《单片机系统设计基础及应用》-第6章

6.1项目简介光栅测量技术以光栅形成的莫尔条纹（MoireFringe）信号为检测基础，和其他测量系统相比有着明显的优势，发达国家在20世纪70年代末期就已能生产出带微型计算机的高精度光栅数字显示装置。目前光栅测量技术向智能化、多功能化方向发展，普及率提高。光栅测量系统主要由光栅传感器、光栅信号处理电路及数字显示装置或计算机组成。该系统中光栅传感器作为位移测量元件，光栅信号处理电路对光栅信号进行电子细分和数字化处理，数字显示装置和计算机用于位移显示和整体控制。下一页返回6.1项目简介在实际应用中，经常需要标准的光栅信号对光栅传感器后续的细分电路、辨向电路及信号计数等光栅传感器信号处理系统进行检测，而实际光栅信号是经由光照射光栅传感器，再由光电器件接收并经后续电路处理才能得到的。系统应用元器件较多，结构复杂，费时费力，因此本章研究了一种可以模拟光栅传感器输出信号的信号源发生器，它可以对光栅传感器的后续电路进行调试及检测，解决了在无光栅工作的条件下对后续电路进行调试的问题，具有较强的实用性。上一页返回6.2项目任务及要求本课题的目标是设计并制作一台简易光栅信号模拟发生器。该系统核心采用MCS-51系列单片机，能够输出双路正交信号，波形可在正弦波、方波两者之间选择；输出信号频率可调，幅值可调，可实现反向运动模拟；由键盘控制功能操作，液晶显示器LCD1602用于显示输出信号情况，操作界面简单易懂；除作为专业光栅信号模拟器外也可作为普通信号源发生器使用。系统的具体设计指标如下：（1）能输出双路正交信号，波形可在正弦波、方波两者之间切换。（2）输出信号频率为500Hz、250Hz、100Hz和50Hz等（可调），幅值为±2.5～±5V（连续可调）。下一页返回6.2项目任务及要求

（3）输出信号可以在任意时刻暂停输出波形，保持暂停时的电压直流输出，并能返回正常输出信号。（4）实时显示输出信号参数（当前输出信号种类、频率、是否暂停、是否反向输出，反向指会使正交信号中原来相位超前90°的信号变成滞后90°，原有滞后的信号变为超前90°）。（5）通过键盘控制功能操作。上一页返回6.3基础知识6.3.1光栅位移测量系统基于光栅的位移测量系统一般由光栅传感器、后续处理电路及计算显示模块组成，如图6-1所示。光栅传感器一般由光源、标尺光栅、指示光栅和光电器件组成，光电器件接收的信号经电路处理后可得到两光栅的相对位移。图6-2所示为透射式长光栅传感器。光源发出的光束经过透射式长光栅传感器形成均匀的平行光照射主光栅。由于主光栅和指示光栅的相对移动而输出交变的莫尔条纹信号。此信号经光学系统会聚到光电接收器，转换成反映莫尔条纹特征的电信号供细分电路及计数电路使用。下一页返回6.3基础知识莫尔条纹有横向莫尔条纹、纵向莫尔条纹、斜向莫尔条纹、光闸莫尔条纹等。光栅传感器测量位移主要是利用光闸莫尔条纹原理来实现的。工作时光栅传感器的标尺光栅、指示光栅之间留有很小的间隙并相对叠合。当标尺光栅和指示光栅相对移动时，透过光栅的光做明暗相间的变化，这种作用如同闸门一样而形成光闸莫尔条纹。在光线照射接收区，由于两块光栅间的相对移动，以及光栅盘等间隔的黑白刻线（透光与不透光）的相对移动产生发光强度周期性的变化。标尺光栅和指示光栅相对移动一个栅距，发光强度变化一个周期。其移动过程和发光强度变化如图6-3（a）～（e）所示。上一页下一页返回6.3基础知识实验证明，在理想的情况下，莫尔条纹是非正弦周期函数，并且当狭缝宽度为w/2（即指示光栅的透光部分）、间隙为0时，得到三角波，如图6-3（f）所示。在实际结构中，由于光栅尺之间总是存在一定的间隙、光线的不平行性和光的衍射作用、刻线面之间光的反射及光栅刻线的不均匀，实际得到的光栅信号变化曲线为近似正弦曲线，如图6-4所示。当光电元件接收到如图6-4所示的明暗相间的正弦信号时，便根据光电转换原理将光信号转变为电信号，此时输出波形仍为正弦波，该正弦波可用式6-1表示。上一页下一页返回6.3基础知识式中u——输出电压信号；U0——输出信号中的直流分量；U

m——输出正弦信号幅值；x——光栅的瞬时位移。6.3.2直接数字频率合成技术直接数字频率合成技术（DirectDigitalFrequencySynthesis，DDFS，一般简称DDS）是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。与传统的频率合成技术相比，它具有频率分辨率高、频率转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、控制方式灵活方便、便于集成等突出优点得到越来越广泛的应用。上一页下一页返回6.3基础知识DDS的主要思想是从相位的概念出发合成所需要的波形，其结构由相位累加器、波形存储器、数模转换器、低通滤波器和参考时钟5部分组成，其基本原理框图如图6-6所示。相位累加器：一个正弦波，虽然它的幅度不是线性的，但是它的相位却是线性增加的。DDS利用了这一特点来产生正弦信号。如图6-7所示，根据DDS的频率控制字的位数N，把360°平均分成了2的N次等份。假设系统时钟为fc，输出频率为fout。每次转动一个角度360°/2N，则可以产生一个频率为fc/2N的正弦波的相位递增量；只要选择恰当的频率控制字M，使得f

c/foutM/2N，就可以得到所需要的输出频率outf，fc/foutM/2N

，相位幅度转换通过相位累加器，上一页下一页返回6.3基础知识已经得到了合成outf频率所对应的相位信息，然后相位幅度转换器把0°～360°的相位转换成相应相位的幅度值.相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲sf，加法器将频率控制字k与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字k相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。上一页下一页返回6.3基础知识用相位累加器输出的数据作为波形存储器（ROM）的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值的转换。波形存储器的输出送到DAC，DAC将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量信号形式。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。6.3.3基于DDS的低通滤波器设计DDS可产生宽带正交信号及其他多种调制信号，其明显的缺点是，输出频率接近Nyquist带宽的高端，采样点数越少，输出的杂散干扰就越大。上一页下一页返回6.3基础知识为了得到所需频段内的信号，需要在DDS输出端加一滤波器，而低通滤波器能较好地滤除杂波、平滑信号，所以低通滤波器的设计尤为重要，滤波特性的优劣对输出信号的性能有重要的影响。滤波器阶数越高滤波效果越好。当然，无论电感电容滤波器还是模拟滤波器，算法都会随着阶数的增加变得复杂。一阶滤波器是最简单的滤波器，也是高阶滤波器的基础。所以在设计过程中先从一阶滤波器着手考虑，将其原理应用到二阶以至多阶。上一页返回6.4项目设计及分析6.4.1系统框图根据设计要求及对单片机电子系统的研究，得出系统中主要构成模块包括键盘模块、显示模块、D/A转换模块、滤波及调理模块、单片机最小系统模块和示波器显示模块。简易光栅信号模拟发生器结构图如图6-10所示。在图6-10中，核心处理器采用MCS-51系列单片机。根据DDS原理采用两片DAC0832芯片与单片机最小系统连接成双缓冲模式得到两路正交正弦信号，为了使输出的正弦波更加平滑并且能够对正弦波信号调幅，两路正交正弦信号要通过滤波及调理模块送入示波器显示模块进行波形显示。两路正交方波信号通过单片机的两个独立I/O口发出，直接送入示波器显示。下一页返回6.4项目设计及分析4个独立按键的功能分别为切换输出波形种类、切换波形输出频率、输出波形暂停及两路正交波形反向输出。LCD1602用于显示当前输出波形种类、频率及是否暂停和反向输出的信息。6.4.2电路设计根据系统原理框图，以及选择好的各模块芯片在Proteus软件中画出电路原理图（省略复位电路和晶振电路），元器件清单如表6-1所示，其电路原理如图6-11所示。上一页下一页返回6.4项目设计及分析1．D/A转换模块设计由于光栅信号模拟发生器需要同时输出双路相位差90°的正弦波，因此需要两片D/A在同一时间进行D/A转换。因此所需的D/A转换器必须有两级缓冲，两片D/A的输入数据分别经过第一级缓冲器锁存之后，第二级缓冲器由共用的选通信号控制，从而达到两片D/A同步输出信号的目的。设计中采用的是DAC0832型芯片。它是一种通用的8位DAC，其转换时间为1.s，工作电压为5V～15V。其内部有两个8位寄存器和一个8位D/A转换器，故可进行两级缓冲操作。上一页下一页返回6.4项目设计及分析图6-13中两片D/A的第一级缓冲器的选通由单片机的引脚P2.5和P2.6线选控制，其地址分别为DFFFH和BFFFH，第二级缓冲器共用一个选通信号（地址）由引脚P2.7线选控制，其地址为7FFFH。单片机分别针对不同地址进行数据写入，进而控制不同的DAC执行功能并且保证两路模拟波形同时输出。DAC0832是电流型输出，在应用时外接运算放大器使之成为电压型输出。将运算放大器搭成跟随器，增强输出信号带负载能力。当运算放大器后只搭建一级运算放大器时，是单极性电压输出。式中D——用十进制表示的数字输入量。上一页下一页返回6.4项目设计及分析2．滤波及调理模块设计DAC0832完成数字量到模拟量的转换，但波形中模拟量到下一个模拟量的输出并不是平滑的过渡，而是类似于一个个电压的“台阶”，滤波电路可以使正弦波变得平滑。D/A输出模拟电压的频率一定高于输出的正交正弦波的频率，因此要设计低通滤波器。光栅信号模拟发生器的输出双路正交正弦波的幅值可调，则在滤波电路后面加入放大倍数可调的同相比例放大器，通过调整放大倍数实现输出双路正交正弦波幅度可调。上一页下一页返回6.4项目设计及分析滤波及调理模块电路原理图如图6-14所示。此滤波电路为双路一阶有源低通滤波器电路，其中一路电阻R12和电容C1构成无源低通滤波器，集成运放U8、电阻R13、电阻RV2构成同相比例放大电路，主要用于提高滤波电路的放大倍数和滤波电路的带负载能力。另一路与上面介绍电路结构相同。根据光栅信号模拟发生器的设计要求，输出信号频率可为500Hz、250Hz、100Hz和50Hz，在500Hz以上的为高频干扰信号。由式6-6可求得，截止频率:上一页下一页返回6.4项目设计及分析当f≤0.1fH时，因此放大倍数为1～2可调，由于D/A转换电路输出电压范围为-2.5～+2.5V，因此放大后的电压幅值范围为±2.5～±5V。3．键盘模块设计通过对光栅信号模拟发生器功能的分析，需要4个按键，分别实现波形切换功能、频率切换功能、暂停功能及反向功能。由于所需按键数量较少，根据上面的分析，采用4个独立按键来完成电路设计。键盘电路如图6-15所示。上一页下一页返回6.4项目设计及分析4个按键分别和单片机的P2.0～P2.3口相连，并通过1kΩ的电阻上拉至5V电源。4．显示模块设计系统选择较常用的LCD1602液晶显示器进行显示。显示模块如图6-16所示。LCD1602液晶显示器的数据口接在单片机的P0口上，RS、RW和E控制端分别接在单片机的P2.0、P2.1和P2.2口上。VSS引脚接地，VDD引脚接+5V电源，VEE通过10kΩ的电位器获得0～5V的电压，用来调整液晶背光亮度。上一页下一页返回6.4项目设计及分析5．示波器模块设计系统通过两个四通道示波器来观察输出波形。第一个示波器用来观察产生最终双路正交正弦波信号的中间波形，即DAC第一级运算放大器的输出波形及第二级运算放大器（输出信号为双极性）的输出波形。第二个示波器来观察最终的双路正交正弦波以及方波信号。示波器显示模块如图6-17所示。6．单片机最小系统模块设计单片机是整个电路的核心，以上的模块电路都要连接在单片机的I/O口上，实际电路中还需要连接晶振电路和复位电路构成单片机的最小系统，仿真图中可以省略。上一页下一页返回6.4项目设计及分析由于P0口内部是没有上拉电阻的，带负载能力有限，因此P0口连接1kΩ的上拉排阻，增加驱动DAC0832数据口能力。单片机最小系统电路图如图6-18所示。基于单片机的简易光栅信号模拟发生器I/O口分配如表6-2所示。上一页返回6.5软件设计6.5.1系统流程图根据设计任务，单片机输出的双路正交正弦波信号频率为500Hz、250Hz、100Hz和50Hz等（可调）。根据DDS的原理，需要对一个完整周期的正弦波进行等相位采样，假设采集N个点，再将这N个点等相位差（时间）输出，还原出一个完整周期的正弦波。例如，此时系统需要输出频率outf=100Hz的正弦波，并将采集到的N个点的信息全部输出，即频率控制字M=1，希望输出波形的频率为fout。根据前面DDS原理fout=fc×M/N，可以求出：下一页返回6.5软件设计

主程序中的变量初始化主要实现两个方面，一是定时器初始化，包括工作方式、计数初值的设定、对应中断源的开启；二是液晶显示器的初始化，包括设定数据库长度与显示格式等。主程序中的按键处理主要完成输出波形种类、频率的选择及输出波形是否暂停、两路正交波形是否反向的选择功能。没有选择时，系统默认输出的是两路正交方波信号，频率为100Hz，不暂停，不反向。按键处理的流程图如图6-20所示。上一页下一页返回6.5软件设计

程序中共用到4个标志位变量，bx是波形种类标志位，为0时输出方波，为1时输出正弦波；flag1是频率控制标志位，为0、1、2、3时分别表示当前输出波形频率为100Hz、200Hz、500Hz及1kHz；flag2为输出暂停标志位，暂停功能是指在波形输出时按下暂停键后，输出直流电平，其幅值为正弦信号被暂停时所在点的幅值，此时若再选择正向或反向输出功能，输出波形皆从这一点开始正向或反向输出。为0时表示输出不暂停，为1时表示输出暂停；flag3为输出反向标志位，光栅模拟信号的反向输出意味着信号按原路返回。反向会使正交信号中原来相位超前90°的信号变成滞后90°，原有滞后的信号变为超前。上一页下一页返回6.5软件设计

实现准确地控制输出正弦波频率，需要准确地定时，根据上文，每隔83.3μs依次输出存储器中的240个数据，还原一个完整的正弦波，则输出波形的周期约为20（0.0833×240）ms，频率为50Hz。通过控制输出数据的数量改变输出信号频率。使用定时工作方式2，可以进行精确定时。定时器对内部时钟进行计数，不占用CPU的时间，除非产生溢出才可能中断CPU当前的操作，提高单片机效率且工作灵活。定时器流程图如图6-21所示。上一页下一页返回6.5软件设计

6.5.2正弦波数据的产生实现用240个数据还原一个完整周期的正弦波需要先对正弦波进行采样，然后将数据换算成D/A芯片接受的数据格式存储在单片机的程序存储区内。采样的数据可以直接通过相应的数学软件计算出来，如MATLAB、Excel等，或直接通过正弦波数据计算器软件计算。这里介绍一种用Excel的公式方法计算出240个数据的方法。上一页返回6.6仿真调试6.6.1准备工作（1）ProteusISIS软件中绘制电路原理图，打开单片机属性对话框，在“ClockFrequency”下拉列表框中设定时钟频率，本例为12MHz。（2）在Keil中，建立工程，编辑1602.h和guangshan.c文件，并编译生成目标代码文件guangshan.hex。（3）在ProteusISIS软件中，打开单片机属性对话框，在“Programfile”下拉列表框中设定虚拟固化到单片机中HEX文件的路径。本例即为步骤（2）中的guangshan.hex。（4上述各步操作正确完成后，则可单击仿真界面按钮进行全速仿真。s下一页返回6.6仿真调试6.6.2仿真运行仿真结果如图6-22所示。1．系统输出方波和正弦波的仿真验证系统仿真时，默认单片机的P3.4和P3.5口输出两路正交的50Hz方波信号。通过波形切换按键可以使输出波形在两路正交方波信号和两路正交正弦波信号之间切换。两种输出波形如图6-23所示。从图6-23中可以看出，横坐标时间坐标的一格表示5ms，正弦波一个完整周期共占有4横格，则周期为0.005s×4=0.02s，即周期约为50Hz，方波同理。上一页下一页返回6.6仿真调试2．系统滤波器功能的仿真验证系统通过D/A芯片输出的模拟量如图6-24（a）所示，通过一阶低通滤波器和调幅电路之后输出如图6-24（b）所示。可见滤波器的作用是平滑输出波形。因为无限的模拟量通过有限的数字量表示，且每83.3μs输出才会变化一次，通过示波器观察到的并不是真正平滑的模拟量，需要低通滤波器将高频分量滤除。输出波形频率越高看到滤除高频信号的效果越好。仿真时，仍然选择输出正弦波，按两次频率切换按键，将输出频率调整为250Hz。从图6-24的两个滤波前后对比图中可以清晰地看到通过滤波器将原本似有一个一个“台阶”，不平滑的正弦波中的高频分量滤除之后波形变得平滑。上一页下一页返回6.6仿真调试3．系统输出波形频率切换的仿真验证该系统可以输出的波形为两路正交正弦波及两路正交方波，其中每一种波形的输出频率可以调节为50Hz、100Hz、250Hz和500Hz。通过“频率切换”按键就可以对输出波形的频率进行调节。这里通过按一次、两次、三次及四次“频率切换”键就可以在以上频率中来回切换。以两路正交正弦波为例。上一页下一页返回6.6仿真调试4．系统输出波形幅度调节的仿真验证可以通过滤波及调理模块中的电位器来调节输出波形的幅值，且幅值在范围±2.5～±5V内连续可调。先调节电位器，使得反馈电阻的阻值最小，即放大倍数最小。此时，再观察示波器输出波形。如图6-26所示。从示波器的波形图（图6-26）可以看出，纵向一格代表2.5V，则两个纵格表示5V，即输出正弦波峰峰值为5V，通过将示波器该通道接地后，可以看出，输出为-2.5～+2.5V。将电位器反方向调节到底，输出波形如图6-27所示。上一页下一页返回6.6仿真调试通过示波器可以看出，纵向一格代表2.5V，则4个纵格表示10