下而上的数字电路 设计方法、工具以及分离器件等己远远落后于当今技术的发展。基于e d a 技 术和硬件描述语言( v h d l ) 的自上而下的设计方法正在承担起越来越多的数字 系统设计任务。本时间继电器智能测试仪的设计就采用了白上向下的设计方 法，用单片机作为系统的主要控制部件，实现对整个电路的测试信号控制、 数据运算处理、键盘扫描和控制液晶显示器的显示输出等。以一块现场可编 程逻辑器件f p g a 芯片( a c e xl i f o ) ，完成时基分频、时序逻辑控制、计数、 输出等功能。基于q u m u si i ，用v h d l 语言编程对f p g a 进行设计、编译、调 试、仿真和下载，实现了测试仪的模块化设计。这样相对于分离器件来说大 大的缩小了体积、减轻了重量，提高了系统的集成度和可靠性。在a t 8 9 s 5 2 单片机控制下，当打开闸门时，被测器件时间继电器的信号和时间基准信号 被送入计数器的输入端开始计数，当闸门信号关闭时计数器停止计数，单片 机将f p g a 内的1 2 位十进制计数器的计数值读入其内存进行处理后，并将计数 结果送l c d 显示。通过对本地键盘或远地可程控面板操作，可以分别对时间 继电器和时基信号计数器的开启、停止计数功能进行控制，也可以对各个计 数器进行初始化。该系统除了能够测试我单位的时间继电器的准确性外，还 可以用来测试数字信号的频率，对系统稍作改动还可以用于测量脉宽及占空 1 0 西华大学硕士学位论文 比等。a t 8 9 s 5 2 单片机内含2 5 6 字节r a m 和8 k 字节快闪存储器，因此全部控制 程序可装入单片机。系统将单片机的控制灵活性及f p g a ；茁= , 片( a c e x1 k 3 0 ) 的 现场可编程性相结合，不但大大缩短了开发研制周期、降低了设计成本，而 且使本系统具有结构紧凑、体积小、重量轻、可靠性好、精度高、易于升级 等优点，而这些都是军用测量仪器的基本要求。 西华大学硕士学位论文 第2 章时间继电器测试仪的硬件电路设计 2 1 时间继电器测试仪的组成及总体框图3 m 引n 时间继电器测试仪的组成如图2 1 所示，它主要由被测时间继电器组、 继电器测试仪主机系统和测试仪显示控制面板三部分组成、其核心部分由时 间继电器测试仪主机系统组成，它主要包括c p u ( a t 8 9 s 5 2 单片机) 、f p g a ( 现 场可编程逻辑芯片a c e x1 k 3 0 ) 、键盘、液晶显示等部分和其它各种接口等； 其他部分还包括时间继电器组( 可以同时最多测量8 个不同规格的时间继电器) 以及测试仪虚拟显示控制面板等组成。系统复位后，各部分都处于准备工作 状态。在启动信号到来后，被测时间继电器的信号和基准频率信号在单片机 的控制信号的控制下进入f p g a 中的计数器计数，计数结束后其结果送到缓 冲器，当单片机接收到计数结束信号后到缓冲器取出数据进行处理后送到液 晶显示器进行显示输出。键盘控制命令通过串口读入单片机，实现启动停止 测量、初始值设置、测时间继电器或者测频选择功能以及测时间继电器的时 标设置和测频率时的闸门时间设置等。测试仪虚拟显示控制面板也可以进行 本地和远程测试设置和显示以及本地键盘所具有的一切控制功能。时间继电 器测试仪的总体框图如图2 _ 2 所示。 时问继电器ji 时问缝电罄ff 时问缝电罄ii 时同继电器j 时问缝电器组 翁 ? 匝刊c p u 箧 f 测试仪显示控制面板( 电脑) f i g 2 1c o m p o s i t i o nd i 卿o f t i m er e l a ym e a s u r i n gi n s t r u m e n t 图2 一l 时间继电器测量仪组成框图 1 2 西华大学硕士学位论文 f i g 2 2o v e r a l ld i a g r a mo f t i m er e l a ym e a s u r i n gi n s t m m e n t 图2 2 时间继电器测量仪总体框图 2 2 单片机主控模块设计n 6 儿 埘 2 2 1 a t 8 9 s 5 2 单片机简介 a t 8 9 s 5 2 是一种高性价比的微控制器，结合系统设计需要我选用了这元 器件。由于它是一款低功耗、高性能c m o s8 位微控制器，具有8 k 在系统可编 程f l a s h 存储器。使用a t m e l 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业8 0 c 51 产品指令和引脚完全兼容。片上f l a s h 允许程序存储器在系统可编程，亦适 于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位c p u 和在系统可编程f l a s h ，使得 a t 8 9 s 5 2 能够为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 a t 8 9 s 5 2 具有以下标准功能：8 k 字节f l a s h ，2 5 6 字节r a m ，3 2 位i o 口线， 看门狗定时器，2 个数据指针，三个1 6 位定时器计数器，一个6 向量2 级中断 结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，a t 8 9 s 5 2 可降至0 h z 静 态逻辑操作，支持2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，c p u 停止工作，允 许r a m 、定时器计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，r a m 内容 被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位 为止。 2 2 2 单片机控制电路设计 单片机测频控制电路如图2 3 所示，单片机通过总线与f p g a 相连，并 完成整个测量电路的测试控制、数据处理、键值输入和液晶显示输出的控制、 管理等工作。f p g a 内部集成了门控电路、计数电路和分频电路等，从而完成 西华大学硕士学位论文 各种测试功能。 1 、系统的复位清零由单片机控制。在每次测量前都要对各个模块进行复位， 从而保证在连续测量时的准确性。 2 、f s 为标准频率信号输入端，是由5 m 的有源恒温晶振经过不同系数分 频后提供不同时基频率。 3 、系统的测继电器和测频功能是由单片机的c s 0 和c s l 来控制的。当c s 0 = 1 ，c s l = 0 是测量时间继电器；c s 0 - 0 ，c s l = 1 测量频率。 4 、在进行时间继电器测量时闸门的开启、关闭时刻是通过时间继电器本身 来控制的；在进行频率的测量时闸门的开启和关闭是通过键盘设置并由单片 机进行控制。 5 、f p g a 在对被测信号进行计数时，采用1 2 位十进制计数器进行计数，4 8 位数据通过总线利用a t 8 9 s 5 2 单片机的p o 口分6 次将计数器中的数据全部读 出。被读出的6 组8 位数据经过单片机运算处理后，通过其p 2 口控制的地址 编码控制数据的输出。经处理的数据送液晶显示器显示输出，从而完成了系 统的测试任务。 1 4 西华大学硕士学位论文 f 追2 3m c sc o n t r o lc i r e m t 图2 - - 3 单片机控制电路 2 3 基于v h d l 及q u a r t u si i 设计测试仪模块 2 3 1v h d l 语言简介n 钔旺 v h d l 的英文全称是v h s i c ( v e r y h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e 。19 8 3 年由美 h i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i t 、 国国防部( d o d ) 发起创建，由 i e e e ( t h ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 进一步发展并在 1 5 西华大学硕士学位论文 1 9 8 7 年作为“i e e e 标准1 0 7 6 ”发布。1 9 9 3 年被更新为i e e e 标准1 1 6 4 。 h d l 的出现是为了适应电子系统设计的日益复杂。若以计算机软件的设计与 电路设计做个类比，机器码好比晶体管m o s 管；汇编语言好比网表；则h d l 语言就如同高级语言，v h d l 在语法和风格上类似于现代高级编程语言，如c 语言。但要注意，v h d l 毕竟描述的是硬件，它包含许多硬件特有的结构。 现在v h d l 被广泛用于：电路设计的文档记录、设计描述的逻辑综合、 电路仿真等。v h d l 及自顶向下的设计方法在大型数字系统设计中被广泛采 用。先用较抽象的语言( 行为算法) 来描述系统结构，然后细化成各模块，最后 可借助编译器将v h d l 描述综合为门级。设计过程一般如下： 1 代码编写； 2 由综合器( 如s y n p l i f y , s y n o p s y s 等) 综合成门级网表； 3 前仿真功能仿真； 4 布局布线至某一类c p l d f p g a 中； 5 后仿真时序仿真。 2 3 2o u a r t u sn 概述瞻2 【2 3 1 q u a r t u si i 是a l e r a 提供的f p g a c p l d 集成开发环境，a l e r a 是世界最大 可编程逻辑器件供应商之一。q u a r t u si i 在2 1 世纪初推出，是a l e r a 前一代 f p g a c p l d 集成开发环境m a x + p l u si i 的更新换代产品，其界面友好，使 用便捷。在f p g a 上可以完成开发的整个流程，它提供了一种与结构无关的 设计环境，使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。 a l e r a 的q u a r t u si i 提供了完整的多平台设计环境，能满足各种特定设计的 需要，也是单芯片可编程系统( s o p c ) 设计的综合性环境和s o p c 开发的基 本设计工具，并为a l e r ad s p 开发包进行系统模型设计提供了集成综合环境。 q u a r t u si i 设计工具完全支持v h d l 、v e f i l o g 的设计流程，其内部嵌有v h d l 、 v e f i l o g 逻辑综合器。q u a r t u s i i 也可以利用第三方的综合工具，如l e o n a r d o s p e c t r u m ，并能直接调用这些工具。同样q u a r t u s i i 具备仿真功能，同时也支 持第三方的仿真工具，如m o d e ls i m 等。此外q u a r t u si i 与m a t l a b 和d s p b u i l d e r 结合，可以进行基于f p g a 的d s p 系统开发，是d s p 硬件系统实现 1 6 西华大学硕士学位论文 的关键e d a 工具。 q u a r t u si i 包括模块化的编译器。编译器包括的功能模块有分析综合器 f a n a l y s i s & s y n t h e s i s ) 、适配器( f i t t e r ) 、装配器( a s s e m b l e r ) 、时序分析器( t i m i n g a n a l y z e r ) 、设计辅助模块( d s i g na s s i s t a n t ) 、e d a 网表文件生成器( e d an e t l i s t w r i t e r ) 和编辑数据接口( c o m p i l e rd a t a b a s ei n t e r f a c e ) 等。可以通过选择s t a r t c o m p i l a t i o n 来运行所有的编译器模块，也可以通过选s t a r t 择单独运行各个模 块。还可以通过选择c o m p i l e rt o o l ( t o o l s ) 菜单，在c o m p i l e rt o o l 窗口中运行 该模块来启动编译器模块。在t o o l 窗口中，可以打开该模块的设置文件或报 告文件，或打开其他相关窗口。 此外，q u a r t u si i 还包含许多十分有用的l p m ( l i b r a r yo fp a r a m e t e r i z e d m o d u l e s ) 模块，它们是复杂或高级系统构建的重要组成部分，在s o p c 设计中 被大量使用，也可在普通设计文件一起使用。q u a t u si i 提供的函数均基于器 件的结构做了优化设计。在许多实用情况中，必须使用宏功能模块才可以使 用一些特定器件的硬件功能。例如各类片上存储器、d s p 模块、p l l 等 q u a r t u si i 编译器支持的硬件描述语言有v h d l ( 支持v h d l 7 8 7 及v h d l 9 7 标准) 、v e r i l o gh d l 、a i - i d l (