（电路与系统专业论文）多功能、数字化、便携式场强仪的设计.pdf

太原理_ 人学硕j 学位论文 摘要 本文对有线电视场强仪应具备的功能，以及实现功能的技术指标进 行了研究。在此基础上，设计了多功能、数字化、便携式场强仪。该场 强仪可以对有线电视系统的电平、频谱、载嗓比、a j v 比、系统不平度、 交流干线和电池电压等进行测量，并通过液晶显示，结果保存于e p r o m 中。 本课题针对模拟和数字电视信号的不同特点采用了不同的测量方 法，在对射频信号进行衰减和下变频处理后的中频信号经过模数转换后， 进入数字电路处理。数字电路以单片机a t 8 9 c 5 5 作为场强仪的核心芯 片，结合外部芯片8 1 5 5 h 、t l c l 5 4 9 、x 2 5 6 4 5 、m s c m 1 2 8 6 4 以及m a x 2 3 2 组成场强仪的数字处理电路，将信号处理并把结果显示保存。同时，还 对场强仪的软件进行了设计。 与同类产品相比，浚场强仪不仅可以测量模拟信号，而且也可以测 量数字信号的电平，且具有体积小、功能全、价格低的特点。 关键词：场强仪，电平，测量 太原删t 大学坝十学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rg i v e sar e s e a r c ho i lt h eb a s i cf a n c t i o n sa n dt h e i rt e c h n i c a l t a r g e to f t h ec a t vf i e l ds t r e n g t hm e t e r t h e nam u l t i f u n c t i o n a l ，d i g i t a la n d p o r t a b l ef i e l ds l x e n g t hm e t e ri sd e s i g n e db a s e do nt h i sr e s e a r c h t h i s i n s t r u m e n tc a nm e t e rt h ee l e c t r i cl e v e l ，f r e q u e n c ys p e c t r u m ，c a r r yt on o i s e r a t i o ，a v ，c o b b l yr a t i o ，v o l t a g e so ft h ea ct r u n kl i n ea n dt h e b a t t e r y f u r t h e r m o r ei tc a nd i s p l a yt h ea b o v ei n f o r m a t i o no dt h el c da n d s t o r et h e mi nt h ee p r o m i nt h i s p a p e r ，v a r i a n tm e t e r i n gm e t h o d sa r et a k e ni nt e r m so ft h e d i f f e r e n tf e a t u r e so f t h ea n a l o gs i g n a la n dt h ed i g i t a ls i g n a l ，t h er f s i g n a li s a t t e n u a t e da n dd o r a lc o n v e r t e dt oi n t e n n e d i a t e f r e q u e n c y a n dt h e n t r a n s m i t t e dt ot h ed i g i t a lc i r c u i t t h ed i g i t a lc i r c u i to ft h ef i e l di n t e n s i t y i n d i c a t o ri sc o n t r o l l e d b yt h es i n g l ec h i pc o m p u t e ra t 8 9 c 5 5w i t ht h e p e r i p h e r a lc h i p s8 1 5 5 h ，t l c l 5 4 9 ，x 2 5 6 4 5 ，m s c m 1 2 8 6 4a n d m a x 2 3 2 t h es i g n a li sp r o c e s s e db yt h ef i e l di n t e n s i t yi n d i c a t o rw i t ht h e r e s u l tb e i n gd i s p l a y e da n ds t o r e d m e a n w h i l et h es o f t w a r eo ft h ef i e l d s t r e n g t hm e t e ri sd e s i g n e d c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rk i n d so f f i e l ds t r e n g t hm e t e r ，t h i so n ea l s oh a s t h ef i m c t i o nt om e a s u r et h ee l e c t r i cl e v e lo ft h ed i g i t a ls i g n a le x c e p tf o rt h e a n a l o go n e 。s i ti sr e l a t i v e l yc h e a p ，m u l t i f u n c t i o n a la n ds m a l l k e yw o r d s ：f i e l ds t r e n g t hm e t e r ，v o l t a g e ，m e a s u r e m e n t 太原理r 大学硕卜学位论史 第一章绪论 1 1 现有有线电视场强仪发展综述 在有线电视系统中，为了保证得到清晰的图像和声音信号，必须对 c a t v 终端的电视信号场强进行测量。目前市场上能够测量模拟电视信 号的场强仪有很多种，但能够测量数字信号的除了昂贵的频谱分析仪和 其它的专用仪表之外，便携式、智能化的场强仪还很少。本文设计了一 种利用单片机m c s 一5 1 实现的、能够测量模拟和数字电视信号的便携式 智能化场强仪。 有线电视场强仪的发展历程有以下几个特点： 1 由单一的测量功能向多功能测量的转变 随着电视技术，信息处理技术以及微电子技术的发展，现在国内外 的场强仪向功能复合化发展。原有的场强仪只能测量模拟电视信号的电 平，新型的场强仪不1 ：日要求能够测量模拟电视信号的电平值，随着有线 电视数字化进程的加快，测量数字电视信号的电平值也成为必需的功 能。另外，场强仪还要求能进行频谱分析，即把原来频谱分析仪的一部 分功能复合到场强仪上。除了这两个主要功能外，载噪比( c n ) ，图像 载波伴音载波比( a ，v ) ，交流干线电压测量，系统小平度，全频道电平 测量和电池电压测量等功能也能实现 2 产品的多元化 针对不同的应用，场强仪也呈现出多种形式。 大中型电视台使用的场强仪多为台式，彩色屏幕，功能齐全，精度 高，价格昂贵，以进r 设备为主。小型电视台和野外施工人员一般使用 背包式或便携式场强仪，以数码管或液晶显示，功能较少，精度较低， 价格较为便宜，以国产设备为主。根据不同的需要和侧重，对功能适当 太原删l 犬字蜘上芋位论又 的增减，就实现了各种档次和型号的场强仪，价格覆盖不足千元至数万 元不等，满足了各种人员的需要。 3 设备的小型化 传统的场强仪多为台式以及背包式，比较笨重随着大规模集成电 路以及新材料、新工艺的飞速发展，原来很多需要大量硬件电路才能实 现的功能，现在只用几个芯片都可以实现，使得场强仪的小型化成为可 能。便携式场强仪已经大量涌入市场，凭借其便于携带，功能较全，性 价比较高等优点成为主流。 4 功能更强大 新型场强仪的测量范围比以前的场强仪有了较大提高，动念范围已 能达到3 0 d buv 1 2 0 d b ! - tv ，温度范围达到一2 0 6 0 。c 测量频率范围 由4 8 8 6 0 m h z 达到5 8 6 0 m h z ，测量精度也相应提高了o 5 l d b 。 5 更加智能化 随着硬件的提高，场强仪的数字化程度也相应提高，一部分原来由 硬件完成的测量功能也被软件所替代。界面也由指针或简单的数字向图 形或菜单转变，更加友好。并能自动识别模拟信号和数字信号，区分不 同的制式，完成存储、打印以及与计算机的数据交换等功能。 1 2 本文的主要工作 随着有线电视网的双向改造，以及电视节i = 1 信号向数字化发展，传 统的测量设备已不能满足系统测量的要求，同时，为了方便用户对系统 进行测试，评估系统的性能，就需要开发新一代的场强仪。 本文主要对基于单片机的有线电视场强仪的数字电路和软件程序进 行了设计。在进行系统的整体设计时，考虑到能够满足测量指标的前提 下，选用了具有高性价比的各类元器件，使该产品在市场中更具有竞争 力。在软件的编制上，采用汇编语言进行了模块化的设计，在满足处理 一2 一 查堕型王尘兰塑兰：兰些堕苎 速度的条件下，完成了对输入输出控制和测量数据的显示和保存等功能。 1 3 内容简介和安捧 本文首先对场强仪在有线电视系统中的作用和目前国内外现有的产 品进行了阐述，介绍了场强仪在发展中不断增加的新功能和新特点，并 提出了研究的前景和本文的工作。 第二章对场强仪的功能和指标做了较为详细的介绍，然后主要阐述 了场强仪的测量原理，针对模拟和数字电视信号采用不同的测量方法分 别进行了论述。 第i 章介绍了该系统的数字电路部分的馒件设计，包括了总体方案 和各个子电路的设计以及主要芯片的功能和具体的应用。 第四章对场强仪的软件进行了介绍。主要按照不同的测量功能分为 各个子模块，并对共同调用的显示模块和键盘输入输出模块以及最后对 数据的标定进行了详细的说明且给出了具体的流程图。 第五章结束语对本文进行了总结，提出了值得改进的内容和以后可 以进一步研究的发展方向。 太原璀1 二火学顿士学位论文 第二章场强仪的工作原理 2 1 场强仪的功能 c a t v 场强仪主要完成有线电视系统所传输电视信号的咀下主要测 量功能： 1 电平测量：包括单频道电平测量、指定频道的电平测量、全频道 电平测量三种情况，在其中又包含了模拟电视信号的图像载波电平、伴 音载波电半、图像伴音载波功率比的测量以及数字电视信号的指定带宽 内的功率电平测量。 2 载噪比测量：指定频道内的载波电平与噪声功率的电平比值的 测量。 3 频谱分析：显示指定频段内的信号频谱分布状况，在指定频率 处的电平测量。 4 干线交流电压与电池直流电压的测量。 2 2 场强仪的技术指标 测量频率：5 8 6 0 m h z 测量电平：射频 3 0 1 2 0 d b g v a v 比0 2 0 d b 测量精度：士2 0 d b 检波方式：峰值检波，平均值检波 测量带宽：5 5 0 k h z 环境工作温度：2 0 + 6 0 p l l 频率合成调谐电路，分辨率5 0 k h z 液晶显示：1 2 8 b i t 6 4 b i t 4 太原理工大学坝士学位论文 高性能可充电锂电池：1 2 v 多制式：p a l 、n t s c 、s c e a m 2 3 场强仪的工作原理 在有线电视系统中，数字电视信号采用正交幅度调制( q a m ) ，模 拟电视信号采用幅度调制( a m ) 。数字视频广播( d v b c ) 的调制信号 不出现载波，数字调制信号频率非常类似于噪声。在频谱分析仪上可以 明显地区分出模拟信号和数字信号的频谱波形。模拟信号有明显的图像 载波和伴音载波，可以直接测量出图像载波电平和伴音载波电平。而在 数字信号的梯形频谱中充满了类似噪声的数字调制信号，没有载波，不 能直接测量数字载波电平。因此，数字载波电平的测量方法与模拟载波 电平的测量方法不同。 对于数字信号电平的测量，首先要测量出数字信号的最大电平，然 后测出其3 分贝带宽，按下式即可求出数字信号电平。 = 州0 i g 嘉“ 式中：儿为数字信号的电平 为数字信号最大电平 b 。为数字调制信号的频道带宽 b 。为带通滤波器的带宽 k 为校准系数，一散取17 d b 数字式场强仪的测量原理框图如图21 所示。 太原理 - 大学硕士学位论文 输 图2 1数字式场强仪测量原理 由c a t v 终端输入的5 8 6 0 m h z 的射频信号由测试口进入可调的衰 减网络调整，衰减网络由单片机控制，当信号场强值为2 0 8 0 d b , t t v ，衰 减网络自动置于直通状态，当为8 0 1 2 0d b l a v 时，衰减网络自动置于衰 减状态。 输入信号经可变衰减器后，进入混频器变频降为中频信号，经滤波、 检波后，测量出数字信号的最大电平，再送入a d 变换器变为数字信号， 由单片机根据上述公式计算出结果进行处理并显示记录。 d v b c 数字式场强仪的具体电路框图如图2 所示。 由于输入为5 8 6 0 m h z 的射频信号，频带很宽。所以首先对其进 行三次混频处理，将其载波降为1 0 7 m h z ，然后再送入检波器，检波 后的信号直接由数字电路进行处理。 具体工作过程如下： 被测信号经衰减网络后进入低通滤波器，滤除测量频段以外的杂 散信号，送至第一混频器，第一压控振荡器的振荡频率由c p u 根据测 量频率对第一锁相环通过1 2 c 总线控制，其频率范围为 1 2 4 0 2 1 0 0 m h z 。射频信号经第r 一混频器后，变为固定的第一中频信 号，频率为1 2 3 8 m h z 。经第一中频滤波器滤除其它分量，进行中频放 大后，送至第二混频器，输出3 8 m h z 的第二中频信号，其滤波放大 后又送至第三混频器。第三混频器的本振为2 7 3 m h z 的晶体振荡器， 输入信号经第三混频器后变为1 0 7 m h z ，经过选频后，进行放大和包 6 太原理工大学硕士学位论文 络检波，输出反映其包络变化的直流信号。在测量数字信号时，选择 刁i 同带宽的视频滤波器，检波后的信号经视频滤波器后进行a d 转换， 数据由单片机进行处理。 在整个测量过程中，单片机对可变衰减器、第一锁相环和视频滤 波器进行控制。可变衰减器用末控制输入信号电平，输入电平每比8 0 d b “v 高1 0d b ，衰减器的衰减量就增加l o d b 。第锁相环根据测量 点的频率，将第一压控振荡器频率锁定于1 2 3 8 + 。，n 为测量点频率， 分频比数据由c p u 传送。视频滤波器在模拟信号电平测量时要求断 开，在测量数字信号或噪声时，要求接入低通滤波器以平滑检波后的 直流信号。 场强仪的具体电路框图见图22 所示。 太原理工人学硕j 学位论文 匝靶誊申蛙哮蛊警嘿蠼韬仆鼎qo n丑 太原理工人学硕士学位论文 第三章场强仪的数字电路设计 场强仪的数字电路原理框图如图3 1 所示，主要包括以下几个部分。 1 单片机a t 8 9 c 5 5 2 锁相环电路 3 中频处理电路 4 i o 扩展电路 5 显示电路 6 a d 转换电路 + c o n t r o lb u s 图3 1 场强仪的数字【u 路框图 单片机a t 8 9 c 5 5 芯片的原理与m c s 一5 1 的原理相同，只是片内的 r a m 为1 2 k ，这里就不多论述了。 一9 太原 ：! ! t 大学倾土学位论文 3 1 锁相环的设计 锁相环采用飞利浦公司的t s a 5 0 5 5 t 集成锁相环路来实现频率合成 电路。场强仪在测量有线电视系统所有频道的场强时，均需要被测频道 的载波频率。并且在测量频谱时，场强仪要测量系列频率点的电平， 这样就需要场强仪自动改变本振频率。采用数字锁相频率合成法，只需 工f 确选择分频器的分频数和合适的参考频率，即能获得符合要求的离散 频率序列。 场强仪中t s a 5 0 5 5 的实际电路图如图3 2 所示： 图3 2 场强仪中t s a 5 0 5 5 t 电路原理图 1 2 c 总线利用s d a ( 数据线) 和s c l ( 时钟线) 与挂接于总线上的 器件之间互通信息。这些器件有自己唯。的地址，并能作为传送器或接 收器工作，器件分为主器件和从器件。主器件是启动、控制和终止传输 的器件，从器件是被主器件寻址的器件。由于总线仲裁及时钟同步机制 的采用，1 2 c 总线实现了多主机控制总线的功能，而这些功能的实现均 1 0 森j 泉挫【大字坝j j 字位论文 由“线与”的功能产生。1 2 c 总线由s d a 和s c l 组成。s d a 及s c l 为 双向线，用上拉电阻接到电源币极，当总线空闲时，此两线都是高电平， s d a 线上的数据在时钟高位时必须稳定。数据线上高低状态只可当s c l 线的时钟信号低电平时才可转换。 在数据传送时，必须送上确认位。与确认有关的时钟脉冲是由主控 器发出。在确认时钟脉冲期间，发送端将s d a 线拉低，因此在时钟脉冲 高电平期间，它维持稳定的低电平；每一个送至s d a 线的数据一定是八 位。每一次传送的字节数量没有限制。每字节必须有一确认位跟随。数 据传送以最高有效位为先。在开始条件之后，一个从属地址被送出。这 个地址是7 位长，然后是第8 位。它是一个数据方向位( 读写) “0 ” 代表发送( 写八) ，“1 ”代表需求数掘( 读入) 。数据传送通常以主控器 所发出的停止条件( p ) 而终结。 场强仪通过1 2 c 总线来控制第一本振的频率，从而可以根据键盘输 入来选择相应测量对象的目的。a t 8 9 c 5 5 利用p 1 0 做为s d a ，p 1 1 做 为s c l ，直接与t s a 5 0 5 5 t 的1 2 c 总线相连，通过软件模拟1 2 c 总线时 序，向t s a 5 0 5 5 t 输入选择数据。a t 8 9 c 5 5 通过定时对键盘进行扫描， 得到输入数据，计算出分频数据，依次送至t s a 5 0 5 5 t 。 经过传送地址( 第一字节) ，然后数据字节由主控器传送到芯片。总 线控制器有自动控制机制允许一个传送过程传送一个地址字符和四个数 据字节到t s a 5 0 5 5 t 。如果地址字节后紧跟着的数据字节是字节2 或字 节4 时，t s a 5 0 5 5 t 可以被部分编程。第一个数据字节的第一个比特标 志传送的是频率数据( f i r s tb i t = 0 ) 还是端口数据( f i r s tb i t = 1 ) 。数据可 以一直传输到1 2 c 总线的停止条件发生。 3 2 中频处理电路的设计 中频处理电路主要由m c 3 3 5 6 芯片来完成。此芯片可以完成对数放 太腺理工人学硕士学位论文 大，第三混频，以及输出电平强度的功能。 r f 为射频输入端，m c 3 3 5 6 的最大输入频率可达1 0 0 m h z 。在设计 中，来自第二混频器的中频信号由此端口输入，其频率为3 8m h z ，本 振信号由4 8 7 m h z 的晶体产生，由于晶体是工作在其谐波上，因此必须 加上l c 选频网络，以保证产生所需的本振频率，混频后的信号经陶瓷 滤波器滤波后得到1 0 7m h z 的第三中频信号。陶瓷滤波器的中心频率 为1 0 7 m h z ，带宽为2 8 0 k h z ，此带宽决定了噪声信号的测量带宽，1 0 7 m h z 的信号进入限幅放大器后分成三路输出。 在场强仪中，使用要测量输入信号各频率点的电平值，因此所需信 号由m c 3 3 5 6 的1 4 脚输出。然后分为两路，一路接峰值检波器，一路 接平均值检波器，由单片机来进行选择，再送入a d 转换器进行模数转 换。当测量载波电压时，凶为测量的是同步头电压，所以使用峰值检波 器。其余的功能选用平均值榆波器。整个中频信号处理电路如图33 所 不。 一 ” i ii l ，。fj 卜 峨 一 当 。l t 。o _ 一卜 ! 一_ j u - 、1 1 一： !_ 。 r 、 ，刭，。j 、 崆值检馥 1 二。2i ：j 。，” 删!l ，卜 。 q j 一 图3 3 中频处理电路原理图 竺 盏 、高 太原删_ i ：= 大学坝十学位论文 3 3u o 扩展芯片8 1 5 5 h 芯片介绍 由 i 二a t 8 9 c 5 5 的i o 副数目的限制，键盘和显示的控制和数据 线由i o 扩展j 占片8 1 5 5 h 来提供。 3 3 18 1 5 5 的逻辑结构 8 1 5 5 的逻辑结构如图3 4 所示。 8 15 5 h 的引脚功能说明： r e s e t ：8 1 5 5 h 内部复位信号输入端。在此端出现5 u s 左右宽的正 脉冲，8 1 5 5 h 被初始复位，复位或i o 口变为输入方式。 a d o 7 ：三念的地址数据线，地址可以是8 1 5 5 h 的r a m 单 元地址或i o 口地址。a d o 7 上的地址由a l ef 降沿锁存到8 1 5 5 h 内部地址锁存器，而i o m 引脚的极性决定地址是r a m 的还是i o 的。8 位数据是写入到8 1 5 5 h 芯片或从8 1 5 5 h 芯片读出，取决于 w r 有效还是r d 有效。 图348 1 5 5 h 的逻辑结构图 c e ：片选信弓线，低电平有效。也由a l e 下降沿锁存到8 1 5 5 h 内 部锁存器。 奎璺些三查堂堡主兰堡堡苎 i o m ：8 1 5 5 h 的r a m 存储器和i o 口选择线。i o m = 0 ，a d o 7 的地址为8 1 5 5 h r a m 单元的地址，选择r a m ；i o m = 1 ，a d 0 7 的地 址为8 1 5 5 h i o 口的地址，选择i o 口。 r d ：读选通信号，低电平有效。r d 为低电平，c e = 0 时，8 1 5 5 h 内r a m 单元或i o 口内容传送到a d o 7 。 w r ：写选通信号，电平片有效。当c e = 0 时，w r 端出现负脉冲， c p u 输出到a d o 7 的数据写入8 1 5 5 h 的r a m 单元或y o 口。 a l e ：地址锁存允许端。控制信号a l e 的后沿可锁存a d o 7 线l 的地址和锁存的状态并把i o m 的状态寄存到8 1 5 5 h 的内部寄存器中。 p a 0 7 ：这8 根线是口a 的通用i o 线，由程序控制的命令寄存器 选择输入输出方向。 p b 0 7 ：这8 根线是口b 的通用i o 线，由程序控制的命令寄存器 选择输入输出方向。 p c 0 5 ：这6 根线是p c 口线。有两个作用，一是作为口c 的i o 线或作为p a 口和p b 口的控制信号。通过命令寄存器实现程序控制。当 p c 0 7 用作控制信号时，作用如下： p c a i n t r ( 口a 的中断请求) p c i a b f ( 口a 缓冲器满) p c 2 ，a s t b ( 口a 选通脉冲) p c 3 i b i n t r ( 口b 的中断请求) p c 4 - - b b f ( 口b 缓冲器满) p c 5 - - b s t b ( 口b 选通脉冲) t i m e ri n ：定时器i t 数器时钟输入。 t i m e ro u t ：定时器计数器输出，输出信号是矩形还是脉冲波形 取决于定时器计数器的工作方式。 v c c ：电源线，接+ 5 v 直流电源。 一14 太棘理1 人学硕卜学位论殳 v s s ：接地线，接到公用地线上。 3 3 2c p u 对8 1 5 5 h 的r a m 单元和i o 的寻址 i o m = 0 时，c p u 对8 1 5 5 h 的2 5 6 个字节的r a m 寻址。 i o m = 1 时，c p u 对8 1 5 5 h 的i o 寻址，编址如表3 1 所示。 袭3 18 1 5 5 hr a m 单元和i o 的编址表 a d 7 a d o寄存器 a 7 a 6 a 5a 4 a 3 a 2a 1a 0 xxxxx000 命令状态口 xxxxx0o1a 口( p a 0 7 ) x x xx x0l0b 口( p b o 7 ) xxxx x 01l c 口( p c o 7 ) xxxxx100 定时器低8 位 xxxxxloi定时器高8 位和操作方式 3 3 38 1 5 5 h 的命令字和状态宇以及i o 的工作方式 8 1 5 5 h 内部的命令寄存器和状态寄存器使用同一个端口地址。命令 寄存器只能写入不能读出，状态寄存器只能读出不能写入。8 1 5 5 hi o u 的工作方式由c p u 写入命令寄存器的控制命令字确定。命令字的格式 如表3 2 所示。 表3 2 命令字格式 d 7d 6d 5d 4d 3d 2 d 1d 0 t m 2 t m l1 e bi e ap c 2p c ip bp a 其中高两位的功能见表3 3 。 表3 3 命令字高两位功能表 t m zt m l 0o 空操作，不影响计数器操作 o 1 停止计数器操作 a 原理工人学琐士学位论文 续表 1o若定时器正在接收，长度减1 时停止计数 启动，置定时器方式和艮度后立即启动计数；若正在计数， i 1 湔出厉按新的方式和长度计数 d 5 、d 4 位的说明如下： i e b o 时，禁止b 口中断； i e b l 时，允许b 口中断。 i e a = 0 时，禁止a 口中断； l e a = 1 时，允许ar 中断。 d 3 、d 2 的说明见表3 4 。 表3 4 命令字d 3 、d 4 位功能表 p c 2p c 】 。0 a l t l ：a 口，b 口定义为基本输入输出：cr ：】为输入方式 ， 1a l t 2 ：a1 2 1 ，b1 5 1 定义为基本输入输出；c 为输出方式 a l t 3 ：al _ _ | 选通输入输出，b 口基本输入输山； l 0 p c 0 ：a i n t r p c i ：a b f , p c 2 ：a s t b ， p c 3 p c 5 ：输出 a l t 4 ：a 口，b 口都为选通输入输山， | 1 0p c 0 ：a i n t r p c i ：a b p c 2 ：f k s t b ， p c 3 ：b 1 n t r p c 4 ：b bf _ p c 5 ：b s t b d o 、d 1 的说明如下： p b = 0 ：bl j 定义为输入方式 p b = l ：b 口定义为输出方式 p a = 0 ：b _ | 定义为输入方式 p a = 1 ：b 口定义为输出方式 8 位命令寄存器的低4 位定义a 口、b 口和c 口的操作方式，d 4 、 1 6 太j 泉理工大学坝七学位论文 d 5 位确定a 口、b 口以选通输入输出工作时是否允许申请中断，d 6 、 d 7 位为定时器计数器运行控制位。 i o 的工作方式：8 1 5 5 的a 口、b 口可工作于基本i o 方式或选通 方式，c 口可作为输入输出l 线，也可作为a 口、b 口选通方式工作时 的状态控制信号线。 另外，在8 1 5 5 中还设置有一个状态标志寄存器，用来存放a 口和 b 口的状态标志。状态标志寄存器的地址与命令寄存器的地址相同，c p u 只能读出，不能写入。状态标志寄存器的格式如表3 5 所示，c p u 可以 直接查询。 表3 58 1 5 5 状态标志寄存器格式说明 d 7 d 6 d 5d 4d 3d 2d 1d 0 xt i m e rn 町t e bb b fi n t r b i n t e aa b fi n t r a 定时器中断标志， b 口b 口b 口a 口a 口a 口 定时器计数器到中断缓冲中断中断缓冲中断 指定氏度置1 ，允许器满清求允许器满请求 读状态后清0 标志栖i 志标志标志标志标志 3 3 48 1 5 5 h 的定时器 8 1 5 5 h 的定时器为1 4 位的减法计数器，对输入脉冲进行减法计数 定时器由两个字节组成，如下表3 6 所示： 表368 1 5 5 定时器格式 ( 0 4 h ) 计数长度低能 d 7 d 6d 5d 4d 3d 2d 1d o m 2m 1 t 1 3 t 1 2 t 1 1 t i ot 9t 8 i一 定时器方式 ( 0 5 h ) 计数k 度高位 奎堕型三墨兰塑：! 兰垡堡苎 定时器有四种输出方式，由m 1 ，m 2 两位定义，每一种方式输出不 刷的波形，如表3 7 所示： 表3 78 1 5 5 1 t 定时器方式 m 1m 2定时器输出波形 o o 单方波 01 连续方波 1o 单脉冲 11 连续脉冲 对定时器编程时，首先把计数长度和定时器方式装入定时器的两个 相应单元。计数长度为2 3 f f f h 之间的任意值。任何时候都可以置定 时器的长度和工作方式，但是必须将启动命令字写入命令寄存器。如果 定时器正在计数，那么只有在写入启动命令后，定时器才接收新的计数 长度并按新的工作方式计数。 8 15 5 h 复位后并不预置定时器的方式和长度，但是停止计数器计数。 另外，8 1 5 5 h 的定时器在计数过程中，计数器的值并不直接表示外部输 入的脉冲，计数器的终值为2 ，初值为2 3 f f f h 之间。若为外部事件 计数，由计数器的状态求输入脉冲的方法如下： ( 1 ) 停i r 计数器计数； ( 2 ) 分别读出计数器的两个字节； ( 3 ) 取低1 4 位的计数值： ( 4 ) 若为偶数，右移一位即得输入脉冲数；若为奇数，则右移一位 加上计数初值的二分之一一的整数部分。 3 3 5 键盘的连接 8 1 5 5 的p b 口和p c 口作为键盘的控制线。键盘共有1 8 个控制键，其 中p c 0p c 2 作为行线通过电阻接+ 5 v ，p b 0 p b 7 作为列线接低电平， 构成3 x 8 的键盘。当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线都断开， lr 太原理t 大学硕十学位论文 p c 0 p c 2 呈高电平。当键盘上有一个键闭合时，该键所对应的行线和列 线短路，由程序判断出是哪一个键闭合并转入相应的程序处理。具体过 程见第四章。 3 4 显示部分 3 4 1l c d 与单片机的连接 液晶的控制部分与a t 8 9 c 5 5 的p 1 口连接，数据部分与8 1 5 5 h 连接。 如图3 5 所示： 8 1 5 5 h a t 8 9 5 c 5 图3 5 液晶与单片机、8 1 5 5 h 的连接框图 3 4 2 液晶m s c m 1 2 8 6 4 6 芯片介绍 1 i o 缓冲器 输入缓冲器控制液晶的使能状态。除非c s l 或c s 2 被激活，否 则输入或输出的数据和指令都1 i 执行。因此，内部寄存器的内容是不改 】9 态腺坶i 一大字坝j _ 掌何论又 变的。但r s t b 可以独立于c s l 和c s 2 的状态进行操作。 2 输入寄存器 输入寄存器为在不同工作频率的m p u 提供接口，在写人显示数据 寄存器前的输入数据临时保存在输入寄存器中。 当c s l 或c s 2 被选中时，p u w 和r s 选择输入寄存器。从m p u 来 的数据先写入输入寄存器，然后再写入显示数据寄存器。在e 信号的下 降沿，数据被锁存并且通过内部操作自动写入显示数据寄存器。 3 输出寄存器 当c s l 或c s 2 有效并且r w 和r s = l 时，输出寄存器存储来自显 示数据寄存器的临时数据。保存在显示数据寄存器的数据锁存于输出寄 存器。当c s l 或c s 2 有效并且刚w 和r s = 1 时，状态数据( 忙检测) 可以被读出。 访问显示数据寄存器的内容需要运行两次读指令。第一次读操作， 使得显示数据寄存器的数据锁存于输出寄存器中。第二次读操作，m p u 从输出寄存器中读出数据。也就是说，要读出d i s p l a yd a t ar a m 中 的内容，需要一次假读。但访问内部状态寄存器只读一次。 表3 8 液晶读写数据指令表 r s栅f u n c t i o n o0i n s t r u c t i o n o 1 s t a t u sr e a d ( b u s yc h e c k ) 10d a t aw r i t e ( f r o mi n p u tr e g i s t e rt od i s p l a yd a t ar a m ) 11d a t ar e a d ( f r o md i s p l a yd a t ar a mt oo m p u tr e g i s t e r ) 4 复位 系统复位可以通过开机加电时接收m p u 的指令使r s t b 引脚置低电 平进行初始化。当r s t b 变低电平时，发生以下过程： 一关显示 起始线显示寄存器置0 2 n 太帐理工大学坝士学位论文 当r s t b 为低电平时，除了读内部状态寄存器指令呵以执行以外， 其余任何指令都1 i 执行。复位状态在d b 4 显示，在d b 4 变低之后，才 可以执行任何指令。 5 忙标志 忙标志指示k s l 0 8 b 芯片是否工作。当忙标志为高时，k s l 0 8 b 进行 内部操作，当忙标志为低时，k s l 0 8 b 可以接收指令或数据。 d b 7 指示k s l 0 8 b 的忙标志。时序见图3 6 。 e b u s y 日a g 厂 厂 幽3 6忙标志时序 6 x 页寄存器 x 页寄存器存储内部显示数据寄存器的页地址。它没有计数的功能， 通过指令置入一个地址。 7 y 地址计数器 y 地址计数器指示内部显示数据寄存器的地址。通过指令置入一个 地址，并且在对显示数据进行读或写操作后自动加l 。 8 显示数据寄存器 显示数据寄存器保存液晶需要显示的数据。需要在液晶点阵上显示， 则写1 ；反之，写0 。 9 显示起始线寄存器 显示起始线寄存器存储液晶显示的第一条线的地址。显示起始线寄 存器指令的位数据( d b 0 d b 5 ) 锁存于显示起始线寄存器，用于液晶 2 1 太j 泉理1 大学坝_ 卜学位论义 屏幕的滚屏控制。 1 0 显示控制指令 显示控制指令控制内部k s l 0 8 b ( 液晶内部控制芯片) 的状态。从 m p u 来的指令通过k s l 0 8 b 接收进行显示控制。 3 5 a d 转换电路的设计 经过中频处理后，场强仪需要将被测信号电平送入单片机中去处理。 因为单片机只能接收数字信号，所以直流电压必须通过a d 转换才能送 入单片机。我们选用t i 公司的t l c l 5 4 9 i a d 转换芯片。它具有一个3 态输出端芯片选择端c s ，输入输出时钟( i 0c l 0 c k ) 以及数据输出 ( d a t ao u t ) ，提供了与主处理器串行端口的3 线接口。 t l c l 5 4 9 i 的引脚如图3 7 所示： r e f + a n a l o oi n r e f g n d 幽37 t l c i5 4 9 1 引脚图 v c c i oc l o c k d j a o u t c s a n a l o gi n ：模拟信号输入端。驱动源阻抗应 l kq 。按至a n a l o g i n 的外部驱动源应具有1 0 m a 的电流驱动能力。 c s ：芯片选择端，c s 端高电平至低电平的跳变将在最大建立时间 加内部系统时钟两个f 降沿之内复位内部计数器和控制电路并使能 d a t ao u t 和i oc l o c k 。低电平至高电平的跳变将在建立时间加内部 系统时钟两个下降沿之内禁止i oc l o c k 。 d a t ao u t ：数据输出端。当c s 为高电平时，这个a d 转换结果 的3 态串行输出端处于高阻状态；当c s 为低电平时，此端有效。在芯 一，一 查坚型三查堂堡主堂些笙兰 片选择有效的情况f ，d a t ao u t 脱离高阻状态并被驱动至与前次转换 结果的m s b 值相对应的逻辑电平。i oc l o c k 的下一个下降沿把d a t a o u t 驱动至与次高有效位相对应的逻辑电平，其余的位被依次移出， l s b 出现在i oc l o c k 的第9 个f 降沿。在i oc l o c k 的第l o 个下 降沿，d a t ao u t 被驱动至低逻辑电平，因此，大于1 0 个时钟的串行 数据传送将产生零作为未用的l s b 。 g n d ：内部电路的地返回端。 1 1 0c l o c k ：输入输出时钟。i oc l o c k 接收串行i o 时钟并实现 下列三个功能： 1 在i oc l o c k 的第三个下降沿，模拟输入电压开始对电容阵列 充电并一直充电到在1 1 0c l o c k 的第十个下降沿。 2 把前次转换结果的其余9 位移出至d a t ao u t 端上。 3 第十个始终下降沿把转换的控制传送到内部状态控制器。 r e f + ：基准电压的高端值( 通常为v c c ) 加至r e f + 。最大输入电 压范围由加至r e f + 的电压与加至r e f 一的电压之涮的差值决定。 r e f - ：基准电压的低端值( 通常为地) 加至r e f 一。 v c c ：电源j f 电压。 在芯片选择c s 无效的情况下，i oc l o c k 最初被禁止且d a t a o u t 处于高阻状态。当串行接h 把c s 拉至有效，转换时序开始允许i o c l o c k 工作并使d a t ao u t 脱离高阻状态。串行接口然后把i o c l o c k 序列提供给i o c l o c k 并从d a t a o u t 接收前次转换结果。i o c l o c k 从主机串行接f _ 接收长度在l o 和1 6 个时钟之间的输入序列。 开始1 0 个i o 时钟提供采样模拟输入的控制时序。 t l c l 5 4 9 有6 种基本的串行接口定时方式可供使用。如表一所示， 这些方式由i oc l o c k 的速度* 口c s 的操作所决定。这些方式是 至堕些三：查堂堡主兰堡笙苎 1 1 0 个时钟传送，在传送之间c s 无效( 高电平) 的快速方式。 2 1 0 个时钟传送，c s 连续有效( 低电平) 的快速方式。 3 1 至1 6 个时钟传送，在传送之| 1 ；】j c s 无效( 高电平) 的快速方式。 4 6 个时钟传送，c s 连续有效( 低电平) 的快速方式。 5 1 至1 6 个时钟传送，在传送之问c s 无效( 高电平) 的慢速方式 6 6 个时钟传送，c s 连续有效( 低电平) 的慢速方式。 在场强仪中，我们使用方式1 。在此方式中，各次串行i o 时钟传 送之问c s 无效( 高电平) ，每一次传送1 0 个时钟长度。c s 的下降沿通 过d a t ao u t 脱离高阻状态而使指令序列开始。c s 的上升沿通过在规 定的延迟时间内使d a t ao u t 返回到高阻状态而终止序列的传送。此 外，c s 的上升沿在建立时间加内部系统时钟两个下降沿之内禁止i o c i o c k 。 具体时序图见图3 8 。 图3 8t l c l 5 4 9 的数据传输时序控制图 在新的传送时序可以开始之前，在第1 0 个i oc l o c k 下降沿之后， 方式1 要求至少2 1 1 a s 的时间。在串行i oc l o c k 数据传送期间，c s 必 须有效( 低电平) 以便i oc l o c k 被使能。当数据传送之间c s 发生跳 转时，仅当跳变之后电平保持时间至少为1 4 2 5 9 s 时c s 的跳变才被识别 为有效。 根据t l c l 5 4 9 的引脚功能和工作方式，在场强仪中我们用如图的方 2 4 太j 泉理= 大学坝十学位论义 式使用t l c l 5 4 9 。模拟量，由前述可知，即直流电压，从a n a l o gi n 引脚进入t l c l 5 4 9 。为了减少干扰，将电源地与a d 转换器的地连接在 一起。单片机使用3 个i o 口来控制t l c l 5 4 9 。p 2 5 作为片选信号，初 始化为高，当确认键按下时，p 2 5 为低，a d 转换器丌始工作。当返回 键按下时，p 2 5 跳变为高电平，a d 转换器进入高阻状态。这样可以节 约电池能量。p 2 7 用来输出脉冲作为a d 转换器的时钟信号，p 2 6 与 d a t ao u t 相连，用来接收数据。 t l c l 5 4 9 与单片机的连接图如图3 9 所示： + 5 图3 9 单片机与t l c l 5 4 9 的连接 太原理工大学硕十学位论义 第四章场强仪的软件设计 4 1 场强仪软件部分完成的功能 场强仪的软件部分主要完成以下六个功能： ( 1 ) 单电平测量 ( 2 ) 频谱分析 ( 3 ) 多电平与系统不平度的测量 ( 4 ) 交流干线电池电压的测量 ( 5 ) c n 测量 ( 6 ) 浏览与保存。 此外，软件在进行测量时完成有关的键盘输入、控制、数据处理以 及结果的显示等功能。 1 输入功能：选择测量的类别，可以选择单频道、全频道、指定 频道的电平测量：载噪比( c n ) 的测量；频谱分析；二f 线交流电压及 电池电口 的测量。还可实现某一测量功能时有关参数的输入或控制参数 的调整，在电平测量中，要求输入测量频道或频率，在测量数字信号时 要求指定测量频道。在频谱分析时，利用左右键进行频率选择。 2 控制功能