R.L.C.智能测量仪.doc

四川师范大学成都学院本科毕业设计 I R L C 智能测量仪 学生 梁耕瑞 指导教师 鲁顺昌 内容摘要 本文介绍了一款靠性能的R L C智能测试仪的设计 该仪器主要由 DAC0832与LM358构成的DDS信号发生器 FPGA做整个系统的主控芯片 高速 高精度25 位 型A D芯片ADS1255进行数据采样 使用自由轴测量法进行数据测量 同时使 用串口把测量数据发送到上位机中进行元件仿真建模 关键词 RLC 测量仪 FPGA DDS 信号发生器 高精度 AD 四川师范大学成都学院本科毕业设计 II R L C R L C intelligentintelligent measuringmeasuring instrumentinstrument Abstract Abstract This paper introduces A by R L C intelligent tester design the performance of the equipment is mainly composed of DAC0832 and LM358 DDS signal generator FPGA make the whole system of master control chip high speed high precision 25 type A D chip ADS1255 data sampling use free axes measuring method data measurement at the same time using the measurement data is sent to the PC serial port element simulation modeling Keywords Keywords RLC meter FPGA DDS signal generator of high precision AD 四川师范大学成都学院本科毕业设计 III 目 录 前言 1 1方案选择与论证 1 1 1 设计目标要求 1 1 2 系统设计方案选择 1 1 3 自由轴法测量原理 2 1 3 1 阻抗计算 2 1 4 嵌入处理器选择 4 2硬件电路设计 5 2 1 电路结构设计 5 2 2 电源设计 6 2 2 1 电源方案选择 6 2 2 2 电源结构 6 2 2 3 电源电路设计 7 2 3 DS 信号发生源设计 10 2 4 测量电路 12 2 5 A D 模块设计 13 2 6 人机交互电路设计 14 2 7 RS 232 通信接口设计 15 2 8 FPGA 核心电路 16 3 软件设计 16 3 1 FPGA 构架设计 16 3 2 DDS 信号发生器 17 3 3 ADC 测量以及相敏检波 18 3 4 元件自动识别 20 3 5 串口通信 20 3 5 1 串口构造 21 3 5 2 VB 简介 22 3 5 3 上位机测试软件 22 4 仿真与调试 23 四川师范大学成都学院本科毕业设计 IV 4 1 时序逻辑仿真 23 4 2 电路仿真 23 5设计总结 24 附录 1 FPGA 核心板电路图 一 25 附录 2 FPGA 核心板电路图 二 26 附录 3 部分 VERILOG 代码 27 参考文献 32 四川师范大学成都学院本科毕业设计 1 R L C 智能测量仪 前言 当代电子技术迅猛发展 应对日趋增长的测量精度需求 对测量仪器的要求不断 提高 但是目前测量仪器普遍价格高 精度低 随着片上系统的逐渐普及以及半导体 器件制造工艺的不断提高 设计制造低成本 高性能的器件难度不断降低 同时设计 工具的智能化 集成化 模拟化也是当前发展的主流 本设计使用目前前沿设计技术 阐述了高性能的 RLC 智能测量仪的全部设计流程 1 方案选择与论证 1 1 设计目标要求 在本设计 R L C 智能测量中要求能够智能测量电阻 电容 电感的参数 并显示 出数值 考虑到进行系统调测量试的智能化和便于使用自动控制的工业现场 所以本 设计在测量仪自带显示器显示数据的同时使用 RS 232 串口发送数据到电脑中 在设计 电路的同时本设计使用 VB 编写了一个通过串口传输数据的上位机程序进行数据测试 本设计 R L C 智能测量仪设计设计理念是设计实验室专用中等成本的 R L C 智能 测量仪 本设计要求精度较高 其设计目标参数为 测试范围 电感 0 1uH 9999mH 电容 0 1nF 9999mF 电阻 0 01 9999K 测量精度 0 05 1 2 系统设计方案选择 在 R L C 测量中目前主流有三种方法 即谐振频率测量法 电桥校准测量法 伏 安阻抗测量法 其中谐振测量即使用被测量元件与标准元件构成振荡器 但是在批量生产中制作 元件精度有限 每台仪器之间测量误差非常大 同时在使用的同时器件的参数性能变 化也直接影响测量精度 所以谐振产量法常用在一些低速 低精度 低成本的场合 无法满足本设计的设计要求 目前高精度测量元件参数中普遍采用的是电桥校准测量法 虽然电桥发校准测量 四川师范大学成都学院本科毕业设计 2 法的测量精度比较高 但是电桥测量的测量速度太慢 且电桥测量调平操作非常的复 杂在自动化测量中电桥测量法难以实现 虽然电桥测量法能够满足本设计的测量精度 但是测量速度忙且测量复杂 同样不适合与本设计 伏安测量法是最基础的方法 以前伏安发测量由于电子元件的精度以及处理器的 速度限制测量精度并不是很高 但是近代半导体技术突飞猛涨 以目前半导体元件制 作的伏安测量电路完全能满足本设计的测量精度 所以本设计在伏安法的基础上采用 相位差测量法 1 3 自由轴法测量原理 本设计采用自由轴测量方式 即采用一个标准的正弦波加在被测元件和一个标准 电阻 Rs 串联的连接的二端口上 测量被测元件上电压的 Ux 被测元件上的波形即是电 压的波形 同时测量标准电阻上的电压 Us 标准电阻上的的电压波形通过除以标准电 阻值就是垫钱被测元件的电流 Io 由下公式即可求出被测元件的阻抗值 Zx Zx Uz Io Uz Ur Rr U1 U2 U3 U4 Rr 其中原理框图如图 1 3 1 所示 图 1 3 1 自由轴法 RLC 测量原理框图 1 3 1 阻抗计算 当采样到 U1 U2 可以推断出其为 Ux 坐标的两个投影 U3 U4 为 Us 坐标的两个投 影 其测量电压 Ux 与 Uz 的向量图如图 1 3 1 1 所示 四川师范大学成都学院本科毕业设计 3 图 1 3 1 1 自由轴向量坐标图 则被测元件阻抗 Zx 可以用式 1 3 1 1 表示为 1 3 1 x1234Z xssUU RUjUUjU 1 利用测得的 Ux 与 Uz 在自由轴向量坐标上的投影分量建立数学模型 如式 1 3 1 2 与式 1 3 1 3 所示 1 3 1 x1212UUjUeNjeN 2 1 3 1 s3434 UUjUeNjeN 3 公式中 e 为 AD 取值的刻度 即代表没一个刻度的真实电压值 而 N 则为刻度的系 数 假设测量的为容性阻抗 根据公式 1 3 1 2 与 1 3 1 3 可推出导纳的其导纳 Yx 的求值公式 1 3 1 4 为 1 3 1 4 x 13241423 2222 1212 Y 1 xxsxsGj CUUR N NN NN NN N j RNNNN 则可推等效电纳 Cx 求值公式 1 3 1 5 和等效电导 Gx 求值公式 1 3 1 6 四川师范大学成都学院本科毕业设计 4 1 3 1 5 1423 x 22 12 1 C s N NN N RNN 1 3 1 6 1324 x 22 12 1 G s N NN N RNN 按照相同的方法可以推导出表 1 3 1 12 中测量参数求 R L C 公式 表图 1 3 1 12 RLC 测量公式表 1 4 嵌入处理器选择 嵌入式 CPU 的选择有多种选择 有以下几种方案 方案一 目前嵌入式处理器中常用的是 ARM 构架的 32 位单片机 其特点有成本低 性能较好 型号多可选择性好 其中常用的有 ST 公司生产的 STM32 系列的单片机和飞 思卡尔生产的 K 系列的的单片机等等 方案二 选择 DSP 处理器进行数据处理 DSP 具有浮点数运算和数据处理能力快的 优点 DSP 目前广泛应用于高性能大数据量的信号处理系统中 方案三 自己设计专用集成芯片 SOPC 片上系统 进行数据处理 普遍研发阶段 一般使用选择可编程逻辑器件 FPGA CPLD 在其内部构造一个能够进行数据处理的片上 逻辑系统进行数据处理 ARM 构架的单片机虽然应用广泛 但是其在高速大量数据的运算上面有所欠缺 且 四川师范大学成都学院本科毕业设计 5 其指令系统复杂 又要保证本系统的测量精度需要严格的时序要求 所以本系统不适 合使用 ARM 单片机 DSP 数据处理能力非常强 但是其价格偏高 同时内部指令系统也 很复杂 所以也不利于时序的控制 SOPC 能够进行数据硬件化处理 同时内部也可构 造出 CPU 节约内部硬件空间 在能够实现高速数据处理的同时又能够精确的进行时序 控制 虽然可编程逻辑器件售价较高 但是进行大规模生产时进行专用集成芯片芯片 ASIC 流片可以大大降低成本 所以本设计采用 ASIC 专用集成芯片 的设计原型 FPGA 可编程逻辑器件 进行数据控制 由于是设计样机成本并不在考虑范围之内 本设计选用的 FPGA 芯片是 Altera 公 司生产的 CYCLONE IV 系列的 EP4CE15F17C8N 该芯片内部资源足够用于本设计 其内 部资源如上表 1 4 1 所示 表 1 4 1 FPGA 内部资源表 芯片 EP4CE15F17C8N 逻辑单位 15408 内嵌 RAM 516096bit IO 数量 156 内核电压 1 15V 1 25V 工作温度 0 85 封装 256 BGA 2 硬件电路设计 2 1 电路结构设计 电路中 FPGA 主要起中枢作用 DDS 信号发生器用于产生标准的正弦波 由于 DDS 信号发生器产生的是高阻信号所以使用缓冲进行阻抗变换后把低阻信号加于被测元件 与标准电阻上面 A D 采样电路同时采集 Ux Ur 两路电压信号 计算得出数值后通过 液晶进行数据显示 在液晶显示的同时通过串口发送数据到上位机 在确定好了设计总体方案以后确定电路结构如下图 2 1 1 所示 四川师范大学成都学院本科毕业设计 6 图 2 1 1 RLC 测量仪电路结构图 2 2 电源设计 2 2 1 电源方案选择 在精密测量系统中电源的稳定关系到整个系统的精度 目前直流电源产生主要有 三种方案 方案一 采用蓄电池对系统供电 方案二 采用民用单相 220V 交流电进行开关降压滤波后对系统进行供电 方案三 采用单相 220V 60HZ 交流电进行供电 使用工频变压器降压 整流 滤 波后对系统进行供电 由于电池电压稳定即使电压下降也是缓慢的曲线下降 所以电池是一般高精密测 量系统的首选供电方案 但是电池能量容量有限需要定期对其进行充电 且需要定期 对电池进行维护 不便于使用 使用开关电源是目前市场主流 其成本低效率高 开 关电源的原理是利用高频开关器件对电源进行开关降压后滤波输出需要的波形 这同 时也是开关电源的一个缺点 因为开关电源在进行高频开关降压的同时会产生高频谐 波 由于是精密测量仪器这个高频干扰会严重影响测量精度 甚至会把测量精度降低 好几数值 所以开关电源同样不适用于本设计 进行工频变压器降压整流虽然电源成 本相对较高 但是工频降压的干扰仅有 50Hz 的市电干扰 很容易使用软件进行滤波 大大降低了硬件结构的复杂 也节省了制作成本 相对而言使用工频降压的方法最适 合本设计需求 所以本设计选用工频变压器对电源降压后进行整流滤波对系统供电 2 2 2 电源结构 由于是金木仪器所以在电源的数字和模拟需要进行特殊处理 在本设计中电源总 四川师范大学成都学院本科毕业设计 7 体结构图如下图 2 2 2 1 所示 图 2 2 2 1 电源结构图 2 2 3 电源电路设计 2 2 3 1 共模抑制电路 电源的干扰影响着仪器的精度 稳定性 可靠性 同时为了防止仪器对其他电器 的干扰 采用共模抗干扰技术 即通过在市电和变压器之间连接一个共模磁环进行对 电源电磁干扰进行隔离 提高电源稳定性 其原理如图 2 2 3 1 所示 图 2 2 3 1 共模抑制电路图 2 2 3 2 变压器选择 由于本设计数字芯片供电采用 3 3V 直流电源供电 运放芯片采用的是 5V 单电源 供电 所以工频变压器选择 220V 6V 变压器 本设计所有器件功率最高消耗约为 8W 考虑到余量所以变压器选择标称功率为 16W 的工频变压器 2 2 3 3 整流滤波电路 由于变压器输出的是交流的正弦波信号需要对这个正弦波进行整流滤波后才能为 四川师范大学成都学院本科毕业设计 8 器件进行供电 其电路图如图 2 2 3 3 1 所示 图 2 2 3 3 1 整流滤波电路图 本设计估计功率约为 8W 计算时考虑少量豁量取 10W 进行计算 8 48V 直流输入 电压计算 输入电流 IL约为 1 18A 其中整流桥中的二极管导通半角 其二管导通电流取有效值 有电容滤波时 二极管耐流选择公式为 2 2 3 3 1 所示 2 2 3 3 LI 2I 1 5 1 考虑到豁量整流二极管选用耐流应为 2A 左右 由于二极管进行整流滤波以后输出的电压波形图 2 2 3 3 2 所示 图 2 2 3 3 2 整流后电压波形图 四川师范大学成都学院本科毕业设计 9 所以需要储能电容就给对电压进行滤波处理 其中电容的取值不能太大 太大时 充电电流太大容易烧坏二极管 太小充电电流太小输出电压脉动太大 所以电容取值 如下式 2 2 3 3 2 所示 2 2 3 3 C T 2 R 3 5 2 其中 R 为电路等效电阻 本系统 R 取值为 7 19 所以电容取值为 3200uF 但是 市场上并没有 3200uF 的个型号的电容 所以选取 3600uF 的电容进行滤波 电路中的 0 1uF 的电容作用是增加电路的高频响应 2 2 3 4 线性稳压电路 由上文可知开关型降压电源并不适合用于本设计 所以在进行系统稳压时问设计 选用线性稳压芯片进行稳压 其中 3 3V 电源器件选用 AMS1117 3 3 进行稳压 V 电源器件选用 AMS1117 5 0 进行稳压 为了增加线性稳压的反应是速度和降低 器件对系统的干扰 在稳压芯片的输出与输出口都增加了电源去耦电容 其稳压电路 如图 2 2 3 4 1 所示 图 2 2 3 4 1 线性稳压器电路 2 2 3 5 模拟器件与数字器件隔离 接地的正确性对高精密测量仪器至关重要 接地方法不好会影响整个系统的稳定 性 好的接地方法能够非常有效的抑制干扰 接地的目的是去掉两个不同地的电路电流经过公用的地线时所导致的的电压噪声 干扰 而且且接地进行隔离避免了不同电路的电磁场对相邻系统的的影响 避免了电 压地环路的形成 目前普片使用的防干扰接地的方法是让模拟地和数字地在一点汇交防止干扰 同 四川师范大学成都学院本科毕业设计 10 时防止外部电磁干扰以及内部电磁信号泄露引起其他设备故障 在把机盒与地线相连 其中模拟地与数字地连接时采用分别回流接地法 其示意图如图 2 2 3 5 1 所示 图 2 3 3 5 1 分别回流接地 2 3 DS 信号发生源设计 由于本设计需要一个可以自动控制的标准正弦信号 使用模拟器件产生信号难以 控制 所以本设计采用 D A 器件制作一个直接数字频率合成 DDS 信号发生器 DDS 信号发生器即是通过数字技术产生模拟信号 虽然 DDS 信号发生器的特点决定 了它输出信号并不连续且输出信号的带宽受到器件限制并不能做到很宽 其信号的误 差主要由 D A 器件的非线性误差造成的 本设计需要的最高频率为 1KHZ 的正弦信号 考虑到信号的标准性 所以每一个波 形最小设置 256 个数值点 D A 转换器转换频率需要达到 256KSPS 以上 DSC0832 是一字节数据宽度的 D A 转换芯片 该芯片是电流型 D A 转换芯片 电流 建立时间只有 1us 转换频率达到了 1MSPS 其速度能够满足本设计需求 其中 DAC0832 内部原理图与引脚图如图 2 3 1 所示 四川师范大学成都学院本科毕业设计 11 图 2 3 1 DAC0832 原理图与引脚图 由于 DAC0832 输出为电流型 切为了让数据输出平缓 需要在输出端连接一个有 源低通滤波器 LM358 是单电源 双运放结构 其参数如表 2 3 1 所示 表 2 3 1 LM358 参数表 芯片 LM358 直流电压开环增益 96dB 双电源电压范围 1 5V 15V 单电源电压范围 3V 30V 失调电压 1mV 输出电压摆幅 0V VCC 本设计通过 DAC0832 输出离散的正弦电流 经过 LM358 进行电压转化 低通滤波 想 以后输出标准正弦波 正弦信号失真度非常低 其失真度能够降到 0 01 以下 应 用电路图如图 2 3 2 所示 由于 D A 输出的是离散信号 为了保证数据的高线性度 低通滤波截止频率太低 信号会使输出信号赋值降低 截止频率太高输出信号会出现高频谐波 所以需要选择 合适的截止频率 D A 信号跳变频率为 256KHZ 正弦波输出信号为 1KHZ 考虑到平衡 性 本设计选择截止频率为 5KHZ 截止频率计算公式 2 3 1 为 2 3 cf 1 2RC 1 四川师范大学成都学院本科毕业设计 12 所以当 R 取 10K 的值时 C 取值为 3 1nF 图 2 3 2 DDS 信号发生电路图 2 4 测量电路 电路图如图 2 4 1 所示 图 2 4 1 测量电路图 本设计测量电路主要由一个被测元件 Zx 标准电阻 Rs 和一个电压跟随器构成 运放 LM358 作为电路中的电压跟随器 其作用是把电流信号转化为电压信号进行采样 电阻 Ro 主要起限流的作用没用严格限制 由于 LM358 输出电流最大约为 10mA 最高电 压为 5V 考虑到豁量所以 Ro 选用标称阻值 1K 1 误差 0 25W 的金属膜电阻通过电 流最大 Io 为 5mA A D 器件最大采样值为 5V 计算得出 Rs 取值为 2K 考虑到豁量 四川师范大学成都学院本科毕业设计 13 Rs 的取值应为 1 5K 而 RS 的精度影响着系统测量精度 所以 Rs 选择 1 5K 0 01 误 差 1W 的军工级金属膜电阻 2 5 A D 模块设计 考虑到采样的精确性本设计采用 24 位高速 A D 芯片 ADS1255 ADS1255 是 TI 公式 生产的低功耗 高速 高精度的 24 位 型 A D 器件 ADS1255 内部集成数输入缓 冲器 可编程增益放大器 可编程数字滤波器 由于其性能极高常使用在工业测量 科学仪器领域 ADS1255 参数如下表 2 5 1 所示 表 2 5 1 ADS1255 参数表 型号 ADS1255 封装 SSOP 20 数据位数24 位 最快数据采样 30KSPS 非线性度 0 0010 输入通道2 路 模拟部分电压 5V 数字部分电压 1 8V 3 3V ADS1255 组要有模拟量输入开关 缓冲输入器 数控放大器 调制器 数字 滤波器 震荡电路 通信接口组成 其内部结构图如图 2 5 1 所示 图 2 5 1 ADS1255 芯片结构图 四川师范大学成都学院本科毕业设计 14 又由于 ADS1255 属于高精密器件所以在模拟电源的输入端和数字电源的输入端添 加一个大电容和一下小的瓷片电容进行电源去耦 保证测量精度 ADS1255 应用电路如图 2 5 2 所示 图 2 5 2 ADS1255 应用电路图 2 6 人机交互电路设计 人机交互界面分为显示界面与控制界面 本设计显示采用 LCD12864 液晶屏幕进行 显示 LCD12864 屏幕为点阵式液晶屏幕 其中横坐标有 128 个像素点 纵坐标有 64 个 像素点 本设计使用的 LCD12864 屏幕采用 SPI 协议进行通信 最高支持通信速度 2 5Mb S 其高速数据显示足够进行本设计数据显示 控制体现了智能设备的高度智能化特点 采取一键式测量 即整机只有一个开始 测量的按键 LCD12864 应用电路图如图 2 6 1 所示 四川师范大学成都学院本科毕业设计 15 图 2 6 1 LCD12864 应用电路图 2 7 RS 232 通信接口设计 一般仪器测量都只能支持设备自带显示器显示 但是在设计阶段电路仿真的时候 需要把元件参数测量出来后手动在电脑仿真软件上手动输入参数简历模型 但是这种 方式在现代的高速 大量的数据测量中工作量大 且人工操作容易出错 同时方便系统仿真中的元件建模 本设计设计的 RLC 智能测量仪使用串口把测量 数据通过串口发送到计算器中进行自动元件建模 同时计算机业可以通过串口发送控 制命令控制测量仪工作 由于计算机的 RS232 接口属于差动电平 无法和 FPGA 引脚的 TTL 电平兼容 所以 本设计选用 MAX 公司生产的 MAX232 电平转换芯片进行电平转化 考虑到一般芯片 TIA 232E EIA 以及 V 24 V 28 通信接口而一端无法满足 12V 供 电 MAX232 是专为该应用提供的专用芯片 MAX232 为 5V 供电 支持多通道信号传输 属于全双工串口传输芯片 其数据手册推荐应用电路如图 2 7 1 所示 四川师范大学成都学院本科毕业设计 16 图 2 7 1 MAX232 应用电路图 2 8 FPGA 核心电路 本设计使用的是 FPGA 做数据处理 其内部可重构数字处理电路 所以大大节约了 开发时间与开发成本 考虑到设计原型能够足够支持设计 本设计选用 FEP4CE15F17C8N 这个型号的 FPGA 芯片进行原型设计 同时为了保证芯片能够进行大数据量缓存 本设计同时采用空间 为 256Mb 的 SRAM 芯片 IS61LV25616 10T 进行数据缓存 3 软件设计 3 1 FPGA 构架设计 由于 FPGA 是硬件可重构元件 设计理念应是硬件模块化思想 所以在构架设计时 应设计是模块化硬件电路 本设计使用的 HDL 语言为是 Verilog HDL 硬件描述语言 Verilog HDL 语言是在 1983 年在 Gateway Design Automation 公司设计 该语言由于语法结构酷似 C 语言且 语法灵活多变 推出不久后很快被设计人员认可 同时考虑到系统庞大所以采用自上 四川师范大学成都学院本科毕业设计 17 而下的原则进行设计 设计流程和模块结构图如下图 3 1 1 与 3 1 2 所示 图 3 1 1 FPGA 设计流程图 图 3 1 1 FPGA 结构图 3 2 DDS 信号发生器 由于是高精度信号源本设计采用第三方软件进行一个 8 位 256 个样点的函数对应 值进行数据取值 一共 2048b 文件把值存入内部 ROM 中等待调用 为了保证数据传输 的流畅性 本设计采用 8 位 16 个深度的 FIFO 缓冲器进行数据预取值 FIFO 是一个先进先出数据缓存器 FIFO 和一般的数据储存器不同的是没有数据读 取地址线 所以在进行 FIFO 进行数据载入和取出的时候能够非常的快捷 目前 FIFO 四川师范大学成都学院本科毕业设计 18 常用在高速数据缓存上 FIFO 模块结构如图 3 2 1 所示 图 3 2 1 FIFO 模块结构 由于数据在储存的时候已经进行了编码所以可以不用编码直接把从 FIFO 取出的数 据载入 D A 输出控制器中 其中 D A 输出控制器只需要用硬件结构模拟出 DAC0832 的 时序进数据输出即可 DAC0832 时序图如图 3 2 2 所示 图 3 2 2 DAC0832 时序图 同时在使用 DAC08322 进行数据输出的时候 由于 FPGA 使用频率为 50MHZ 的晶振 要让输出频率为 fx 的正弦信号则对 DAC0832 控制周期 Tx 如式 3 2 1 3 2 1 T 50 256xfxM 3 3 ADC 测量以及相敏检波 四川师范大学成都学院本科毕业设计 19 由于本设计使用的 A D 转换芯片使用的是 SPI 通信协议所以要控制 SPI 通信需要 构造一个 SPI 的底层函数 SPI 时序图如图 3 3 1 所示 图 3 3 1 SPI 协议时序图 建立的 SPI 协议模块与上级模块连接需要有信号数据线 发送使能线 完成反馈 线 考虑到 Verlog 对位操作的优良性 本设计 SPI 协议的数据线使用包含了数据与芯 片使用信息的十位的数据线 的 0 7 位是数据位 8 位为片选 9 位是命令 数据选择 线 其 SPI 协议关键代码见如附录表 3 同时使用自由轴测量的方法分别在被测元件与标准电阻上信号的一个周期内采样 两次信号 每次信号相位差为 90 在被测元件上采样电压分别为 U1 U2 在标准电 阻上测量元件电压分别为 U3 U4 由于 ADS1255 内部具有程控放大器 在测量数据的同时可以按按照数据的大小自 动调节放大器的放大倍数 其调节原理图如图 3 3 2 所示 图 3 3 2 ADS11255 调节原理图 3 4 元件自动识别 本仪器值设有一个测量按键 放入测量原件后需要进行自动识别被测元件的类型 四川师范大学成都学院本科毕业设计 20 根据其阻抗原理 电阻测量时只有实部 因此在加入元件时能够很快判定出是否为电 阻 如果不是电阻则测量其虚部位正还是为负 如果虚部为正则为电感 否则为电容 3 5 串口通信 由于 FPGA 本身由逻辑电路组成 本身不集成串口模块 使用串口模块时需要进行 配置 串口书序图如图 3 5 1 所示 图 3 5 1 串口时序图 3 5 1 串口构造 同时考虑到穿靠数据发送量可能比较庞大 为了增加数据传输的效率 在串口模 块中同样添加了 FIFO 模块进行数据缓存 串口控制模块主要作用是读取 FIFO 模块数 据 和选择发送的数据类型 串口发送模块的作用是把控制模块的数据按照串口的时 序要求进行数据发送 其中核心代码见附表 3 本设计串口发射模块构造如图 3 5 1 1 所示 图 3 5 1 1 串口控制构架 四川师范大学成都学院本科毕业设计 21 接收模块构造图如图 3 5 1 2 所示 图 3 5 1 1 串口控制构架 3 5 2 VB 简介 Visual Basic 是微软公司推出的一种面向对象的编程语言 VB 拥有图像开发系统 和快速应用程序开发系统 器提供的控件可以让开发人员设计一个用户程序 3 5 3 上位机测试软件 本系统根据测试需要使用 VB 开发了一个简单的测试上位机程序 其开发过程本文不再 赘述 其界面如图 3 5 3 所示 图 3 5 3 串口通信测试软件窗口 四川师范大学成都学院本科毕业设计 22 通过基本测试该串口通信软件能够收到响应的测量数值并进行简便的数据处理 4 仿真与调试 完成了硬件与时序逻辑的设计后需要进行仿真与电路调试 4 1 时序逻辑仿真 本设计对时序逻辑的仿真采用 Modelsim 进行时序逻辑的仿真 其中仿真部分时序 仿真图如图 4 1 1 所示 图 4 1 1 Modelsim 仿真部分时序图 经过不断的仿真调试后即可确定时序逻辑部分的设计 4 2 电路仿真 本设计电路仿真采用的是 Multisim 电路仿真软件 其中仿真结果如图 4 2 1 所示 四川师范大学成都学院本科毕业设计 23 图 4 2 1 Multisim 电路仿真图 由上图可知可以使用 A D 转换器件实时转化出其固定阻抗和待测阻抗 当已知频率 的时候即可求按照 1 3 1 所列出的公式求出需要测量元件的参数 5 设计总结 这次毕业设计让我受益匪浅 通过这次设计我对自己在大学四年时间里所学的知 识得到了全面的 回顾 并充分发挥对所学知识的理解和对 毕业设计的思考及书面表达 能力 最终完成了这份论文 撰写论文 的过程也是专业知识的学习过程 它使我运用 已有的 专业基础知识 对其进行设计 分析和解决 一个理论问题或实际问题 把知识 转化为能力的实际训练 培养了我运用所学知识解决实际问题的能力 经过了两个多月的努力终于把这篇论文写完 同时也标志着我大学四年的时光即 将结束 我即将离开生活四年的母校 奔赴工作岗位 在做毕业设计 的这两个月里面感 谢鲁老师对我的指导 鲁老师的亲切关怀和悉心指导让我完成了这份毕业设计 老师 以其渊博的学识 严谨的治学态度 求实的工作作风和他敏捷 的思维给我留下了深刻 的印象 我将终生难忘老师对我的亲切关怀和悉心指导 再一次向他表示衷心的感谢 感谢他为学生营造的浓郁学术氛围 以及学习 生活上的无私帮助 值此论文完成之 际 谨向鲁老师以及学校全体老师致以最崇高的谢意 四川师范大学成都学院本科毕业设计 24 附录 1 FPGA 核心板电路图 一 四川师范大学成都学院本科毕业设计 25 附录 2 FPGA 核心板电路图 二 四川师范大学成都学院本科毕业设计 26 附录 3 部分代码 串口接收部分代码 module RX module input RST input CLK input UART RX 接收信号线 output 7 0 LED DU output 5 0 LED WE wire entable wire RX CLK wire 7 0 RX Data 接收时钟 UART RX CLK RX1 RST RST CLK CLK UART RX UART RX entable entable RX CLK RX CLK 数据处理 UART RX ProcessingData RX2 RST RST CLK CLK RX CLK RX CLK UART RX UART RX entable entable RX Data RX Data NixieTuble LED1 RST RST 四川师范大学成都学院本科毕业设计 27 CLK CLK RX Data RX Data LED DU LED DU LED WE LED WE endmodule 串口发送部分代码 module TX module input RST input CLK input 7 0 UART TX data input UART TX sig output UART TX ouput output UART TX done wire BPS CLK 定时模块 tx bps module TX M RST RST CLK CLK UART TX sig UART TX sig BPS CLK BPS CLK 发送控制模块 x control module TX C RST RST CLK CLK BPS CLK BPS CLK UART TX data UART TX data UART TX done UART TX done UART TX ouput UART TX ouput 四川师范大学成都学院本科毕业设计 28 Endmodule LCD 显示部分代码 module lcd module CLK RSTn SPI Out input CLK input RSTn output 3 0 SPI Out wire Init Start Sig wire Draw Start Sig lcd control module U1 CLK CLK RSTn RSTn Init Done Sig Init Done Sig input from U2 Draw Done Sig Draw Done Sig input from U3 Init Start Sig Init Start Sig output to U2 Draw Start Sig Draw Start Sig output to U3 wire Init Done Sig wire 3 0 Init SPI Out 四川师范大学成都学院本科毕业设计 29 initial mo