（系统分析与集成专业论文）基于双cpu的组合式数字多用表的研制.pdf

摘要 电子技术已经渗透到工业生产的各个方面，在现代工业生产中，对电参量的 测量的需求越来越多，其重要性越来越大。因此，电参量测量设备的应用也越 来越广泛。 结合目前工业现场对多用表的需求，本课题设计一个便携式、功能体积可裁 剪的组合式数字多用表。多用表在硬件上由主板和扩展板双板构成。主板具有 电压测量、电流测量、温度测量、显示、通信、时钟等功能，扩展板具有电压 输出、电流输出、电阻输出、电阻测量等功能；软件上，定义了电压测量、电 流测量、电阻测量、电压输出、电流输出、电阻输出六种工作模式，多用表可 以工作在任一种模式下，且任何时候都可实现温度测量、显示、通信、时钟等 功能。多用表运行时可以单主板工作，也可以主板与扩展板协同工作实现全部 功能。 本文共分七章：第一章介绍目前多用表研发现状。第二章提出了主板加扩展 板的组合式设计方案，并对两板功能进行划分。第三章及第四章分别对两板的 功能模块进行设计。第五章对系统的运行方式进行设计，并在此给出多用表的 操作方式及工作图片。第六章节给出了多用表的校正原理及方式。第七章对全 文进行了总结，并指出了本设计的一些不足。 关键词：多用表，微控制器，模数转换，数模转换 a b s t r a c t t h em e a s u r e m e mo fe l e c t r i c a lp a r a m e t e r sa r ei n c r e a s i n g l yn e e d e da n dm o r ea n d m o r ei m p o r t a n tr o l e so ft h e ma r ep l a y e di nm o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o nw h i c h e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yh a v ep e n e t r a t e di n t oa l la s p e c t so f t h e r e f o r e ，t h ea p p l i c a t i o n o f m e a s u r i n ge q u i p m e n to fe l e c t r i c a lp a r a m e t e r sb e c o m e sw i d e ra n dw i d e r i nt h el i g h to ft h ed e m a n df o rm u l t i m e t e ri ni n d u s t r ys i t e ，ap o r t a b l ec o m p o s i n g d i g i t a lm u l t i m e t e rw h o s ef u n c t i o na n ds i z ec a nb ec u ta tw i l li sd e s i g n e di nt h i s p r o j e c t t h eh a r d w a r eo fm u l t i m e t e rc o n s i s t so fam o t h e r b o a r da n da ne x p a n s i o n b o a r d t h e r ea r ef u n c t i o n a lm o d u l e si nm o t h e r b o a r do fm e a s u r i n gv o l t a g e ，c u r r e n t a n dt e m p e r a t u r e ，w i t hd i s p l a y , c o m m u n i c a t i o n sa n dt i m e rs u p e r v i s i o n t h ee x p a n s i o n b o a r dh a sf u n c t i o n so fp r o v i d i n gv o l t a g ea n dc u r r e n t ，晰t hr e s i s t a n c em e a s u r e m e n t a n d o u t p u t f u n c t i o n s s i x w o r k i n gm o d e s a r ed e f i n i t e di n s o f t w a r e ：v o l t a g e m e a s u r e m e n t ，c u r r e n tm e a s u r e m e n t ，r e s i s t a n c em e a s u r e m e n t ，v o l t a g eo u t p u t ，c u r r e n t o u t p u ta n dr e s i s t a n c eo u t p u t a n dt h em u l t i m e t e rc a np e r f o r mi t s f u n c t i o n so f t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，s t a t u sd i s p l a y , c o m m u n i c a t i o na n dc l o c ki na n ym o d e a t a n yt i m e t h es y s t e mc a nw o r ko ne i t h e rt h es i n g l em o t h e r b o a r do rt h et w ob o a r d s w h e nn e c e s s a r y t h e r ea r es e v e nc h a p t e r si n t h i sp a p e rt od e s c r i b et h i sd e s i g n c h a p t e ro n e b e g i n sw i t ht h ea n a l y s i so fc u r r e n tr e s e a r c h e so fm u l t i m e t e r , t h e n ，i n t r u d u c e st h e m u l t i m e t e rd e s i g n e di nt h i sp a p e r c h a p t e rt w op u tf o r w a r dt h eb l u ep r i n to f m o t h e r b o a r da n de x t e n d b o a r d a n dt h e f u n c t i o n so ft h et w ob o a r d sh a v eb e e n d i v i d e d c h a p t e rt h r e ea n df o u rd e s i g nt h ef u n c t i o n so ft h et w ob r o a d sr e s p e c t i v e l y c h a p t e rf i v eg i v e st h ed e s i g no fo p e r a t i n gm o d eo ft h es y s t e ma n dd e s c r i b et h e m e t h o d so fo p e r a t i o n ，s o m ep i c t u r e sa r eg i v e ni nt h i sc h a p t e r c h a p t e rs i xp r o v i d e s m e t h o d sa n dp r i n c i p l e so ft h ec a l i b r a t i o n c h a p t e rs e v e ni sas u m m a r yp a r ta n d p o i n t so u ts h o r t c o m i n g si nt h ed e s i g n k e y w o r d s ：m u l t i m e t e r , m c u ，a d ，d a i i 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 作者签名： 日期： 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： 日期： 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，u p 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： 日期：刭：厶：篁 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 在现代的工业生产中，电子技术已经渗透到各个方面，对电参量的采集及测量的需求 越来越多，也越来越重要。多年来，在测试技术领域中，各种指针式电表、电位差计、电 桥分压箱等测试设备一直占据着主导地位，这些仪器仪表具有工作稳定、可靠、结构简单 等多种优点，但操作麻烦、速度慢、量程有限、更不能实现自动化测量电压表，尤其将多 个仪表带入工业现场应用，更显得十分不便。因此一个仪表具有多个功能，可以测量多种 电参量的方案越来越受到欢迎。 多用表问世以来，发展异常迅速。早期的多用表多为指针式，电磁感应驱动表头指针 偏转是它的主要工作原理，这种表结构简单，技术成熟可靠，但精度不高，且读数不准， 不能适应现代工业发展的要求。现代应用中，数字仪表克服了指针表的这些缺点，充当了 现代测量的主力军。数字表靠a d 转换来完成从模拟到数字的过渡，数字信号的处理要容 易的多。表的性能主要取决于模数转换的精度。普通数字多用表精度不高，只能应用在一 般的场合。高精度的数字多用表往往体积庞大，不适应工业现场对便携性的要求。目前数 字表正在向高精度、便携式的方向发展。 不同工业生产中，所要测量的电参数也不相同。这就要求，多用表要有尽可能多的功 能，来满足现场的需要。作为工业现场应用测量仪表，其便携性及可靠性尤为重要。多用 表功能的多少往往与体积、重量及价格成正比关系，与便携性成反比。因此，工业用仪表 结合具体的应用对仪表有特殊的要求。首先，功能及精度要满足要求。其次，性能要可靠。 最后，体积、重要要有一定的限制，要满足工业现场对便携性的要求。 1 2 本课题的主要目标及意义 本课题预设计一个便携式、高精度、功能及体积可裁剪、适应工业现场应用的数字式 多用表。 此多用表从满足现代工业发展对多用表的需求出发，拟解决工业发展对电参量测量的 特殊需要，以促进现代工业的发展。 1 3 国内外研究情况 随着科学技术的进步，在精密电测量技术、计算技术、自动化技术和电子技术的基础上 产生和发展起来的各种高性能的数字式仪表正在进一步取代各种传统的模拟式电工仪器与 南京信息工程大学硕士学位论文 仪表，成为新一代的测量仪表。并被广泛应用于国防、科研、工厂、学校、计量测试等技术 领域。 国内外对多用表的研究一直处于炽热的状态，几十年来已取得飞跃性的发展。从传统 的指针式多用表，到数字式多用表，一直到新兴的虚拟仪器等产品层出不穷。具有代表性 的公司有f l u k e 、a g i l e n t 、n i 等国外知名大公司。国内多用表发展也非常迅速，取得了 一些可喜的成绩。如六位半、七位半、甚至八位半的电参量设备也相继研制成功并走上产 品化道路。纵观发展过程，多用表整体在向着以下几方面发展： 1 ) 高精度，多用表几十年来不断更新技术与器件，在影响测量精度的关键技术上取得 了突破。如a g i l e n t 公司在2 0 0 6 年推出的3 4 5 8 a 多用表，可以达到8 位半的测量精度。 2 ) 智能化，目前多用表在结构上包含嵌入式处理器，这样提高了多用表的处理能力与 运算速度，同时也使得多用表的运行及操作可以像计算机进行编程控制。 3 ) 通信方式多样化，在高性能多用表中有与外界通信的能力，传统的通信方式为g p l b 和r s - - 2 3 2 ，随着现代应用的发展，u s b 与l a n 不断的加入多用表通信方式功能中。 4 ) 体积小巧化、功能强大化、价格低廉化，电子工艺技术的发展给整个电子行业带了 了翻天覆地的变化。电子器件的集成使得多用表的体积尺寸显著下降，多用表可以做的更 小巧，功能可以做的更强大，同时价格也在不断的下降。 1 4 主要工作内容 本论文按着工业发展的需求，设计一种高精度、便携式的数字多用表，该表可以对工 业现场应用广泛的电参量进行测量，并具有电压、电流、电阻输出、温度测量、时间显示 等功能，满足工业现场的一些特殊需要。 论文设计工作首先查阅大量的相关资料，包括工业发展对的多用表的具体要求和多用 表目前研发现状。结合这两点对多用表进行总体方案设计，方案中采用主板加扩展板组合 工作方式，并设计出各板功能框架。接下来对两板进行具体的设计，包括相应的控制器、 功能模块电路等。硬件电路做好后进行调试并及对多用表总体运行方式进行设计，结合不 同的工作任务将多用表分成六种工作模式，并设计出每种模式下的具体工作过程。最后对 多用表的操作方式、校正方法进行设计、验证等工作。 2 南京信息工程大学硕士学位论文 2 1 整体功能 第二章系统整体方案 由设计任务确定系统功能如下： 1 ) 可以内充电电池、外接电源双供电工作。内部有自充电电路。自动检测电池电量并 自动控制电流充电； 2 ) 可以与p c 机进行通信，通信方式有u a r t 及u s b 两种。并可以用p c 机进行功能 设置； 3 ) 有电压、电流、电阻测量功能； 4 ) 有电压、电流、电阻标准值输出功能； 5 ) 有环境温度测量功能； 6 ) 有时钟功能； 7 ) 有键盘，可以对工作方式进行设置； 8 ) 有存储功能，对一些测量数据及初始化数据记录功能； 9 ) 有软件校准功能： 1 0 ) 有2 4 v 电压输出功能。 2 2 主板与扩展板功能分配 数字多用表总功能很全面，可以适用于多种场合。但考虑到一些简单应用，尤其是体 积、重量、便携性、功耗等方面的因素的影响。多用表采用双板双c p u 组合式构成设计方 案，即主板和扩展板，每板有自己独立的c p u 。在一些简单的应用上，可以用一块主板单 独工作，实现一些基本功能，如：电压、电流、温度测量、p c 机的通信、显示、时钟、存 储等。在一些复杂应用中，可以在主板的基础上加载一块扩展板，两板共同工作。完成多 用表的所有功能。主板及扩展板功能框图如图2 2 1 及图2 2 2 所示。 3 南京信息工程大学硕士学位论文 图2 2 1主板功能框图 图2 2 2扩展板功能框图 4 3 1 a r m 主控制器 第三章主板的设计弟二早土仪刖阪丌 主板采用p h i l i p s 公司生产的具有a r m 7 t d m i s 内核的l p c 2 1 4 8 作为核心处理器。 a r m 7 t d m i s 为通用的3 2 位处理器内核。采用冯、诺依曼结构，具有高性能和低功 耗特点。采用三级流水线。可以完成3 2 位的a r m 和1 6 位的t h u m b 指令的译码和执行。 l p c 2 1 4 8 以a r m 7 t d m i s 作为内核的微控制器。内部结构如图3 1 1 所示。 图3 1 1l p c 2 1 4 8 内部结构框图 其特点如下： 超小l q f p 6 4 脚封装； 5 南京信息工程大学硕士学位论文 3 2 + 8 k b 片内r a m ，5 1 2 k b 片内f l a s h 程序存储器： p l l 设定可以实现c p u 高达6 0 m h z 频率工作； 通过片内b o o tl o a d e r 可以实现在系统编程在应用编程( i s p ，i a p ) ； e m b e d d e d l c e r t 和嵌入式跟踪接口提供实时调试： u s b 2 0 全速控制器； 2 个1 0 位a d 转换器，1 个1 0 位d a 转换器； 2 个3 2 位的定时计数器，p w m 单元，看门狗； 低功耗实时时钟( r t c ) 有独立的电源的独立的3 2 k h z 时钟； 2 个u a r t ，2 个i i c ，s p i 及s s p ； 向量中断控制器，可配置地址及优先级； 多达4 5 个可承受5 v 电压的通用i o 口； 两种低功耗模式：空闲和掉电； 可以灵活控制多个外设的功耗； 多种方式可以使c p u 从掉电模式下唤醒； 单电源供电，操作电压3 o v 一3 6 v 。 以l p c 2 1 4 8 为核心的主控电路控制着主板上的各功能模块协调工作。引脚连接如表 3 1 2 所示。电路如图3 1 3 所示。 表3 1 2a r m 引脚连接表 引脚号连接及功能 6 1 、6 2x t a l l 与x t a l 2 接入1 2 m h z 晶振供c p u 运行 5 7 r e s e t 脚通过电容、电阻、开关构成一个上电延迟复位电路和键控复 位电路 3 、5 r t x c l 及r t x c 2 接入3 2 7 6 8 k h z 晶振供内部实时时钟运行 1 0 、1 1 、5 8 、1 7 d 十、d 一、p 0 2 3 、p o 3 1 与u s b 通信电路相连实现u s b 通信 1 9 、2 1 p 0 0 、p 0 1 与u a r t 电路相连实现与p c 机的串行通信 2 2 、2 6 p 0 2 、p o 3 与i i c 存储电路相连实现数据的存与取功能 2 7 、2 9 3 1 p o 4 一p o 7 与外部2 4 位a d 转换器件相连实现其控制与通信 3 3 、3 4 p 0 8 、p 0 9 与扩展板部分串行通信电路相连实现通信 3 5 、3 7 p o 1 0 、p o 1 1 与a d 转换器相连控制a d 转换增益 3 8 p 0 1 2 与电池电压检测电路相连对电池电压进行检测 3 9 p 0 1 3 与扬声器电路相连控制提示及报警声音 4 1 、9 、1 3 15 p 0 1 4 、p o 2 5 、p 0 2 8 一p o 3 0 与键控电路相连用于识别按键输入 4 5 4 7 、5 3 5 5 、l 、 p o 1 5 一p o 2 2 与l c d 显示电路数据总线相连通信 2 1 6 、1 2 、8 、4 p 1 1 6 一p 1 1 9 与l c d 控制总线相连进行显示控制 6 南京信息工程大学硕士学位论文 4 8 p 1 2 0 与l c d 背光灯控制电路相连控制背光的开启与关闭 4 4 p 1 2 1 与温度采集电路相连进行温度数据的通信与电路控制 4 0 、3 6 、3 2 、2 8 p 1 2 2 一p 1 2 5 与电压电流测量电路相连控制测量通道的转换 2 4 、6 4 、6 0 、5 6 、 p 1 2 6 一p 1 3 1 与j t a g 调试电路相连 5 2 、2 0 图3 1 - 3a r m 主控电路图 跟据功能设计的要求，主机可工作在六种模式下，分别为：电压测量、电流测量、电 阻测量、电压输出、电流输出、电阻输出。在a r m 的软件设计中对每种模式定义了模式 标志位。程序跟据模式标志位的值进行相应的模式操作。主程序工作流程图如图3 1 4 所示。 主板在加电工作后，首先进行一些初始化工作，包括a r m 器件本身初始化及板载其它功 能部分的初始化。之后a r m 通过串口向扩展板发送握手信号，检测扩展板是否存在，并 置相应的标志位。接下来a r m 读取i i c 存储器中的工作模式及其它设置的配置参数。按着 这些参数配置主板的工作模式，置相应的标志位。完成后进入主循环。在主循环中接受键 盘、p c 机、扩展板的些控制信息及数据信息，a r m 一般在相应的子程序或中断中将这 7 南京信息工程大学硕士学位论文 些数据存储起来，并对其译码得到控制指令，对内部一些控制指令标志位置位或清零，以 便在相应的模式中进行操作。主循环还要不断的监测工作模式改变标志位，以便重新配置 主机进入新的模式。模式任务完成后，a r m 会监测计时时间是否到，如到一定时间就要对 显示时间、环境温度及电池电量进行显示更新。最后再回到主循环入口处运行。 图3 1 4主程序工作流程图 主板与p c 机通信使用u a r t 0 及u s b 。主板与扩展板的通信使用u a r t l 。u a r t 0 与 u a r t l 工作方式相似，采用中断及查询方式。u s b 主要采用中断方式工作。工作过程在后 文介绍。 3 2 主板电源 主机采用两种供电方式：一种是外接1 2 v 直流电源，另一种是内置可充电电池。当电 池单独供电时，主机可正常工作；外接电源时，主机首选外接电源供电。同时会跟据电池 电量的多少自动选择为电池充电。电源供电转换及充电电路如图3 2 1 所示。p o w e r 连接 端为外接1 2 v 电源接入口，此电源经过二级管保护后接入由l m 7 8 0 9 芯片构成的稳压电路 8 南京信息工程大学硕士学位论文 形成可供主板工作的9 v 电源；内电源采用6 节1 5 v 充电电池串联构成的9 v 电源并由 b a t t e r y 电池口引入；两路电源由继电器k 2 进行切换，此继电器为常闭形式，无控制电 流时控制充电电池电源引入主板，步 b j n1 2 v 电源会通过r 1 0 电阻限流后流入继电器控制线 圈，使继电器动作将外电源引入主板：k 1 作为总电源开关控制主板的工作。 图3 2 1电源供电转换及充电电路 充电电路由u s 、r 1 6 和r 4 3 功率电阻、d 5 保护二极管组成，u 5 为l m 3 1 7 稳压器件， 工作时会在3 脚和2 脚间产生稳定的1 2 5 v 电压，此电压流经r 1 6 与r 4 2 两并联2 2q 功率 电阻后会产生稳定的电流i ： i = u r = 1 2 5 v ( 2 2 q 2 ) = o 1 1 3 6 a = 1 1 3 6 m a( 3 1 ) 电流i 通过d 5 二级管保护后流入充电电池，对充电电池充电；外接1 2 v 电源经r 1 2 与i ) 3 稳压后形成1 0 v 基准电压接入光耦u 4 的高控制端，电池电压经一电阻接入光耦u 4 的低控制端，这样流过光耦的电流受控于外接电源与内充电电池的电压差。当电池电压低 且有外接电源时光耦导通，控制继电器k 3 动作，将充电电路接入电路中对电源充电。 主板电源为主板各功能模块提供电源支持，同时为扩展板提供电源供电。根据需求主 板电源可以为主板提供+ 9 v 、+ 5 v 、+ 3 3 v 数字及模拟电源。电路如图3 2 2 所示。v c c 9 v 电气点为开关控制后的总电源引入点；引入后经滤波处理后接入u 6 稳压器，转换为5 v 电 压；5 v 电压再经滤波处理后接入u 7 稳压器，形成3 3 v 电源。每一路电源经电感滤波后 形成相应的模拟电源供板载模拟器件使用。电池b a t t e r y 为常供电电源，经d 6 稳压管 稳压到3 3 v 供实时时钟使用，可保证实时时钟一直运行。 9 南京信息工程大学硕士学位论文 3 3 模数转换电路 j f 图3 2 2主板电源供电电路 电压测量与电流测量是多用表的核心功能，待测的电参量均为模拟信号，而多用表内 部信号处理、显示、传输等均以数字方式进行。因此从模拟量到数字量的转换非常重要。 多用表采用t e x a si n s t r u m e n t s 公司生产的2 4 位a d 转换器a d s l 2 3 4 作为模数转换 的核心器件。电参量测量原理框图如图3 3 1 所示。a r m 控制着测量的各个部份及整个过 程：首先a r m 选择电压通道或电流通道及量程范围。被测量的电参量通过相应的调理电 路转换成a d 器件可以接受的范围后接入模数转换电路进行测量，测得的2 4 位结果传到 a r m 中进行处理。 图3 3 1电参量测量框图 a d s l 2 3 4 为2 4 位模数转换器。在最佳状态下可以达到2 3 5 位有效位；具有四个通道 输入；可选择的1 、2 、6 4 、1 2 8 倍内部信号放大；可工作在1 0 s p s 或8 0 s p s 通信速率下。 1 0 南京信息工程大学硕士学位论文 a d 转换器可靠工作要接入一个稳定的参考电压作为基准，此基准的性能直接影响着整个 测量的精度，在此，采用了m a x i m 公司的低噪声、低温漂、高准确度的m a x 6 3 4 1 型号 基准电压芯片产生的4 0 9 6 v 电压作为a d s l 2 3 4 的基准电压。电路如图3 3 2 所示。 3 3 、， 1 2 3 4 5 6 7 d v d d | 】d d 0 j r d g n ds k ( i k i n t a i1- , - p d w n x t a l 2g 叻 d o q dg a 刑1 i x 3 n d g n _ n 0 a la d a 0 a a q d c a pr h = p o心r日=n a 删i n p n ia d s l 躺a 仆阶na 西d t 2 a i n p 3a n p 4 a i n n 3a d d i 图3 3 2 a d 工作电路图 a d s l 2 3 4 由3 3 v 数字电源和5 v 模拟电源双供电。输入通道1 测量电压，通道2 测量 电流。通道3 与4 没有测量任务，为了减少干扰将其统一接到了模拟地上。a 1 、a 0 两脚 用来选择接入通道，由于只用前两通道，可以把a 1 直接接到地上，用一个a 0 脚进行通道 选择。g a i n 0 、g a i n l 由a r m 控制内部p g a 的增益。d r d y d o u t 、s c l k 是与a r m 的通信接口，2 4 位数据以串行方式通过两引脚传入a r m 中。p d w n 由a r m 控制着a d 器件的开启与关闭。 结合a d 器件的工作时序及特点，a r m 控制电参量的测量的工作流程如图3 3 3 所示。 11醇 一霸黼e a 南京信息工程大学硕士学位论文 图3 3 3a d 测量子程序工作流程图 3 4 电压测量调理电路 电压测量调理电路的作用是将输入的电压信号进行合适的转换，满足a d 转换器输入 信号量程及精度的要求。按设计要求，设计的电压量程为4 - 3 0 0 0 0 0 0 v 、士1 5 0 0 0 0 0 m v 。 a d s l 2 3 4 的参考电压为4 0 9 6 v ，测量端口输入电压范围为v i n 一2 0 4 8 v ，2 0 4 8 v 】。在 4 - 3 0 0 0 0 0 0 v 量程下，输入要进行分压后才可以接入a d 转换芯片，在4 - 1 5 0 0 0 0 0 m v 量程时， 尤其是小电压信号时，可以采用a d 芯片内带的6 4 或1 2 8 增益放大来提高输入的信号测量 精度。同时，考虑到多用表的内阻对外界测量的影响，及a d s l 2 3 4 输入差分通道电阻与分 压电阻的关系，采用1 0 m q 与5 5 0 k q 低温漂精密电阻串联分压。当3 0 v 满量程输入时分 压后电压值v f u l l h i 为 v f u l l h i = 3 0 奉( 0 5 5 ( 1 0 + o 5 5 ) ) = 1 5 6 3 9 8v (3-2) 满足a d s l 2 3 4 输入电压要求。电路如图3 4 1 所示。1 5 0 m v 低量程测量不分压，3 0 v 高量程测量分压。 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 图3 4 1高量程测量电阻分压图 3 5 电流测量调理电路 电流测量与电压测量都采用2 4 位a d 转换芯片完成。电流测量的原理为，当外部输入 电流时，将此电流流过内部一个小阻值精密电阻上，已知此电阻的阻值，通过测量在小阻 值电阻上产生的分压，由公式 i = u r ( 3 3 ) 即可得出外界电流的大小。 使用此测量方法有两点要注意：一、小阻值电阻不可太大，因为此电阻是串联在外界 电路中，所以阻值越小，对外界电路的影响就越小；二、此小阻值电阻的阻值要非常精确 且低温漂，这样测出的电流值才能更准确。 此多用表测电流量程为4 - 3 0 0 0 0 0 0 m a ，a d s l 2 3 4 的输入电压v i n 为 一2 0 4 8 v ，2 0 4 8 v ， 可以选择6 0q 精密电阻，在满量程输入下，可产生6 0 宰0 0 3 = 1 8 v 的电压输入a d s l 2 3 4 芯片中，电路如图3 5 1 所示。 图3 5 1 电流测量电路图 电压及电流测量通道及量程选择均由a r m 控制，通道切换由双稳态双线圈继电器完 成，完整电路如图3 5 2 所示。a r m 芯片输出电流不能驱动继电器工作，在控制中要加入 三级管驱动电路，如图3 5 3 所示。 1 3 南京信息工程大学硕士学位论文 3 6 温度测量 图3 5 2电参量测量调理电路图 t or e l y 图3 5 3继电器驱动电路 a i l d n 多用表可以进行环境温度的测量和显示。测得的温度一方面供显示屏显示；另一方面 是要为多用表电参量的测量提供温度补偿依据。 各器件在不同的温度下性能有差别，一般用温漂来表示。在低温下与高温下测得同一 电压会得出不同值就是由器件的温漂造成的。仪器仪表可以通过多种不同温度下的测试实 验得到温漂数值，之后将此数据保存。在以后的使用中可以跟据此数值及当时的温度对测 量值进行修正，得到更加准确的数值。这就是温度补偿的原理。 此多用表温度测量采用一片数字化温度集成芯片d s l 8 8 2 0 ，此芯片使用一个端口实现 通信；测量温度范围从5 5 到+ 1 2 5 ；分辨率可达到0 5 。c ：工作电压3 v 一5 5 v 之间。 使用d s l 8 8 2 0 只用a r m 芯片的一个脚，节省了宝贵的i o 资源。电路连接如图3 6 1 所 示。 1 4 南京信息工程大学硕士学位论文 图3 6 1测试测量电路 图3 6 2温度测量流程图 d s l 8 8 2 0 采用单线协议，a r m 要模拟此协议对其进行控制和通信。在软件设计的时 候，将一些基本的读写位、字节操作做成相应的子程序，上层程序通过调用子程序进行工 作来完成任务。a r m 对测试的采集工作流程如图3 6 2 所示。 3 7 显示控制 作为一块现场仪表，要求有显示功能。本多用表使用一块2 4 0 * 6 4 像素l c d 液晶显示 屏对测量值、温度、电量、时间等进行显示。显示屏型号为t c m 2 4 0 6 4 b ，由南京绝妙科技 发展有限公司生产。内部使用t 6 9 6 3 微控制器控制；内置负压产生电路，外接5 v 电源即 可工作；带8 k 片外数据存储器；点距离0 4 9 * 0 4 9 m m ，点大小o 5 3 * 0 5 3 m m ；具有图像和文 字两种显示方式。结构框图如图3 7 1 所示。 1 5 南京信息工程大学硕士学位论文 图3 7 1t c m 2 4 0 6 4 内部结构图 a r m 对显示的控制是通过对内部t 6 9 6 3 控制器的控制来实现的。硬件电路原理图如图 3 7 2 所示。 图3 7 2l c d 控制部分电路图 t c m 2 4 0 6 4 模块对外有2 2 个弓l 脚，l 脚为屏金属框架地，在此与2 脚地共同接入主板 地上：3 脚为电源引入脚，5 v 供电；4 脚为显示亮度调节，内部通过电阻与负压相连，使 用时通过滑动电位器接到电源正，通过调节滑动电位器可以调节4 脚的电压值，从而调节 液晶屏的显示亮度；5 脚、6 脚为读写控制；7 脚为片选脚，使用时要接地；8 脚为代码和 数据选择脚；9 脚、2 0 脚不接；l o 脚是复位控制脚；1 1 脚一1 8 脚为数据接口：1 9 脚是字 体选择，在本多用表使用中，都是以图像的方式显示的，此脚接地：2 1 脚、2 2 脚为背光灯 电源输入口，电路通过一个光耦p c 8 1 7 来控制背光的开启与关闭，通过手动调节与背光灯 脚串联的滑动变阻器改变背光的明暗程度。 t c m 2 4 0 6 4 自带文字有限，且均以8 * 8 显示，字太小，不能满足多用表的使用需求。 1 6 南京信息工程大学硕士学位论文 因此在应用中，所有内容都采用图像方式显示。这样在程序中建立了大量的字模供显示调 用。a r m 对显示屏的控制流程如图3 7 3 所示。 l l c d 显示子程序 1 毒 显示初始化设置 毒 l 对要显示部分屏浩屏 i l 按所取字模在显示区中显示 0 显示子程序返回 图3 7 3液晶屏显示子程序 本多用表要求在液晶屏上显示电参量测量( 输出) 值、时间日期、温度、电池电量等。 在液晶屏程序中，对每种显示的内容建模。当要显示相应的内容时，直接调用相应字模数 据即可完成显示。 3 8 与p c 机通信 多用表可以与p c 机进行通信，多用表传输测量数据给p c 机，或通过p c 机设置多用 表的工作方式。多用表可以通过两种方式与p c 机进行通信：异步串行通信方式和u s b 通 信方式。异步串行通信方式是一种经典、传统的通信方式，简化的异步串行通信只用三根 线就可以完成全双工通信：u s b 是一种新兴的通信方式，以通信线路少、热插拨、速度快 等优势迅速的普及全球。 3 8 1p c 机u a r t 通信方式 l p c 2 1 4 8 芯片内置有两个异步串行通信功能模块，u a r t 0 与u a r t i 。两者外设基址 不同，但操作方法相似。都具有1 6 字节f i f o ；f i f o 触发点可以为1 、4 、8 和1 4 字节； 内置波特率发生器。多用表与p c 机进行通信使用u a r t 0 。p c 机串口为r s 2 3 2 电平，而 a r m 为3 3 v 电平，所以要加入电平转换处理电路。结构如图3 8 1 所示，电路如图3 8 2 所示。 1 7 南京信息工程大学硕士学位论文 坳0咖 r s 一2 3 2 np c 机 砌0 电平转换 r x d l p c 2 1 4 8 c o m 口 g n d g n d 图3 8 1异步串行通信连接图 童0 1 u fv ( 3 c 3 3 v 叫 厂砰了际 图3 8 2 异步串行通信电路图 对串行通信设置如下：使用9 6 0 0 波特率；一位停止位；8 位数据传送，无奇偶校验位。 串行通信的控制是通过对串口相关各寄存器的写和读进行的。在多用表与p c 的通信方式 中，对p c 机传来数据的接收采用中断方式，向p c 发送数据采用查询方式。在主程序中的 初始化过程中，要加入对串行通信口的设置及串口中断的开启程序。u a r t o 在应用中设置 为8 个字节f i f o 中断，即p c 机向多用表发送的控制命令都是以8 个字节为单位。多用表 在收到p c 机发来的8 个字节命令数据后产生中断，在中断中对8 个字节命令进行译码， 得到相应的控制使命，之后置相应的命令控制标志位，接收中断返回。在主程序中根据相 应的标志位进行相应的命令操作。这样做的好处是可以使串口中断响应时间最短。a r m 可 以更快的响应事件。串口中断流程图如图3 8 3 所示。串口发送子程序流程图如图3 8 4 所 示。 1 8 南京信息工程大学硕士学位论文 图3 8 3 串口接收中断流程图 串口发送子程序 毒 i 待发送数据写入发送寄存器 l 子程序结束，返回 图3 8 4串口发送子程序流程图 3 8 2 p c 机u s b 通信方式 l p c 2 1 4 8 芯片内部带有u s b 控制器，支持3 2 个固定配置的物理端点，并完全兼容 u s b 2 0 全速规范；支持u s b 软连接特性；支持控制、批量、中断和同步端点；运行时， 可调整使用的端点；非控制端点支持8 k br a m 的d m a 传输；所有端点都有一个双向的 d m a 通道；允许c p u 控制和d m a 模式之间的动态切换。内部结构框图如图3 8 5 所示。 1 9 南京信息工程大学硕士学位论文 图3 8 6u s b 总线连接电路图 u s b 电路如图3 8 6 所示。u s b 接口一共五根线。两根电源线，两根数据线d + 、d - ， 及一个外壳屏蔽线。在应用时两数据线要分别串接一个3 3q 电阻再接入u s b 控制器，同 时两引脚都要求接下拉大电阻，这样才能保证u s b 控制器不控制u s b 接口时d + 线为低电 平，主机在检测d + 为低时也会认为u s b 无接入，不会引起误动作。 主板采用非u s b 总线供电方式，因此为了检测u s b 的接入，在电路上设计上将u s b 电源引脚通过一个i k q 的电阻后接入u s b 总线的v b u s 接口，u s b 总线控制器可以通过 对此引脚电平的高低来确定是否有u s b 总线接入。为了实现软连接，u s b 控制器提供了 u s bc o n 接口，此引脚在电路中通过一个三级管控制d + 线上的电平高低，从而通知主机 u s b 控制器的响应与否。 多用表与p c 机的通信主要是一些控制信息与测量数据，数据量并不是很大，因此在 u s b 通信中多用表没有启动d m a 传输，而是采用普通的u s b 控制传输。因为u s b 软件 设计相对复杂，在此套用了周立功公司关于u s b 模块设计的分层结构，每层对应相应的 u s b 功能，写入相应的u s b 文件中，顶层依次向低层调用，完成u s b 操作。软件分层如 表3 8 7 所示。 南京信息工程大学硕士学位论文 表3 8 7u s b 软件分层结构表 文什名简要说明相关性 u s b h a l c 硬件抽象抽象层与硬件相关 u s b c i c 命令接口层与硬件相关 c h a p9 c 协议层与硬件无关，与u s b 协议相关 d e s c r i p t i o r c 协议层描述符与硬件无关，与u s b 协议相关 u s b d r i v e r c 应用层 与硬件无关 图3 8 8u s b 中断处理流程图 多用表使用u s b 功能，在加电时要对其初始化，在之后的应用中，u s b 模块如果检测 到u s b 总线有电压，就会进行u s b 事件的梅举过程，此过程包括u s b 器件的识别、地址 的分配、使用的物理及逻辑端点及其大小等操作。经过此过程后，p c 机就完成与u s b 器 件通信的准备。u s b 事件采用中断与用户程序处理相结合方式进行处理。在中断处理中， 2 l 南京信息工程大学硕士学位论文 只对事件的发生置相应的标志位，在用户程序中根据相应的中断标志位对u s b 事件进行处 理。中断流程如图3 8 8 所示。其中快速中断与慢速中断相应服务程序类似，均可由图3 8 9 所示处理。在u s b 应用中只采用了u s b 的控制端点与逻辑端点1 进行控制与通信操作。 因为此通信没启动d m a 方式，所以在程序中没有对d m a 方式进行设置。控制端点的发 送与接收处理程序处理为一些u s b 器件控制传输包的翻译与执行。逻辑端点1 的发送与接 收是真正的p c 机与多用表要传送的数据与控制代码。 u s b 通信与u a r t 通信设置不同，但传输的控制命令相同，在程序中，均是通过对其 命令代码的译码获得，并置相应的标志位，在主程序中对其进行操作。 3 9 存储电路 图3 8 9高或低优先级事件服务程序流程图 多用表在使用中，有三方面数据要进行存储：一、配置参数，保证在开机或应用时， 可以按着预先的配置对系统进行设置；二、系统的校验数据，包括满量程校准值、零点校 正值、温度补偿表等；三、测最中要求保存的测量数值。因此，在多用表中设置了存储功 能。 存储电路由c a t a l y s ts e m i c o n d u c t o r 公司生产的c a t 2 4 w c 0 2 存储器为核心构成。 南京信息工程大学硕士学位论文 c a t 2 4 w c 0 2 是总容量为2 k 的e e p r o m 存储器，可以通过i i c 总线协议通信方式对其进 行读写操作，最高通信速率可以达到4 0 0 k b s 。电路如图3 9 1 所示。i i c 通信接口的数据 线与时钟线分别接a r m 的i i c 0 通信接口，a r m 做为主i i c 控制器件，c a t 2 4 w c 0 2 作为 从器件。a 0 、a 1 、a 2 与地相连，这样存储器的写地址为0 x a 0 ，读地址为0 x a l 。 图3 9 1存储电路原理图 c a t 2 4 w c 0 2 内部有2 5 6 个字节空间供使用，内部子地址为0 x 0 0 - - 0 x f f 。多用表在使 图3 9 2存储器读一字节数据流程图 用过程中将其分为三个区，分别放置配置参数、校验数据和测量值。c a t 2 4 w c 0 2 芯片